胡永云教授关于太阳系外行星宜居性的切磋成果

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北大物理学院大气与海洋科学系教授胡永云与其研究生杨军博士(现在芝加哥大学做博士后)关于太阳系外行星适宜生命存在的研究成果于2013年12 月30日在美国科学院院刊(PNAS)发表(Early Edition),题目为“The role of ocean heat transport in climates of tidally locked exoplanets around M-dwarf Stars”。他们的研究结果表明海洋热量输送将能够有效地改变围绕红矮星运行的宜居行星的气候环境和宜居性,并能够极大地改变太阳系外行星适宜生命存在的空间模态。这些结果对认识系外行星适宜生命存在的可能性以及未来探测适宜生命存在的行星有着极为重要的理论意义。

(文/ Lee Billings)在所有可能存在的世界里,我们生活在其中的这个世界是最好的。这一充满了讽刺意味的想法,源自18世纪初,当时德国的博学之士戈特弗里德·莱布尼茨(Gottfried Leibniz)陷入了深思,仁慈的上帝究竟会创造出什么样的世界。然而,在过去的几十年里,伴随着太阳系外行星的不断涌现,这个想法获得了新的共鸣。

离地球最近系外行星可能宜居 全面模拟显示比邻星b拥有液态海洋

恒星的光照亮其行星的大气。图片来源:NASA官网

地球生命在宇宙中是否是唯一的?太阳系外是否存在适宜生命存在的星球?一直是人类不断思考和探索的问题。自1995年第一颗太阳系外行星被发现到2013年12月28日为止,已有1056颗系外行星被确认(另有数千颗有待进一步确认),其中的12 颗被认为是有可能适宜生命存在的。这12颗行星都是质量略大于地球质量的固态星球,通常被称为“超级地球”。目前,公认的适宜类似地球生命存在的最关键的条件是液态水的存在。因此,一颗行星是否适宜生命存在的关键是其表面温度是否能够保证液态水的长期存在,也就是说,其表面温度应介于大约0-70 °C之间,低于0 °C,行星将是冰封的(如火星);高于70 °C(不需要达到100 °C),行星将进入温室逃逸状态,其表面液态水将完全被蒸发,进入大气层,并最终被光解(太阳系的金星很可能在早期经历了温室逃逸过程,现在没有液态水)。

问题在于,这么多颗外星行星当中,会不会也有一颗承载着生命。对每一颗潜在的外星地球进行评估的过程,其实简单得出人意料,就是衡量它们是否具有我们所以为的地球这样的特质。要承载生命,一颗星球必须像地球一样是岩石星球,要有水,而且环绕恒星公转的距离要恰到好处——那里既不能太热,也不能太冷,而是要刚刚好。

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据美国国家航空航天局官网消息,戈达德空间研究所和日本东京工业大学地球生命科学研究所,日前联合发表在《天体物理学》杂志上的论文称,使用更现实的模拟大气条件模型,有助于在未来研究中发现地外行星可居住性,并进一步确定候选星球。

胡永云教授和杨军博士的研究目标是红矮星附近的宜居行星。这是因为红矮星是宇宙中数量最多的恒星(占宇宙恒星总数量的大约80%),而且,因为该类恒星的辐射温度较低(3500 K左右,远低于太阳的辐射温度6000 K),其宜居行星距离其母星较近,易于被探测到。因此,人类很可能首先在红矮星附近发现宜居行星。但由于红矮星与其宜居行星太近,恒星与行星之间较强的引力将导致宜居行星被锁相,也就是行星的一面永远面对红矮星(永久白天),而另一面永远背对红矮星(永久黑夜)。这与月球被地球潮汐锁相是同样的道理,所以,我们永远只能看到月亮的一面,而看不到其另一面。这一行星与其恒星之间特殊的运行方式势必造成行星的朝阳面和背阳面之间的加热不均匀,由此而产生的一个严重的问题是,尽管该类行星的朝阳面温度适于液态水存在,但其背阳面由于得不到恒星辐射而极端寒冷,以至于所有的大气和水分都被冻结在背阳面,从而不适宜生命存在。

