一拍個不見陽光的流浪星球

本文由 美國穀物協會 委託，泛科學企劃執行。

你加過「酒精汽油」嗎？

2007 年，從台北的八座加油站開始，民眾可以在特定加油站選加「E3 酒精汽油」。

所謂的 E3，指的是汽油中有百分之 3 改為酒精。如果你在其他國家的加油站看到 E10、E27、E100 等等的標示，則代表不同濃度，最高到百分之百的酒精。例如美國、英國、印度、菲律賓等國家已經開放到 E10，巴西則有 E27 和百分之百酒精的 E100 選項可以選擇。

為什麼要加酒精呢？

單論玉米乙醇來說，碳排放趨近於零。為什麼呢？因為從玉米吸收二氧化碳與水進行光合作、生長、成熟，接著被採收，發酵成為玉米乙醇，最後燃燒成二氧化碳與水蒸氣回到大氣中。這一整趟碳循環與水循環，淨排放都是 0，是個零碳的好燃料來源。

當然，我們無法忽略的是燃料運輸、儲藏、以及製造生產設備時產生的碳足跡。即使如此，美國農業部經過評估分析，2017 發表的報告指出，玉米乙醇生命週期的碳排放量比汽油少了 43%。

「玉米乙醇」納入 SAF（永續航空燃料）前瞻性指引的選項之一

航空業占了全球碳排的 2.5%，而根據國際民用航空組織（ICAO）的預測，這個數字還會成長，2050 年全球航空碳排放量將會來到 2015 年的兩倍。這也使得以生質原料為首的「永續航空燃料」SAF，開始成為航空業減碳的關鍵，及投資者關注的新興科技。

只要燃料的生產符合永續，都可被歸類為 SAF。目前美國材料和試驗協會規範的 SAF 包含以合成方式製造的合成石蠟煤油 FT-SPK、透過發酵與合成製造的異鏈烷烴 SIP。以及近年討論度很高，以食用油為原料進行氫化的 HEFA，以及酒精航空燃料 ATJ（alcohol-to-jet）。

每種燃料的原料都不相同，因此需要的技術突破也不同。例如 HEFA 是將食用油重新再造成可用的航空燃料，因此製造商會從百萬間餐廳蒐集廢棄食用油，再進行「氫化」。

就引擎來說，我們當然也希望用到穩定的油。因此需要氫化來將植物油轉化為如同動物油般的飽和脂肪酸。氫化會打斷雙鍵，以氫原子佔據這些鍵結，讓氫在脂肪酸上「飽和」。此時因為穩定性提高，不易氧化，適合保存並減少對引擎的負擔。

至於酒精加工為酒精航空燃料 ATJ 的流程。乙醇會先進行脫水為乙烯，接著聚合成約 6~16 碳原子長度的長鏈烯烴。最後一樣進行氫化打斷雙鍵，成為長鏈烷烴，性質幾乎與傳統航空燃料一模一樣。

ATJ 和 HEFA 雖然都會經過氫化，但 ATJ 的反應中所需要的氫氣大約只有一半。另外，HEFA 取用的油品來源來自餐廳，雖然是幫助廢油循環使用的好方法，但供應多少比較不穩定。相對的，因為 ATJ 來源是玉米等穀物，通常農地會種植專門的玉米品種進行生質乙醇的生產，因此來源相對穩定。

但不論是哪一種 SAF，都有積極發展的價值。而航空業也不斷有新消息，例如阿聯酋航空在 2023 年也成功讓波音 777 以 100％ 的 SAF 燃料完成飛行，締下創舉。

汽車業也需要作出重要改變

根據長年推動低碳交通的國際組織 SLoCaT 分析，在所有交通工具的碳排放中，航空業佔了其中的 12%，而公路交通則占了 77%。沒錯，航空業雖然佔了全球碳排的 2.5%，但真正最大宗的碳排來源，還是我們的汽車載具。

但是這個新燃料會不會傷害我們的引擎呢？有人擔心，酒精可能會吸收空氣中的水氣，對機械設備造成影響？

其實也不用那麼擔心，畢竟酒精汽油已經不只是使用一、二十年的東西了。美國聯邦政府早在 1978 就透過免除 E10 的汽油燃料稅，來推廣添加百分之 10 酒精的低碳汽油。也就是說，酒精汽油的上路試驗已經快要 50 年。

