第 12 章，共 15 章
分子与生命
每种气体在其特定波长处吸收。分子的形状决定其振动方式，而振动决定其在红外波段的吸收位置。没有任何单一气体能证明生命存在；生物特征需要结合背景来判断。
示意图
由 N 个原子组成的分子有 3N − 6 种振动方式（若为直线形则为 3N − 5 种）：水有三种，二氧化碳有四种（其弯曲振动出现两次，方向互相垂直），甲烷有九种。只有改变分子偶极矩的振动模式才会吸收红外光。这就是为什么 CO₂ 的对称伸缩振动（7.50 µm）、O₂ 的伸缩振动以及甲烷四个基频中的两个在红外波段不活跃。这些振动模式形成的谱带正是“解读大气”一章所标注的：水在 2.66 和 2.73 µm 的两种伸缩振动形成其 2.7 µm 谱带，甲烷的 ν₃ 形成 3.3 µm 谱带，CO₂ 的反对称伸缩振动形成 4.26 µm 谱带，CO 的伸缩振动形成 4.67 µm 谱带。
谱带位置：取自图集所用的 NIST CCCBDB 基频，λ = 10⁴/ν̃。位移是符合对称性的示意图，质心固定且无净自旋，并非力场计算。在每个模式中，移动最大的原子摆幅为 0.2 Å，舞台会说明这相对其零点运动放大了多少；零点运动指在该模式频率下由 ħ/2ω 得出的均方根位移：对于 ν₁ 中水的氢原子，该值为 0.047 Å，因此绘制时放大 ×4。时间被放慢 10¹³ 至 10¹⁴ 倍，舞台给出每个模式的放慢倍数。
H₂O 水
- 几何
- 弯曲形，键长 0.958 Å，键角 104.48°（CCCBDB）
- 谱带（µm）
- 1.4、1.9、2.7（基频 2.66 和 2.73）、6.27
- 振动
- ν₁ symmetric stretch · 2.73 µm · infrared-active · drawn ×4 · the 2.7 µm band in Reading atmospheres ›
- ν₂ 弯曲振动 · 6.27 µm · 红外活性 · 绘制 ×3 · 超出“解读大气”的 0.5–5.1 µm 窗口
- ν₃ asymmetric stretch · 2.66 µm · infrared-active · drawn ×4 · the 2.7 µm band in Reading atmospheres ›
- 观测者
- HST/WFC3 约 1.4 µm 附近；JWST NIRISS、NIRSpec、MIRI
- 系外行星探测
- 使用 WFC3 观测 HD 209458 b 和 XO-1 b（Deming et al. 2013）
- JWST 观测的 WASP-39 b（JWST ERS Team 2023）
- 为何重要
- 温暖行星大气中最常见的分子；决定了大多数光谱的形状。
- 没有生命？
- 普通化学过程和排气作用在各处都会产生。不是生物特征。
CO₂ 二氧化碳
- 几何
- 线形，键长 1.162 Å（CCCBDB）
- 谱带（µm）
- 4.26（很强），15.0；7.50 µm 对称伸缩无红外活性
- 振动
- ν₁ 对称伸缩 · 7.50 µm · 红外非活性（偶极矩不变）· 绘制放大 ×10 · 超出《解读大气》的 0.5–5.1 µm 窗口
- ν₂ 弯曲振动（两个，互相垂直） · 15.00 µm · 红外活性 · 绘制 ×5 · 超出“解读大气”的 0.5–5.1 µm 窗口
- ν₃ asymmetric stretch · 4.26 µm · infrared-active · drawn ×10 · the 4.26 µm band in Reading atmospheres ›
- 观测者
- JWST NIRSpec G395H/PRISM (4.3 µm), MIRI (15 µm)
- 系外行星探测
- WASP-39 b, 26σ at 4.3 µm (JWST ERS Team 2023)