但是,我们真的生活在“最好的”世界当中吗?随着我们更深入地认识到恒星、行星及其大气特性如何造就了宜居环境,地球本身的温暖宜人似乎不像我们过去以为的那样稳定。这对其他行星上存在生命的可能性,以及地球上生命的命运,有着深远的影响。

比邻星b上的情景。

新研究使用新模型计算目标星球的三维条件,可模拟一维模型无法企及的大气流动特征,以助天文学家将稀缺的观测时间分配给最有希望的宜居星球候选者。

针对这一问题,胡永云、杨军首次强调了海洋热量输送对锁相行星气候的影响。他们假定“超级地球”是一个“水世界”,该假设是基于目前对超级地球的理论认识,那就是,一个行星的质量愈大,其所包含的水分愈多,而且由于超级地球重力较大,山峰较低,因此,行星表面完全被海洋所覆盖。在此之前,所有对系外行星宜居性的研究都没有关注海洋的气候效应,但根据地球气候系统的知识,我们知道海洋热量输送对地球气候的重要性与大气热量输送同等重要。他们使用海-气耦合气候模式进行了两种不同的数值模拟试验:(1)不考虑海洋热量输送(静止的海洋);(2)流动的海洋,考虑了海洋热量输送、海冰运动以及海冰-反照率反馈等物理和动力过程。图1所示的是在静止海洋的情况下数值模拟结果,行星的朝阳面只有部分区域存在液态水(图1A和1B中的蓝色区域),其它区域均为海冰所覆盖(白色)。即使增加温室效应(把CO2从355 ppmv 增加到0.2大气压),开放海域的面积也没有增加太多,并且背阳面地表温度仍然在-60 °C以下。相反地,如果考虑海洋流动(图2),开放海域不再是圆形,而是类似于“龙虾”状,两只“钳子”对称地位于赤道两侧,长长的“尾巴”一直延伸到背阳面。当CO2浓度增加到0.2 大气压时,全球温度都高于0 °C,背阳面的海冰也全部融化。

我们假设地球完美,主要是基于一个事实:地球上充满了生命。这里的生命由始至终都由碳来构造,依赖液态水为生,而且我们有充分的理由冲破地球中心主义,相信在地球上发生的事情也会在宇宙中的其他地方发生——因为碳和水是宇宙中两种最常见的物质。它们协力打造出了大量持久稳定的化学产物,这是其他任何元素组合都明显比不了的。

图片来源:美国太空网

液态水是生命所必需的条件,所以地外行星表面温度若允许液态水存在并足够使生命茁壮成长,将被认为宜居。如果距离母星太远,含水海洋会因温度太低而冻结。如果太近,海洋终将蒸发殆尽。当水蒸气上升到平流层,恒星紫外线将其分解为氢和氧元素,极轻的氢原子逃逸到空间,行星就进入到“潮湿温室”状态。

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对液态水的需求意味着,任何一颗有生命的行星都必须位于恒星周围一条狭窄的带状区域之内,被称为“宜居带”。太靠近恒星这个热核熔炉,水就会沸腾成蒸汽。离得太远,水则会封冻成冰,让生命遭遇严寒的厄运。对于一个行星系统而言,这两条边界究竟在什么地方,取决于恒星的质量和年龄,因为这两个因素决定了恒星会辐射出多少光和热。地球看起来正温暖舒适地徜徉在太阳的宜居带中,至少在太阳系中,这里是最好的世界。我们所知的物理定律都是放之宇宙而皆准的,因此可以推断,处在其他恒星相似轨道上的较小的岩石行星,可能也会是宜居的世界。

科技日报北京9月17日电 据美国太空网近日报道,美国国家航空航天局科学家根据模拟得出结论称,距离地球最近的系外行星比邻星b上可能拥有广阔的海洋,这增加了其支持生命存在的可能性。

为了使水蒸气上升到同温层,以前的模型预测,行星表面长期温度必须大于地球的温度,甚至高达66℃,才会造成强烈的对流风暴和雨水普降现象。但研究人员说,恒星辐射及其对行星外部大气环流的影响,才是真正使气候变暖的原因。