有那麼多的研究數據在路上跑，當然不能錯過這個機會。美國國家可再生能源實驗室也持續進行調查，結果發現，由於 E10 汽油摻雜的比例非常低，和傳統汽油的化學性質差異非常小，這 50 年來的車輛，只要符合國際標準製造，都與 E10 汽油完全相容。

解惑：這些生質酒精的來源原料是否符合永續的精神嗎？

在環保議題裡，這種原本以為是一片好心，最後卻是環境災難的案例還不少。玉米乙醇也一樣有相關規範，例如歐盟在再生能源指令 RED II 明確說明，生質乙醇等生物燃料確實有持續性，但必須符合「永續」的標準，並且因為使用的原料是穀物，因此需要確保不會影響糧食供應。

好消息是，隨著目標變明確，專門生產生質酒精的玉米需求增加，這也帶動品種的改良。在美國，玉米產量連年提高，種植總面積卻緩步下降，避開了與糧爭地的問題。

另外，單位面積產量增加，也進一步降低收穫與運輸的複雜度，總碳排量也觀察到下降的趨勢，讓低碳汽油真正名實相符。

隨著航空業對永續航空燃料的需求抬頭，低碳汽油等生質燃料或許值得我們再次審視。看看除了鋰電池車、氫能車以外，生質燃料車，是否也是個值得加碼投資的方向？

參考資料

• Corn to Power Airplanes? Biden Administration Sets a High Bar. – The New York Times
• 台灣中油全球資訊網-加油站查詢
• https://grains.org.tw/最新科學研究：玉米燃料乙醇大幅減少溫室氣體排/
• USDA Releases New Report on Lifecycle Greenhouse Gas Balance of Ethanol
• https://scijournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bbb.2225
• 本田・GE100% 可持續燃料航空引擎測試成功
• 阿聯酋航空邁向永續 完成 100％ SAF 驅動單一引擎首航
• https://tcc-gsr.com/module-1/transforming-transport-and-mobility/

在座各位地球人肯定對「水」一點不陌生。不論是液態水還是固態冰，在生活中都隨處可見。但如果你以為我們已經完全了解水和冰的構成與變化，那你可就錯了，因為它可是超乎想像的複雜。

冰也會七十二變？常見的物質竟然有這麼多型態！

學校裡教過的三相圖將水區分成固、液、氣三種相（Phase）。不過除了這種簡單的分類，固態的冰在不同的壓力與溫度條件下其實還有許多不同面貌。

一般條件下，自然結凍的水只會呈現六角結晶或立方結晶，兩種晶體結構合稱為「冰一」（Ice I）。你可能有些好奇：既然有一，那或許會有二（咦）

沒錯！目前已知的冰共有二十幾種型態，比 iPhone 的型號還多！只是除了冰一之外，其他的型態都極為少見。

所謂少見是有多少見呢？

一直到 2017 年時，科學家才首次在實驗室中合成出冰七（Ice VII），這種稀有的結晶形態通常只有在彗星或系外行星上才見得到，因為它需要超大的壓力（例如：兩個含冰量豐富的小行星體對撞），才有可能形成。

相隔一年後，另一組研究團隊利用 X 光繞射技術，在世界各地的鑽石中發現冰七的蹤影。

為什麼鑽石中會有冰七？推測原因是由於當初在地底時，有少量水分被困在高溫高壓的鑽石礦脈中，而後這些水分隨著鑽石一同被挖掘到地表，雖然溫度下降到普通室溫，但堅固的鑽石內卻仍然維持著高壓。如此獨一無二的條件，讓冰七得以自然生成。

零度以下也不結冰？神秘的過冷水！

光是固態冰就有這麼多花樣了，水結冰的過程同樣也是科學家有興趣的主題。在 Science 期刊上最新的研究發現，過冷水其實是由兩種結構不同的形態混搭而成。

一般的情況下，零度以下的水需要一些雜質或擾動來「啟動」結晶的過程，才能凝固成冰。在缺乏這些條件時，水可以在零度以下仍維持液態，也就是所謂的「過冷」。

關於過冷水的理論模型可說是眾說紛紜，因為這種狀態十分不穩定，輕微的干擾就會讓過冷水全部結晶，讓實驗學家十分頭痛。另外，也很難單從實驗中觀察並判斷過冷水不結晶到底是不是因為還未達到熱平衡。

以往的相關研究通常只能依賴分子模擬，不過最近在實驗上有了最新突破。

美國西北太平洋國家實驗室的研究人員準備了一片僅有 15 奈米厚的薄冰，接著利用短暫的雷射脈衝，極速加熱一小塊區域，使其轉為液態過冷水，直到它很快地降溫並重新結晶。

