海洋的氣候效應為識別系外宜居行星提供新的線索

圖中的帶狀區域為恒星的宜居帶，只有位于宜居帶內的固態行星才擁有合適的表面溫度，使得液態水可以長期存在，并支持類地球生命的存在。

　　對于類太陽恒星，宜居帶位于1個天文單位附近（地球的位置），對于紅矮星（其輻射強度比太陽低得多），宜居帶位于大約0.1個天文單位附近。海洋熱量輸送的氣候效應將使得該宜居帶變窄，也就是說，如果超級地球類的宜居行星確實是海洋世界，那么只有當這些行星位于較狹窄的宜居帶范圍內，它們才是宜居的，因為如果它們離恒星太近，海洋熱量輸送將使得行星很容易進入溫室逃逸狀態，如果太遠，則很容易進入冰封狀態，均不適宜生命存在。換句話說，海洋的氣候效應將導致找到宜居行星的幾率將比以前估計的要低一些。

　　Gliese 581是一顆紅矮恒星，Gliese 581g 為此項研究的對象，這一研究結論也適合其他類似行星。

　　地球生命是否是唯一的？太陽系外是否存在適宜生命存在的星球？一直以來，人類不停地在探尋著這些問題的確切答案。

　　雖然到目前為止，太陽系除地球之外，還沒有在其他行星發現有生命存在的跡象。但人類卻從沒有停下尋找的腳步。自1995年第一顆太陽系外行星被發現，到2013年12月20日，已有1056顆系外行星被確認，其中12顆被認為是有可能適宜生命存在的。

　　這些行星上的氣候、環境如何？它們的變化受哪些因素影響？關于這些問題，目前科學家們有了新的發現。透過這些發現，或許能夠使我們在尋找地球“同伴”道路上向前再邁進一步。

核心閱讀

　　海洋熱量輸送能夠改變宜居行星氣候

　　2013年12月30日，美國科學院院刊發表了北大物理學院大氣與海洋科學系教授胡永云與其研究生楊軍博士關于太陽系外行星適宜生命存在的研究成果。

　　這篇題目為“The role of ocean heat transport in climates of tidally locked exoplanets around M-dwarf Stars”（海洋在決定紅矮星附近宜居行星氣候狀態中的作用）的論文中，作者指出，海洋熱量輸送將能夠有效地改變圍繞紅矮星恒星運行的宜居行星的氣候環境，并能夠極大地改變太陽系外行星適宜生命存在的空間模態。

　　“之前沒有人考慮過海洋及其海洋熱量輸送對宜居行星氣候的影響，我們是第一個研究這一問題的。”胡永云在接受科技日報記者采訪時表示，海洋作為一種流體，其流動帶來的熱量輸送對氣候環境的影響非常重要。

　　目前一般認為，行星的質量越大其含水量也越多，而且由于質量較大的行星重力作用也大，其表面山峰較低，所以這類行星的表面很可能被海洋覆蓋，沒有陸地或僅有一些小島。胡永云的研究結果顯示，在“一片汪洋”的行星上，不僅海洋熱量輸送會影響行星氣候，海洋運動還帶來海冰的運動，他認為，海冰對恒星輻射的反照率較高，能夠有效地改變行星接收恒星的輻射能量，從而改變行星的宜居性和氣候環境。

　　這項研究的目標選中的是紅矮星附近的宜居行星，這類行星距離紅矮星較近，由于強烈的引力所用，行星很可能是潮汐鎖相的，也就是行星的一面永遠面對恒星，而另一面永遠背對恒星。胡永云表示，對于潮汐鎖相行星來說，我們關心的熱量輸送主要是自朝陽面向背陽面的。他指出，在溫室氣體的作用下，這種熱量輸送的作用會更明顯，從而改變背陽面的宜居條件。