图1、静止海洋条件下的海冰覆盖率(A和B)和温度分布(C和D)。上图是355 ppmv CO2条件下的模拟结果(A、C),下图是0.2个大气压CO2条件下的模拟结果(C、D)。图A和B中的蓝色表示开放海域,白色表示冰封海域,彩色标尺的单位是%。图C和D的彩色标尺的单位是°C。

图片 4从生命的角度来看,地球似乎位于太阳系中的最佳位置。但新的计算表明,我们可能已经徘徊在了被太阳烤焦的边缘。图片来源:blogspot.com

比邻星b的母星是距离太阳最近的恒星“比邻星”(Proxima Centauri),离太阳仅4.2光年。自比邻星b于2016年“现身”以来,人们一直想知道它是否能支持生命存在。现在,使用类似研究地球气候变化的计算机模型,研究人员发现,在很多条件下,比邻星b表面可以维持液态水的存在,因此可能适宜生命生存。

新模型表明,恒星散发大部分近红外光波长的光,即使在比地球稍微温暖的条件下,也会产生潮湿温室状态,进而逐渐增加平流层的水分。为了宜居,这类行星必须比地球与太阳的距离更近,因此,与旧模型预测相反,这些更接近低质量母恒星的地外行星可能仍然宜居。

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要是真有这么简单就好了。除了要有液态水以外,对宜居带位置的估计还依赖于对潜在宜居行星性质的其他假设。如果仅仅根据地球在太阳系内的位置来推断,你会发现地球的平均温度应该远远低于冰点才对。含有二氧化碳和水蒸气等温室气体、能够束缚住热量的大气层,成了地球的救星。人们认为,这样一个大气层是岩石星球形成过程的典型结果。然而,如果地球的这一层舒适的“气毯”厚得多、薄得多,又或者化学构成完成不同的话,这颗行星可能很快就会变得不再适宜生命生存。

比邻星b的质量至少是地球的1.3倍,公转周期约11天,在其恒星的宜居带内运行,这意味着,它所处的位置可以接收到足够多恒星发出的光,使其表面温度保持在冰点以上。同时这个位置距离恒星非常近,由于重力,行星会被其恒星引力锁定,这意味着它的某一侧会总朝向恒星。

低质量恒星在星系中最常见,其小尺寸也增加了检测行星信号的机会。最新模型的助力,也增加了寻找宜居世界的可能性。

图2、动力海洋条件下的海冰覆盖率(A和B)和温度分布(C和D)。上图是355 ppmv CO2条件下的模拟结果(A、C),下图是0.2个大气压CO2条件下的模拟结果(C、D)。图A和B中的蓝色表示开放海域,白色表示冰封海域,彩色标尺的单位是%。图C和D的彩色标尺的单位是°C。

我们的邻居金星彰显了这一点。金星一开始似乎也是温暖宜人的,有着类似地球的海洋和大气。但由于更靠近太阳,这些福音迅速转变成了诅咒。水开始从海洋蒸腾进大气,水蒸气的保热特性使得温度进一步升高。随着所有的二氧化碳被从地壳中烘烤出来,结果便是温室效应的失控,把金星变成了不毛之地。在今天几乎由纯二氧化碳构成的窒息天空之下,金星表面的温度达到了约460℃——比锡、铅和锌的熔点都要高。

2016年,科学家对比邻星b大气层的模拟结果表明,面朝恒星的那一侧可能处于恒星炫目光芒的“烘烤”下;而面向太空的海洋会被冻住,因此,比邻星b上可能只存在一圈温暖的海洋。