整個過程只有短短幾十奈秒，不過，這個突破已經足夠讓我們使用紅外線光譜來測量過冷水的分子結構。

結果發現，早在結晶開始的短短的幾十奈秒之間，過冷水就找到了它最舒服的平衡狀態；這個狀態還是由兩種結構不同的液體型態所組成，分為高密度與低密度結構，密度分別約為 0.9 和 1.1 g/cm³。

實驗發現，過冷水中高密度水所佔的比例，會隨著溫度降低逐漸減少。也就是說，過冷水能在低於攝氏零度的環境下維持液態，很有可能是兩種不同密度的水比例不同所造成的。

其實，這種特殊的二元性質也能在一般常溫的液態水中看到，分為四面體和非四面體結構。不過這類的現象在過冷水是首次被發現，也為水在低溫時的行為提供重要的實驗數據。關於水的各種理論模型，我們終於得以區分何者較接近真實。

參考資料

1. Water structure and science
2. Gleason, A. E., Bolme, C. A., Galtier, E., Lee, H. J., Granados, E., Dolan, D. H., … & Swift, D. (2017). Compression freezing kinetics of water to ice VII. Physical Review Letters, 119(2), 025701.
3. Tschauner, O., Huang, S., Greenberg, E., Prakapenka, V. B., Ma, C., Rossman, G. R., … & Tait, K. (2018). Ice-VII inclusions in diamonds: Evidence for aqueous fluid in Earth’s deep mantle. Science, 359(6380), 1136-1139.
4. Kringle, L., Thornley, W. A., Kay, B. D., & Kimmel, G. A. (2020). Reversible structural transformations in supercooled liquid water from 135 to 245 K. Science, 369(6510), 1490-1492.
5. Shi, R., & Tanaka, H. (2020). Direct evidence in the scattering function for the coexistence of two types of local structures in liquid water. Journal of the American Chemical Society, 142(6), 2868-2875.

什麼是「一拍個」？就是「一兆個」乘以一千倍啦。

2012年3月Universe Today這個網站媒體第一次報導了銀河系裡有著「如天文數字」般數量龐大的流浪行星。這項最新研究獲得批露後，這些孤單的星球，「不見天日」地漫遊在星際空間中，且沒日沒夜地恆定唱著「浪人之歌」…此情此景在視覺上教人匪夷所思，而在星際間竟漂流著這麼多孤獨的星球，實在也太令人跌破眼鏡，所以國外許多天文愛好者大加關注，在天文界中相關的討論方興未艾。

因此，以下將繼續介紹3位在天文領域裡深受景仰的國際知名科學家所研究估計的關於流浪行星的計算結果。如果估計結果和數字皆正確無誤，意味著銀河系裡的行星數量，不只是比恆星「多」而已 – 是多很多 – 在我們的銀河系裡，平均每一顆恆星都擁有著高達10萬顆這種流浪型的行星，換言之，小自冥王星起算，大到超過木星以上，大大小小攏總加起來，這些漂流星球的總數量，約達「千兆」之譜!（官方說法，這個單位叫做「拍」，以口語且較易懂的說法就是: “1”後面跟著15個”0”， quadrillion）。這些流浪行星所組成的世界，數量竟如此龐大，它們到底都是從哪兒來的?

最近卡弗里基金會（Kavli）邀集其他幾位正在進行流浪行星相關研究的天文學者，齊聚一堂進行討論。這些知名學者包括卡弗里天文物理及宇宙學粒子研究所（KIPAC）所長， Roger D. Blandford， 他同時也是史丹福大學的教授，哈佛大學的Dimitar D. Sasselov教授（NASA克卜勒計畫的共同主持人之一）， 以及KIPAC副研究員 Louis E. Strigari，此外，還有SLAC 美國國家加速實驗室成員也參與討論 ，所討論的內容是：這些流浪星球世界究竟可能會像什麼樣子?它們是怎麼形成的呢?