- K2-18 b, 3σ (Madhusudhan et al. 2023)
- 为何重要
- 追踪行星的金属含量和化学组成；是任何生物特征声明的背景气体。
- 没有生命？
- 火山活动和热化学过程很容易产生它。
CO 一氧化碳
- 几何
- 双原子，键长 1.128 Å（CCCBDB）
- 谱带（µm）
- 4.67 基频
- 振动
- ν stretch · 4.67 µm · infrared-active · drawn ×10 · the 4.67 µm band in Reading atmospheres ›
- 观测者
- JWST NIRSpec；地面高分辨率光谱仪，约 2.3 µm 附近
- 系外行星探测
- HD 209458 b 及其轨道运动（Snellen et al. 2010）
- 为何重要
- 它与 CO₂ 和 H₂O 一起约束热大气的碳氧比。
- 没有生命？
- CO₂ 光解和高温热化学；常被视为反对生命存在的迹象，而非支持。
CH₄ 甲烷
- 几何
- 四面体，键长 1.087 Å，键角 109.47°（CCCBDB）
- 谱带（µm）
- 1.65, 2.4, 3.3 (ν₃ 3.31), 7.66
- 振动
- ν₁ 对称伸缩 · 红外非活性（偶极矩不变）· 图谱中无对应波长
- ν₂ 弯曲（两个） · 红外非活性（偶极矩不变） · 图集中无波长
- ν₃ asymmetric stretch (three) · 3.31 µm · infrared-active · drawn ×6 · the 3.3 µm band in Reading atmospheres ›
- ν₄ 不对称弯曲（三个） · 7.66 µm · 红外活性 · 绘制放大 ×4 · 超出《解读大气》的 0.5–5.1 µm 窗口
- 观测者
- JWST NIRSpec, NIRISS, MIRI
- 系外行星探测
- WASP-80 b (Bell et al. 2023)
- K2-18 b, 5σ (Madhusudhan et al. 2023)
- 为何重要
- 与 O₂ 一起，它构成生物圈可能维持的经典不平衡组合。
- 没有生命？
- 超镁铁质岩石的蛇纹石化（当今地球上主要的非生物来源）以及低温 H₂ 大气中的热化学过程。
O₂ 氧气
- 几何
- 双原子，键长 1.208 Å（CCCBDB）
- 谱带（µm）
- 0.76（A 带）、0.69、0.63；O₂–O₂ 对位于 1.06 和 1.27；6.43 µm 振动基频在红外中无活性
- 振动
- ν 伸缩振动 · 6.43 µm · 红外非活性（偶极矩不变化） · 绘制 ×11 · 超出“解读大气”的 0.5–5.1 µm 窗口
- 观测者
- 反射光（未来的 HWO）；0.76 µm 处的地面高分辨率观测
- 系外行星探测
- 在系外行星中目前尚无。
- 为何重要
- 地球上最显著的生物标志气体，但只有结合背景才有意义。
- 没有生命？
- 某些恒星周围的 CO₂ 光解，或失水后大量氢逃逸。
O₃ 臭氧
- 几何
- 弯曲形，键长 1.278 Å，键角 116.8°（CCCBDB）
- 谱带（µm）
- 0.25（紫外），0.5–0.7（Chappuis 带），9.65（最强的中红外）；基频 9.01、9.60 和 14.2
- 振动
- ν₁ 对称伸缩 · 9.01 µm · 红外活性 · 绘制放大 ×10 · 超出《解读大气》的 0.5–5.1 µm 窗口
- ν₂ 弯曲振动 · 14.20 µm · 红外活性 · 绘制 ×9 · 超出“解读大气”的 0.5–5.1 µm 窗口
- ν₃ 反对称伸缩振动 · 9.60 µm · 红外活性 · 放大 ×8 绘制 · 超出“解读大气”的 0.5–5.1 µm 窗口
