胡永云教授关于太阳系外行星宜居性的研究成果
来源:冯绍峰网 发表于2019-07-11 22:38:46 编辑:陈天桥
摘要: 北大物理学院大气与海洋科学系教授胡永云与其研讨生杨军博士(现在在芝加哥大学做博士后)关于太阳系外行星适合生命存在的研讨成果于2019年12 月30日

北大物理学院大气与海洋科学系教授胡永云与其研讨生杨军博士(现在在芝加哥大学做博士后)关于太阳系外行星适合生命存在的研讨成果于2019年12 月30日在美国科学院院刊(PNAS)宣布(Early Edition),标题为“Role of ocean heat transport in climates of tidally locked exoplanets around M-dwarf Stars”。他们的研讨成果表明海洋热量运送将可以有效地改动环绕红矮星运转的宜居行星的气候环境和宜居性,并可以极大地改动太阳系外行星适合生命存在的空间模态。这些成果对知道系外行星适合生命存在的或许性以及未来勘探适合生命存在的行星有着极为重要的理论含义。

地球生命在国际中是否是仅有的?太阳系外是否存在适合生命存在的星球?这一向是人类不断考虑和探究的问题。自1995年第一颗太阳系外行星被发现,到2019年12月28日停止,已有1056颗系外行星被承认,其间的12 颗被以为是有或许适合生命存在的。这12颗行星都是质量略大于地球质量的固态星球,一般被称为“超级地球”。现在,公认的适合相似地球生命存在的最要害的条件是液态水。因而,因而,一颗行星是否适合生命存在的要害是其外表温度是否可以确保液态水的长期存在,其外表温度应介于大约0-70 °C之间——低于0 °C,水彻底被冻住;高于70 °C(不需要到达100 °C),行星将进入温室逃逸状况,其外表液态水将彻底被蒸腾,并终究被光解(太阳系的金星很或许在前期阅历了温室逃逸,现在没有液态水)。

 

胡永云教授关于太阳系外行星宜居性的研究成果在PNAS宣布

胡永云教授和杨军博士的研讨方针是红矮星邻近的宜居行星。这是因为红矮星是国际中数量最多的恒星(占恒星总数量的大约80%),并且因为红矮星的辐射温度较低(3500 K左右,远低于太阳的辐射温度6000 K),其宜居行星间隔其母星较近,易于被勘探到。因而,人类很或许首先在红矮星邻近发现宜居行星。正是因为红矮星与其宜居行星太近,它们之间强的引力导致宜居行星被潮汐锁相,也便是行星的一面永久面对红矮星(永久白日),而另一面永久背对红矮星(永久黑夜)。这与咱们只能看到月亮的一面而看不到其另一面是相同的道理。这一行星与其恒星之间特别的运转方法必然形成行星的向阳面和背阳面之间的加热不均匀,由此而发生的一个严峻的问题是,尽管行星的向阳面温度适于液态水存在,但其背阳面因为得不到恒星辐射而极点冰冷,以至于一切的大气和水分有或许都被冻住在背阳面,然后不适合生命存在。

 

胡永云教授关于太阳系外行星宜居性的研究成果在PNAS宣布

图:上面两图是数值形式模仿的停止海洋条件下的海冰掩盖率(左)和温度散布(右)。下面两图是模仿的动态海洋条件下的海冰掩盖率和温度散布。左图中的蓝色表明敞开海域,白色表明冰封海域。右图的五颜六色标尺单位是°C。恒星的直射点在图的中心。

针对这一问题,胡永云教授和杨军博士初次强调了海洋热量运送对锁相行星气候的影响。他们假定“超级地球”是一个“水国际”,该假设是依据现在对“超级地球”的理论知道,一个行星的质量愈大,其所包括的水分愈多,并且因为“超级地球”重力较大,山峰较低,因而,行星外表彻底被海洋所掩盖。在此之前,一切对系外行星宜居性的研讨都没有重视海洋的气候效应,但依据地球气候系统的常识,海洋热量运送对地球气候的重要性与大气热量运送平等重要。他们运用海-气耦合气候形式进行了两种不同的数值模仿实验:(1)停止的海洋,没有海洋热量运送;(2)活动的海洋,考虑了海洋热量运送、海冰运动以及海冰-反照率反应等物理和动力进程。如图所示,在停止海洋情况下,行星向阳面只要部分区域存在液态水(蓝色),其它区域均为海冰所掩盖(白色),背阳面地表温度在-70 °C以下。相反,假如考虑海洋活动(下面两图),敞开海域不再是圆形,而是相似于“龙虾”状,两只“钳子”对称地坐落赤道两边,长长的“尾巴”一向延伸到背阳面。当二氧化碳浓度足够高时,全球温度都高于0 °C,背阳面的海冰也可以悉数消融。

 

胡永云教授关于太阳系外行星宜居性的研究成果在PNAS宣布

这些成果表明,考虑了大气和海洋自向阳面向背阳面运送热量,不只大气层不会在背阳面崩塌,水也不会在背阳面冻住。相反,海洋热量运送可以有效地加热背阳面,不只扩展了敞开海域的面积(但背阳面因无光合作用仍不适合生命长期存在),并且还极大地改动了宜居行星的气候空间模态。他们还进一步指出,假如红矮星邻近的“超级地球”确实是一个海洋国际,那么只要坐落红矮星邻近相对狭隘的范围内才是宜居的。假如间隔其母星太近,海洋热量运送将使其易于进入温室逃逸状况;假如太远,将很简单进入全冰封状况。换句话说,海洋的存在将使得传统上以为的红矮星周围的宜居带变窄。他们的研讨不只仅会集在海洋热量运送,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应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辨认系外行星是否是宜居的。尽管现在的观测技能还无法做到这一点,但方案中的太空望远镜将很有期望到达这一方针。

论文全文可见:

修改:舍予

 

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