他们的研究结果表明:在大气和海洋自朝阳面向背阳面输送热量的情况下,不仅大气层不会在背阳面坍塌,水分也不会冻结在背阳面。相反,海洋热量输送还能够有效地扩大开放海域的面积(但背阳面因无法进行光合作用仍不适宜生命长期存在),并极大地改变宜居行星的气候空间模态。他们研究还进一步表明,如果红矮星附近的超级地球确实是一个海洋世界,那么这类行星将只能位于红矮星附近相对狭窄的范围内。因为如果距离其母星太近,海洋热量输送将使得行星易于进入温室逃逸状态;如果太远,海洋热量输送容易使其进入全冰封状态。换句话说,海洋的存在将使得传统上认为的恒星周围的宜居带变窄。他们的研究不仅仅集中在海洋热量输送,还考虑了洋流、海冰运动以及海冰-反照率与恒星辐射之间的反馈作用对宜居行星气候的影响。图2所给出的气候空间模态将有助于识别系外行星是否适宜居行星。虽然目前的天文观测技术还无法做到这一点,但计划中的太空望远镜将很有希望达到这一目标。所以,这些结果为未来识别系外行星的宜居性提供了重要的理论基础。

宜居带边界

此次最新模拟更加全面,还包括一个动态的循环海洋,能有效地将热量从比邻星b的一侧传到另一侧。戈达德太空研究所行星科学家安东尼·尔吉尼奥表示:“即使暗面从未见过任何星光,但该行星赤道地区仍有一条液态水带。”

论文全文可见:

1993年,美国宾夕法尼亚州立大学的地球科学家詹姆斯·卡斯廷(James Kasting)着手以更高的精度确定宜居带的边界在哪里。他和同事研究了强度和波长随时间变化的阳光照射在一个理想地球上会如何影响它的大气和表面温度。入射阳光的强度提高10%,相当于地球从现在距离太阳1个天文单位的地方向内移动到0.95个天文单位的位置,就会导致温度上升,将水蒸气送上更高层的大气,在那里散逸到外层太空之中。经过几千万到几亿年时间,这样的“潮湿温室”效应就会令整个地球滴水不剩,灭绝地球表面所有的生命(参见《伊卡洛斯》,第101卷,108页)。

该团队总共运行了18个独立的模拟场景,研究了巨大的陆地、稀薄的大气、不同的大气成分,甚至整颗行星海洋中盐分变化的影响。在几乎所有的模型中,比邻星b都拥有开放的海洋,至少在其表面的某些区域持续存在。

卡斯廷还尝试着划出了宜居带外边缘的位置——在那里,温度会下降到一定程度,足以造成不可逆转的全球冰河期。他发现,那里距离太阳大约1.67个天文单位,就在火星轨道外面一点点。这些早期的计算已经开始打破“地球位置刚刚好”的表象。地球其实并不处在宜居带的正中央,而是明显靠近它的内侧边缘。

尔吉尼奥说:“行星上的液态水越多,生命存在的可能性就越大。我们或可借助未来的望远镜找到生命存在的证据,比如目前正于智利建造的极大望远镜或许可以捕捉到比邻星b发出的热量,并厘清其表面情况。”

卡斯廷的气候模型在某些方面过于简单,仅考虑了一层均匀的大气,没有云和天气系统。在其他方面,它倒十分精细,例如考虑了由大气中水蒸气增加而导致温室效应失控的正反馈效应。它还可以再现太阳系其他行星上的许多气候特征。把这些结论外推出去,卡斯廷就可以确定不同大小、不同光度的各种恒星周围宜居带的内外边界。自那时以来,这些结果就被奉为是搜寻外星宜居行星的黄金标准——直到2013年年初。

今年年初,美国宾夕法尼亚州立大学的研究者拉维·库帕拉普(Ravi Kopparapu),与卡斯廷和其他几位研究者合作,在20年之后对那些计算结果作了第一次更新。库帕拉普指出,我们的许多认识已经变了。毕竟,现在我们已经知道,对于特定波长的红外辐射,水蒸气和二氧化碳的吸收能力要比我们过去认为的更加强大。这会影响它们温室加热效应的效力。重新计算得到了一个简单而清晰的结论:对于一颗类似地球的行星而言,在所有类型的恒星周围,宜居带到恒星的距离都要比我们先前认为的稍远一些(参见arxiv.org/abs/1301.6674)。