- 观测者
- HWO 在紫外/可见光波段；LIFE 等中红外任务在 9.6 µm
- 系外行星探测
- 在系外行星中目前尚无。
- 为何重要
- O₂ 的灵敏示踪物，即使 O₂ 本身难以观测时也可见。
- 没有生命？
- 来自非生物 O₂ 的光化学，在某些 M 型和 F 型矮星周围更易发生。
N₂O 一氧化二氮
- 几何
- 线形，键长 1.128 Å（CCCBDB）
- 谱带（µm）
- 3.7, 4.5, 7.8, 8.6, 17
- 振动
- 主要为 N–N 伸缩 · 4.50 µm · 红外活性 · 绘制放大 ×12 · 未在“解读大气”一章中绘出
- 以 N–O 伸缩振动为主 · 7.78 µm · 红外活性 · 绘制 ×9 · 超出“解读大气”的 0.5–5.1 µm 窗口
- 弯曲（两个，互成直角） · 17.00 µm · 红外活性 · 绘制放大 ×5 · 超出“解读大气”的 0.5–5.1 µm 窗口
- 观测者
- JWST MIRI; LIFE
- 系外行星探测
- 在系外行星中目前尚无。
- 为何重要
- 由地球上的生命产生，在该水平上几乎没有非生物来源。
- 没有生命？
- 耀斑、高能粒子和闪电；它们产生的 NOₓ 远多于 N₂O，这一点具有诊断意义。
NH₃ 氨
- 几何
- 三角锥形，键长 1.012 Å，键角 106.67°（CCCBDB）
- 谱带（µm）
- 2.90, 3.00, 6.15, 10.5
- 振动
- ν₁ 对称伸缩振动 · 3.00 µm · 红外活性 · 绘制放大 ×5 · 未在“解读大气”中绘制
- ν₂ 伞式振动 · 10.50 µm · 红外活性 · 绘制放大 ×3 · 超出“解读大气”的 0.5–5.1 µm 窗口
- ν₃ 反对称伸缩（两个） · 2.90 µm · 红外活性 · 绘制 ×4 · 未在“解读大气”中绘制
- ν₄ 不对称弯曲（两个） · 6.15 µm · 红外活性 · 绘制放大 ×3 · 超出「解读大气」中 0.5–5.1 µm 的窗口
- 观测者
- JWST MIRI (10.5 µm), NIRSpec
- 系外行星探测
- 在系外行星中目前尚无。
- 为何重要
- 在冷巨行星中含量丰富；其亏损曾被用于推断内部热量。
- 没有生命？
- 氢大气深处的热化学过程；会被紫外线迅速破坏。
PH₃ 磷化氢
- 几何
- 三角锥形，键长 1.421 Å，键角 93.3°（CCCBDB）
- 谱带（µm）
- 4.30、8.94、10.1；金星的相关声称使用的是 267 GHz 的毫米波谱线
- 振动
- ν₁ 对称伸缩振动 · 4.30 µm · 红外活性 · 绘制放大 ×4 · 未在“解读大气”中绘制
- ν₂ 伞式振动 · 10.10 µm · 红外活性 · 绘制放大 ×3 · 超出“解读大气”的 0.5–5.1 µm 窗口
- ν₃ 反对称伸缩（两个） · 4.30 µm · 红外活性 · 绘制 ×3 · 未在“解读大气”中绘制
- ν₄ 不对称弯曲（两个） · 8.94 µm · 红外活性 · 绘制放大 ×2 · 超出「解读大气」中 0.5–5.1 µm 的窗口
- 观测者
- JWST MIRI；金星使用 ALMA 和 JCMT
- 系外行星探测
- 在系外行星中目前尚无。
- 为何重要
- 被提议作为岩质行星的生物标志物，因为在这类行星上没有生命很难产生它。
- 没有生命？
- 巨行星中的深层高温化学过程；在岩质行星上则被认为难以通过非生物途径产生（Bains et al. 2021）。
DMS 二甲基硫醚
- 几何
- dms，键长 1.802 Å，键角 98.9°（CCCBDB）
- 谱带（µm）
- 3.3–3.4（C–H 伸缩振动），6–7，≈10，≈15
- 观测者
- JWST MIRI LRS；NIRSpec（3.3 µm 与甲烷重叠）