其中一種流浪行星的可能來源是，它們本來就是從各自的「太陽系」中被「踢」出來的。

大多數恆星形成於星群中，許多恆星四周都有氣體和塵埃所組成的原行星盤，行星誕生於原行星盤中，流浪行星也是。至於他們是在什麼樣的情況下？如何被踢出來？這可以有好幾種方式。研究人員說，這些形成於極早時期的恆星系統，大多擁有很多顆質量很小，差不多為冥王星等級的行星，所以，在恆星之間，發生「彼此互換小質量行星」的這種動作，頻率很高，應該是個不難想見的場景。

至於「行星形成於恆星盤以外地區」的這種可能性，雖並未遭完全排除 – 若是在這種條件下形成的流浪行星，其質量大小將設有最低門檻，在理論計算中發現，形成這種流浪星球的最低質量，應不小於木星等級；所以研究人員大多認為，木星質量可作為一個參考標準，如果行星質量小於「木星標準」的門檻，它將沒有機會能自行獨立並存在於一個發展中的恆星系統以外。

這些小行星到底由什麼組成？

Sasselov教授表示，行星在沒有一顆的恆星來為它供應熱能和能量的這個條件下，「我們假設這些星球上應該是相當寒冷，且不適於生命發展。」不過他也指出，情況未必永遠不樂觀。流浪行星的內部熱源應可充當生命初始乍現所需的能量…至少能量必需充足，保持它們得以生存得下去。

想像一下，譬如以地球來說，要是地球從今天開始進行一場「無太陽的流浪之旅」，可以想見的是，地球上的生命並不會因而畫上終結號。這並非推論，是有實例可證明的，地球上已找到為數相當龐大的微生物、兩種線蟲，它們完全靠來自地球內殼核心的熱而存活的。這是100%千真萬確的事實。

KIPAC所長暨史丹福大學教授Roger Blandford也提出他的看法認為：「小型的流浪行星可能有一張高壓、高密度的保溫毯，這張毯子就覆蓋在行星的表面上」，毯子可能組成物質包括氫分子大氣或結冰的表面層，這些都能保存相當多的熱能，經由這種方法便可保持具傳導性的液態水，藉液態水而得以創造或維持生命。

星際間有這麼多行星維持著生命存在的可能性，如果它們果然如此穿梭來去銀河系當中，是否有可能，它們其實也幫助生物在銀河系中的恆星系統間彼此互通有無呢?其實，像這樣「播種論」的說法，並非近來所新創建的天文辭條；早在西元前400多年，就有古希臘哲學家Anaxagoras論述過這種可能性。假設流浪行星以每2，500萬年一次的頻率，能夠拜訪、經過內太陽系，這些流浪行星從地球上帶走一些生命和生物，並夾而帶之、傳播至銀河系其他地區的可能性，我們該認為它是高或低呢？Blandford表示：可樂觀以對。

Blandford並指出：在銀河系以內的範圍，生命能以直接、隨機或甚至是惡意的方式傳佈，這是在20世紀便已有許多著名科學家加以研究論證過的；在21世紀的今天，現代天文學能夠繼續加以著墨發揮的部分，事實上更在於，進一步提供清楚的證據去證明許多星系之間如何互撞並散佈物質至星系際空間中。基本上，不單只是在星系內，即使是在「從Ａ星系到Ｂ星系間」這種層次的生命持續播種的說法，學者也持肯定支持態度。

簡單講，流浪行星不僅只限於銀河系。如果有足夠的推動力，它可以被一個星系完全地推向另一個星系去。

誠如我們所知的，多數星系之間的碰撞都導致大量物質丟進星際太空中。而只要與恆星或黑洞相遇一次，就足以從中獲取一顆行星的彈出和離開一個星系所需的逃逸速度。

地球生命可能向外星球甚至外星系播種，這不僅是個歷史悠久的臆測，同時也是一個其來有自、有相當合理性的概念，以科學研究的能力來說，將它付諸研究實踐的可行性正在日益增加。（Lauren 譯）

相關討論內容及參考資料請見：NOMADS OF THE GALAXY的其中一段落，以及Wickramasinghe NC et al (2012). Life-bearing primordial planets in the solar vicinity. Astrophysics and Space Science; DOI 10.1007/s10509-012-1092-8

資料來源：中研院天文網[2012.07.24]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

• 編譯 / 歐柏昇

美國國家航空暨太空總署（ National Aeronautics and Space Administration, NASA）火星偵察軌道器（Mars Reconnaissance Orbiter, MRO）的新發現，提供目前最強烈的證據，顯示今日的火星有間歇流動的液態水。

在這顆紅色行星表面，具有神秘條紋的山坡上，研究人員利用MRO上面的成像光譜儀，偵測到含水礦物的特徵。這些淺黑的條紋，看起來會隨著時間推移而流動。條紋在溫暖的季節時變黑，而沿著陡坡往下流動；且在較冷的季節則顏色褪去。當溫度高過華氏-10度（攝氏-23度），就會在火星上好幾個地點出現；較冷的時候則消失。