对于搜寻其他恒星周围的宜居行星而言,这会产生连锁反应。先前发现的一些外星行星会被踢出宜居候选者的行列,另外一些看上去则变得更有希望。同时,在又小又冷的所谓“M型矮星”周围,存在生命的前景也提高了。这类恒星是我们周围最常见的天体,新的结果使它们的宜居带向外扩张了一些,将迄今在它们周围发现的绝大多数较小的岩石星球都涵盖了进去。库帕拉普说,“现在看来,M型矮星中几乎半数都应该在宜居带中拥有一颗地球大小的行星。”未来几年,专注于在M型矮星周围寻找行星的搜寻项目将陆续启动,我们应该期待会在太阳系的家门口发现至少3到4颗潜在的宜居行星。

图片 6新的计算结果表明,恒星周围的宜居带所处的位置要比原先认为的离恒星更远一些。图片来源:《新科学家》

摇摇欲坠

然而,对于原来认为一切刚刚好的行星而言,新结果的寓意则要黯然得多。太阳系宜居带的内侧边缘从距离太阳0.95个天文单位外移到了0.99个天文单位。换句话说,只要地球到太阳的距离减小1%,随着潮湿温室效应的启动,地球上的水就会开始向太空蒸发流失。我们和宜居带的边缘之间并没有一个足够让人放心的安全距离,我们其实就在它的边缘上摇摇欲坠。

这给地球的未来敲响了警钟。随着年龄的增大,太阳聚变氢的温度会越来越高,太阳也会越来越亮,将宜居带的内侧边界向外推移。卡斯廷说:“这意味着,末日到来的日期要比我们想象的更早。”从理论上讲,地球“最早从明天开始”就可能开始脱水。过去我们已经广泛接受了这样一个观点:地球还有大约10亿年时间适合生命生存。很有可能,现在我们必须从中再砍掉几亿年的时间。

美国芝加哥大学的气候科学家雷蒙德·皮埃安贝尔(Raymond Pierrehumbert)仍持乐观态度。尽管他也承认,对于建立宜居带的参考点而言,新的计算确实有所帮助,但他认为,迫在眉睫的脱水只不过是模型缺陷而导致的海市蜃楼。他说:“可以说,模型遗漏的大多数因素,会让一颗行星变得更加宜居,而不是反过来。”

比如说,云的影响。如果大气中所含的水蒸气逼近潮湿温室效应或者失控温室效应的临界线,云很可能会在更低的高度上形成,把更多阳光反射回太空,冷却云层下方的地表。事实上,想要搞清楚含水量超过50%的大气会是什么样子,这是很难的。皮埃安贝尔说,“一场大暴雨就能让你损失掉某一地区一半的大气”,于是那里会从周围吸入更多的空气,改变整个大气的动力学结构。

这些特殊性,再加上水蒸气放大其他热源效果的倾向性,意味着最“坚韧”的宜居行星有可能是那些只含少量水分的星球。美国麻省理工学院的天体物理学家莎拉·西格(Sara Seager)及其同事,已经建立了模型,研究了只含有少量水分、不足以维持全球性海洋或者湿润大气的“沙漠”行星。他们的结论是,大气中仅含1%水蒸气的沙漠行星,能够在距离太阳仅0.5个天文单位的地方维持温暖宜人的表面温度——而这个距离无疑位于金星的轨道之内(参见arxiv.org/abs/1304.3714)。

图片 7胡永云教授关于太阳系外行星宜居性的切磋成果在PNAS公布,新大方模型有助宜居星球搜求。开普勒-22b,在刚刚发现时,曾被认为是处在它那个恒星系的宜居带中。但根据最新的计算,这颗行星离恒星太近了一些,不可能适宜我们所知的生命生存。图片来源:NASA

卡斯廷、皮埃安贝尔以及他们的同事,最近得到了美国宇航局的资助,来联合研发一个完全三维的气候模型,其中将会考虑更健全也更真实的云层反馈和水循环机制,以适用于各种潜在宜居的岩石星球。其他团队也在进行类似的研究,值得一提的有法国巴黎第六大学的弗朗索瓦·福尔热(François Forget),以及德国马普学会气象学研究所的约赫姆·马罗茨基(Jochem Marotzke)。“了解整个大气环流以及它对云和水蒸气的影响,是我们所有人正在探索的真正前沿,”皮埃安贝尔说,“这将是最终影响宜居带边界划定的最大因素。”

