再见“宜居带”？
Lee Billings　文　Shea　编译
	从生命的角度来看，地球位于太阳系中的最佳位置。但在更长得多的时间下，一切还会这么“恰到好处”吗？ 我们居住在最好的一个“世界”中。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）正在沉思仁慈的上帝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，这一想法获得了新的共鸣。 问题是这其中是否也有一个正承载着生命。对它们每一个进行评估其实是一个出奇简单的过程，即测量每一个潜在的外星地球是否具有地球的特质。要供养生命，这颗行星必须像地球一样是岩质的、有水并且在一个“最佳位置”上绕其宿主恒星公转。那里既不太热、也不太冷，正正好好。 但我们真的就位于这么一个最好的世界中吗？随着我们对恒星、行星及其大气特性是如何造就宜居环境的有了更好的认识，地球本身的宜居性似乎比我们假想的更不安定。这对于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。 我们对地球完美性的假设大部分基于一个事实：地球上充满了生命。这里的生命一成不变地都由碳来构造并依赖液态水。有充分的理由来冲破地球中心主义，相信在地球上发生的也会在宇宙中的其他地方发生。碳和水位列宇宙中最普遍物质。它们协力打造出了大量持久稳定的化学产物，这一点是其他元素明显不可及的。 [图片说明]：地球在太阳系中的位置会一直这么“恰到好处”吗？来源：Sam Chivers。 对液态水的需求意味着任何一颗有生命的行星必须位于其宿主恒星周围一条狭窄的条带内，被称为“宜居带”。太靠近这个热核熔炉，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其宿主恒星的质量和年龄，因为这两者决定了它会辐射出多少光和热。地球看起来正温暖舒适地位于太阳的宜居带中，至少是太阳系中最好的地方。如我们所知，物理学规律放之宇宙皆相同，因此在相似温和轨道上的其他小型岩质行星大概也会是一个宜居的世界。 要是事情真的这么简单就好了。除了有液态水存在之外，对宜居带位置的估计还依赖于对宜居行星性质的其他假设。仅仅根据地球在太阳系内的位置，你会发现地球的平均温度肯定会低于冰点。它的救星是含有二氧化碳和水蒸气等温室气体可以束缚住热量的大气层。这样一个大气层被认为是岩质行星形成的典型结果。然而，如果地球的大气层厚得多、薄得多又或者拥有不同的化学成分的话，那么它很快就会停止对生命如此的友好。 我们的邻居金星彰显了这一点。它一开始似乎也是宜居的，有着类似地球的海洋和大气。但由于更靠近太阳，这些福音迅速地转变成了诅咒。水开始从海洋蒸发进大气，其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，结果便导致了失控的温室效应，把金星变成了不毛之地。在今天几乎纯二氧化碳的窒息天空之下，金星表面的温度达到了约460℃——比锡、铅和锌的熔点都高。 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）开始以更高的精度来确定宜居带的边界在哪里。他和他的同事研究了照射在一个理想地球上随时间变化的阳光强度和波长会如何影响它的大气和表面温度。入射阳光增加10%——相当于地球从距离太阳1个天文单位处向内运动到0.95个天文单位的地方——导致的温度上升会使得水蒸气上升并耗散入太空。在几千万到几亿年的时间里，这样“湿润温室”效应会令整个地球滴水不剩，消灭所有的地表生命。 当卡斯廷试图确定宜居带的外边缘——在那里下降的温度足以造成不可逆的全球冰河期——时，他发现它就在火星轨道外一点，到太阳的距离约为1.67个天文单位。这些早期的计算已经开始揭开地球宜居带的表象。地球其实并不位于宜居带的中心，而是明显靠近其内边缘。 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而没有云和天气系统。在其他方面它则十分精细，例如包含了由大气中水蒸气增加而导致的失控温室效应。它还可以再现太阳系其他行星上的许多气候特征。通过外推这些结论，卡斯廷可以确定不同大小和光度的多种恒星周围宜居带的内外边界。从那时起它们就被奉为搜寻外星宜居行星的黄金标准。 不过，在2013年初，宾夕法尼亚州立大学的科学家拉维·库帕拉普（Ravi Kopparapu）和卡斯廷以及其他人一起第一次更新了这些20年前的计算结果。毕竟，我们现在知道水蒸气和二氧化碳比我们曾经所认为的更善于吸收某些特定波长上的红外辐射。这会影响它们温室加热效应的效力。重新计算后会得到一个简单而清晰的结论：对于一颗类地行星，其在所有类型恒星周围的宜居带都可以延伸到比我们之前认为的更远的地方。 这对于搜寻其他恒星周围的宜居行星而言会产生连锁效应。之前发现的一些外星行星会被从这份列表中剔除，而其他则会被划归其中（见图）。它同时还增强了在小而低温的M型矮星周围存在生命的前景。M型矮星是我们近邻处最普遍的天体，新的结果使得宜居带向外扩张到了迄今所发现的它们周围绝大多小型岩质行星的所在地。“看起来所有M型矮星的近一半在其宜居带中都拥有地球大小的行星，”库帕拉普说。随着在未来几年专注于M型矮星周围行星搜寻项目的启动，我们应该会在太阳附近发现至少3或4个位于宜居带中的外星行星。 在边缘上摇摇欲坠 然而，对于位于宜居带中的行星而言，其寓意则要黯然得多。