- 系外行星探测
- K2-18 b：初步且有争议（见下文）（Madhusudhan et al. 2025）
- 为何重要
- 在地球上，它几乎只由海洋生物产生。
- 没有生命？
- 现代地球上已知的非生物来源很少；会被星光迅速分解。
SO₂ 二氧化硫
- 几何
- 弯曲形，键长 1.432 Å，键角 119.5°（CCCBDB）
- 谱带（µm）
- ≈4.05（组合带），7.34，8.69，19.3
- 振动
- ν₁ 对称伸缩 · 8.69 µm · 红外活性 · 绘制放大 ×10 · 超出《解读大气》的 0.5–5.1 µm 窗口
- ν₂ 弯曲振动 · 19.30 µm · 红外活性 · 绘制 ×7 · 超出“解读大气”的 0.5–5.1 µm 窗口
- ν₃ 反对称伸缩振动 · 7.34 µm · 红外活性 · 放大 ×13 绘制 · 超出“解读大气”的 0.5–5.1 µm 窗口
- 观测者
- JWST NIRSpec G395H/PRISM, MIRI LRS
- 系外行星探测
- WASP-39 b：光化学 SO₂（Tsai et al. 2023）
- WASP-39 b 的中红外观测（Powell et al. 2024）
- 为何重要
- 在系外行星大气中看到的首个光化学产物：星光驱动的化学过程。
- 没有生命？
- 光化学与火山活动。
Na 钠
- 几何
- 一个原子（CCCBDB）
- 谱带（µm）
- 0.589（D 线，589.0 和 589.6 nm）
- 观测者
- 光学透射（HST、地面高分辨率）
- 系外行星探测
- HD 209458 b：首个系外行星大气（Charbonneau et al. 2002）
- 为何重要
- 由 Seager & Sasselov 2000 预言，也是有史以来首个被探测到的大气。
- 没有生命？
- 热大气中的原子钠；不是生物印迹。
K 钾
- 几何
- 一个原子（CCCBDB）
- 谱带（µm）
- 0.767（766.5 和 769.9 nm）
- 观测者
- 光学透射
- 系外行星探测
- XO-2 b (Sing et al. 2011)
- 为何重要
- 与钠一起，可用于探测热巨行星的云和温度。
- 没有生命？
- 与钠相同；不是生物标志物。
生物印迹清单
- 检测显著性。多少个 sigma，来自多少项独立分析？
- 背景。恒星、行星的温度以及存在的其他气体（Meadows et al. 2018）。
- 化学不平衡。在没有来源补充时会相互反应而消失的气体，例如 O₂ 与 CH₄ 共存（Krissansen-Totton et al. 2018）。
- 已排除非生物来源。已逐一核查产生该气体的每一种非生命途径（Schwieterman et al. 2018；Catling et al. 2018）。
尚无任何气体在任何行星上通过这份检查清单。在地球之外的任何地方都尚未探测到生命。
金星上的磷化氢：存在争议
2020：根据 JCMT 和 ALMA 数据报告金星云层中存在磷化氢（Greaves et al. 2020）。重新分析未得到显著探测（Snellen et al. 2020；Villanueva et al. 2021），原团队对此作出了回应（Greaves et al. 2021）。仍有争议。
K2-18 b 上的 DMS：初步，有争议
2023：富 H₂ 大气中的甲烷和 CO₂，以及 DMS 的“潜在迹象”（Madhusudhan et al. 2023）。2025：一个约 3σ 的 MIRI 特征，与 DMS 和/或 DMDS 相符（Madhusudhan et al. 2025）。独立分析认为证据不足（Schmidt et al. 2025；Luque et al. 2025）。尚未成立。