然而,至少对于地球而言,最大的不确定因素是我们人类自身。在人类文明工业化以前,大气中二氧化碳的平均含量是280 ppm(百万分比),然而由于使用化石燃料,现在大气中的二氧化碳已经突破了400 ppm这一阈值。在2007年发布的最近一份获得全体通过的报告中,联合国政府间气候变化专门委员会评估预计,二氧化碳含量翻倍极有可能使得全球升温3℃——这一水平有可能会在本世纪后半叶达到。

与金星的悲惨命运相比,这听起来似乎也算不上什么。但是温度的这一升幅,与地球轨道向内移动1%的效果相当——而0.99个天文单位,正是最新模型划定的太阳周围宜居带的内侧边界。进一步排放温室气体,会把我们推出这一边界,步上金星的后尘吗?

胡永云教授关于太阳系外行星宜居性的切磋成果在PNAS公布,新大方模型有助宜居星球搜求。近几十年来的多项研究认为,这样的结果几乎不可能出现。即使我们烧掉了地球上能够经济开采出来的大多数化石燃料储备,不只是令大气中的二氧化碳翻番,而是增长8到16倍,最坏的结果可能也不过是适度的潮湿温室效应。

生命的末日?

在一项还没有发表的研究中,加拿大维多利亚大学的地球化学家科林·戈德布拉特(Colin Goldblatt),利用更新版的温室气体吸收特性(也就是拿来重新计算宜居带边界的那一版数据),重新研究了这个问题。他的结论是,如果地球今天的大气即将进入一种非常高温和潮湿的温室状态,多出来的水蒸气吸收的红外辐射将比我们先前认为的更多。这会减少降低云和冰的覆盖率,进一步增加热吸收。如此循环,有可能触发失控的温室效应——但这种情况出现的前提是,我们仍选择使用煤、石油和天然气这些能源,并且只把这些能量用于分解石灰石,以制造更多的二氧化碳。

这个结果让人松一口气,但对未来几十年到几个世纪内,减轻气候变化对人类社会造成的短期影响方面,起不到任何作用。但古气候记录表明,在数以亿年计的时间尺度上,我们的地球明显会来回切换它的温控开关。戈德布拉特说:“尽管在遥远的过去,大气里有着高浓度的二氧化碳,但地球并没有离开宜居带。”

图片 8我们的地球,尽管距离太阳系宜居带的内侧边缘仅有1%的余地,但数十亿年来一直供养着生命生息繁衍。问题是,这种温暖宜人的环境,还能维持多久?图片来源:universetoday.com

这可能得益于地球上的碳酸盐-硅酸盐循环。这一循环似乎是独一无二的,至少太阳系内如此,这多亏了地球上特有的海洋和构造活动的组合。当温度上升开始蒸腾海洋中的水时,增多的降水会从大气中清洗掉更多的二氧化碳,最终将它们囚禁在岩石中长达数百万年,直到火山喷发将它们重新释放出来。

这就是地球的天然温度调节器,或许也是地球能够被当成是“最好的”世界所仰仗的最大功臣。不过讽刺的是,它也会成为灭绝生命的终极杀手,甚至在地球因为太阳变得太亮而不再宜居之前就痛下杀手。根据卡斯廷和他的学生肯·卡尔德拉(Ken Caldeira)在1992年计算得到的结果,或许距今10亿年后,地球内部就会冷却到一定的程度,导致火山活动大幅度降低,放缓碳酸盐-硅酸盐循环的速度,把过多的碳封锁在岩石中,导致地球大气无法再维持绝大多数形式的光合作用(参见《自然》,第360卷,721页)。

不过,在那之前,地球上的生命还安全吗?考虑到我们对气候变化的了解还有很大的不确定性,现在就连地球在宜居带中的位置也说不好了,戈德布拉特认为,过于想当然也许是不明智的。“这就像大雾天在悬崖顶上玩捉迷藏。虽然还没有人摔下去,不过你也不知道你离边缘有多远。”

 

编译自:《新科学家》,Goodbye, Goldilocks? The untimely end of life on Earth

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