NASA科學任務理事會副主任及太空人約翰．格倫斯菲爾德（John Grunsfeld）說：「我們對於火星的探索都是『跟隨著水』，來尋找宇宙中的生命，而現在我們有了令人信服的科學，證實我們長久料想的事。這是重要的新發展，看來確認了水──儘管是鹽水──今日在火星表面流動。」

這些下坡的流動，稱為季節性斜坡紋（recurring slope lineae, RSL），它被認為可能與液態水有關。在坡道上新發現的水合鹽類，便指明了與這些深色特徵的關聯。水合鹽類會降低液態鹽水的凝固點，這就像在地球上，馬路上的鹽會造成冰和雪更快融化。科學家說，這可能是淺層的地表下流動，並有一些水透過毛細作用來到地表上。這樣就可以解釋變黑的現象。

亞特蘭大的喬治亞理工學院的盧金德拉．歐嘉（Lujendra Ojha）是發表這項新發現的報告的第一作者，這篇文章發表在9月28日出版的《自然地球科學》（Nature Geoscience）期刊。

他說：「我們只有在這些季節特徵最寬的時候發現水合鹽類，表示這些深色條紋本身、或者某個造成深色條紋的機制，就是水合作用的來源。不管是哪一種情況，在山坡上偵測到水合礦物，就代表水在這些條紋的形成過程中，扮演重要的角色。」

2010年，當歐嘉還是亞利桑那大學的大學生時，便利用MRO的高解析度成像科學設備（High Resolution Imaging Science Experiment, HiRISE），首次注意到這些令人困惑的特徵。HiRISE目前已經在火星上數十個地點觀測到RSL。新的研究結合了HiRISE的觀測，以及MRO的火星專用小型偵察影像頻譜儀（Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars, CRISM）的礦物分布圖。

光譜儀的觀測，顯示了多個RSL地點的水合鹽類特徵，但只有在深色條紋相對較寬的時候會出現。當研究人員觀測同一個地點、但RSL較少的時期，就沒有偵測到水合鹽類。

歐嘉與其他共同作者，將此光譜的特徵解釋為過氯酸鹽的水合礦物。它的化學特徵與這些水合鹽類最相符的，可能是過氯酸鎂、氯酸鎂及過氯酸鈉的混合物。有些過氯酸鹽，讓液體甚至在華氏-94度（攝氏-70度）這麼低溫的情況下，都不會結冰。在地球上，自然產生的過氯酸鹽集中在沙漠，而有些種類的過氯酸鹽可以拿來作為火箭的推進劑。

之前人們就曾在火星上看到過氯酸鹽。NASA的鳳凰號和好奇號，都曾在火星的土壤中找到過氯酸鹽，而有些科學家還相信，1970年代的維京計畫已測量到這樣的特徵。不過，這次對於測量到RSL的地區，其水合型態的過氯酸鹽研究，跟先前的登陸器探測的地區並不同。這也是首次透過軌道上的衛星，來確認過氯酸鹽。

MRO具有六個科學儀器，從2006年開始量測火星。

在加州帕薩迪納的NASA噴射推進實驗室的MRO計畫科學家理查德．楚雷克（Rich Zurek）說：「MRO可觀測火星許多年的能力，以及能夠看到這些特徵清楚的細節， 促成了這樣的發現：首次識別了令人困惑的季節性條紋，而現在則是解釋了它們是什麼，邁出了一大步。」

這些新發現對於歐嘉來說，是更強烈地證明了他五年前首次觀察到的火星坡道上神秘的線條，真的就是現存的水。他說：「大多數人談到火星上的水，通常談的是古老的水、或是結冰的水。現在我們知道，這個故事不只是如此。這是第一次明確支持我們對於RSL的『液態水形成假說』的光譜觀測證據。」這項發現，是NASA火星任務眾多突破性結果當中最新的一項。

NASA華盛頓總部的火星探測計畫首席科學家麥克．邁爾（Michael Meyer）說：「為了解決這個謎團，眾多太空船花費了幾十年的時間，而現在我們知道，在這個寒冷、荒蕪的行星上有液態水。似乎對火星研究越多，我們就越知道生命如何維繫，以及未來哪裡有足以維持生命的資源。」

文章來源：

• NASA Confirms Evidence That Liquid Water Flows on Today’s Mars. NASA [Sept. 28, 2015]

延伸閱讀：

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