太阳系宜居带的内边缘从0.95个天文单位向外移动到了0.99个天文单位。换句话说，如果地球到太阳的距离减小1%，那么随着湿润温室效应的启动地球上的水就会开始向太空蒸发流失。与和宜居带的边界保持着一定的距离不同，我们其实正在它的边缘上摇摇欲坠。 这给地球的未来敲响了警钟。随着太阳年龄的增大，它会以越来越高的温度来聚变氢，变得越来越亮，进而把宜居带的内边界向外推移。“这表明末日会比我们想象的来得更早，”卡斯廷说。他说，从技术上来讲地球“从明天”就会开始脱水。而更可能的情况则是，我们要从之前广为接受的地球仍有10亿年宜居时间中砍掉几亿年的时间。 美国芝加哥大学的气候学家雷蒙德·皮尔赫伯特（Raymond Pierrehumbert）对此则很乐观。尽管他承认这些计算有益于建立宜居带的参考点，但他认为迫近的干旱只不过是所用模型的缺陷而导致的海市蜃楼。他说：“它所遗漏的因素会让一颗行星更宜居，当然也可能反过来。” 这些需要考虑的因素就包括云的效应。在拥有接近湿润或失控温室效应临界线水蒸气的大气中，云会在高度更低的地方形成，把更多的阳光反射回太空，冷却其下方的地表。事实上，很难搞清楚水含量超过50%的大气究竟会具有什么样的行为。“一场大暴雨会使得一个区域损失一半的大气，”皮尔赫伯特说，由此会从周围吸入更多的空气，进而改变整个大气的动力学。 这些特殊性以及水蒸气放大其他热源的趋向性意味着一些最宜居的行星可能仅仅含有痕量的水。美国麻省理工学院的天体物理学家莎拉·西格（Sara Seager）及其同事对含有少量水的“沙漠”行星建立了模型，以此来研究它们是否会持有全球性的海洋或者是充满水汽的大气。他们得出结论，一颗大气中仅有1%水蒸气的沙漠行星可以在距离其类太阳宿主恒星0.5个天文单位处维持宜居的表面温度，这个距离无疑位于金星的轨道之内。 卡斯廷、皮尔赫伯特以及他们的同事最近获得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，它将包含可用于多种潜在宜居岩质行星的更稳健且真实的云反馈以及水循环机制。其他的小组，尤其是法国皮埃尔和玛丽·居里大学的弗朗索瓦·福尔热（Francois Forget）以及德国马普气象学研究所的约赫姆·马罗茨基（Jochem Marotzke），也在进行类似的研究。“了解整个大气环流以及它对云和水蒸气的影响是我们正在诉求的真正前沿，”皮尔赫伯特说，“这将是最终划定宜居带边界的决定性因素。” 然而，至少对于地球而言，目前其最大的不确定性则是我们人类自身。由于使用化石燃料，现在大气中二氧化碳的含量已经从工业化前的平均百万分之280越过了百万分之400的阈值。在2007年公布的最近一份报告中，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——有可能会在本世纪后半叶达到——极有可能使得全球升温3℃。 与金星的命运相比较，这听起来无伤大雅。但这一温度上升大致与地球轨道向内移动1%到0.99个天文单位相当，而这正是最新的模型所给出的宜居带内边界。进一步的温室排放会把我们推出这一边界最终步金星的后尘吗？ 近几十年来的多项研究发现这一结果几乎是不可能的。即使我们能燃烧地球上可商业回收的绝大部分化石燃料储备，不单单使得大气中的二氧化碳翻倍而是增长8或者16倍，其最坏的结果也只不过是中度的湿润温室效应。 没有天启 在还没有发表的一项研究工作中，加拿大维多利亚大学的地球化学家科林·戈德布拉特（Colin Goldblatt）利用相同的温室气体吸收特性的新数据重新研究了这个问题，之前这些数据也被用来修改宜居带的边界。他的结论是，如果地球今天的大气即将进入了一个非常高温且湿润温室的状态，多出来的水蒸气会吸收比之前所认为的更多的红外辐射。这会降低云和冰的覆盖率，进一步增加热吸收。反过来，这会触发失控的温室效应——但前提是我们仍选择使用煤、油和天然气这些能量形式并把仅它们用于由石灰石制造更多的二氧化碳。 这一重振信心的结果对减轻气候变化在未来几十年和几个世界对人类社会的影响不会起到任何作用。但古气候记录表明，在数亿年的时间尺度上，我们的地球会显著地来回切换它的温控开关。“尽管在遥远的过去有着高浓度的二氧化碳，但地球并没有离开宜居带，”戈德布拉特说。 这可能得益于地球上的碳酸盐-硅酸盐循环。由于地球上海洋和构造活动的特有综合作用，至少在太阳系中这一循环似乎是唯一的。当上升的温度开始蒸腾海洋中的水，增加的降雨则会从大气中清除掉更多的二氧化碳，最终将其隔绝在岩石中达数百万年，直到火山喷发重新把它们释放出来。 这是地球天然的温度调节器，可能也正是它确保了我们居住在最好的一个世界中。讽刺的是，它甚至会在太阳变得太亮而不再宜居前就会成为灭绝生命的终极杀手。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，也许距今10亿年后地球内部就会冷却到大幅降低火山活动的程度，届时碳酸盐-硅酸盐循环的速度会放缓，使得更多的碳被锁定在岩石中，让地球大气开始无法支持绝大多数的光合作用形式。 但在那之前地球上的生命安全吗？考虑到气候演化——以及现在地球在宜居带中的位置——中存在着巨大的不确定性，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究竟有多远。”
[New Scientist 2013年6月8日]

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