關鍵詞解析

　　宜居行星：宇宙中的超級地球

　　宜居行星，顧名思義是指適宜類地球生命存在的行星。這類行星不能太大也不能太小，其質量需大于地球質量的五分之一，但小于地球質量的10倍。胡永云解釋，質量太小，不足于吸引氣體分子，沒有大氣層；質量太大的話，一般是類似海王星、木星等的氣態星球，也不適宜生命存在。

　　對于宜居行星的另一個條件限制是表面溫度，這里也有一個區間，大于0攝氏度小于70攝氏度。胡永云說，表面溫度小于0攝氏度，行星會完全結冰，沒有液態水，例如太陽系的火星；大于70攝氏度，行星進入溫室逃逸狀態，液態水完全蒸發進入大氣層并被光解，使氫原子逃逸到太空，例如太陽系的金星。這兩種狀態都不適宜生命存在，所以宜居行星的表面溫度要處在0攝氏度到70攝氏度這個區間中。上圖所示的藍色帶狀區域大致是由這一溫度范圍確定的。

　　目前所發現的12顆可能的宜居行星大致滿足這兩個條件。胡永云介紹，但估計其質量都比地球質量大，所以被稱為超級地球。由于目前的天文觀測技術無法很好地確定行星的質量，也無法確定其大氣成分，是否有海洋存在，因此，我們還無法完全確認它們是否是宜居的。

　　潮汐相鎖：白天不懂夜的黑

　　“我們的研究主要集中在紅矮星附近的宜居行星。”胡永云告訴科技日報記者，這主要是因為紅矮星大約占宇宙總恒星數量的80%，是數量最多的一類恒星，而且該類恒星的輻射溫度為3500K左右，遠低于太陽的輻射溫度6000 K，其宜居行星距離紅矮星較近，易于被探測到。因此，人類很可能首先在紅矮星附近發現適宜生命存在的行星。

　　由于圍繞紅矮星運行的宜居行星距離母星較近，這就帶來了另一個問題——潮汐相鎖。胡永云解釋說，恒星與行星之間的引力較大，行星很可能是潮汐鎖相的，也就是行星的一面永遠面對恒星，為白天，而另一面永遠背對恒星，為黑夜。他舉例說，就如同月球被地球潮汐相鎖，我們永遠只能看到月球的一面，而看不到其另外一面。這一行星與其恒星之間特殊的運行方式勢必造成行星的朝陽面和背陽面之間的加熱不均勻。

　　由此產生的一個嚴重的問題是，盡管該類行星的朝陽面溫度適于液態水存在，但其背陽面由于得不到恒星輻射而太寒冷，以至于所有的大氣和水分都被凍結在背陽面，從而不適宜生命存在。

　　海洋熱量輸送：用我的熱度溫暖你

　　海洋是一種流體，其流動可以把熱量從行星較熱的地方到較冷的地方，這就被稱為海洋熱量輸送。胡永云解釋，以地球為例，海洋和大氣一起把熱帶的熱量輸送到兩極地區，使得熱帶不至于太熱，而兩極地區不至于太冷。在地球上，海洋向兩極地區的熱量輸送與大氣的熱量輸送作用相當，都很重要。他指出，對于潮汐鎖相行星來說，我們關心的熱量輸送主要是自朝陽面向背陽面的熱量輸送。

　　從研究中建立的模型來看，潮汐相鎖的行星上，如果在海洋靜止的情況下，朝陽面只有部分區域有液態水存在，其他均為海冰覆蓋，即使溫室氣體二氧化碳的濃度從355 ppmv （ppmv代表每百萬體積單位中CO2的體積含量，相當于現在地球大氣中的CO2含量）增加到0.2個大氣壓，開放海洋區域也沒有增加太多，背陽面地表溫度仍然在零下60攝氏度以下。

　　但如果考慮動力海洋的作用，背陽面溫度顯著增加，開放海域則可以一直延伸到背陽面。當二氧化碳濃度增加到0.2個大氣壓時，行星表面海冰全部融化，溫度高于0攝氏度。這說明海洋環流和熱量輸送能夠極大地改變宜居行星的氣候環境和氣候模態的空間分布。

研究者說

　　為識別系外宜居行星提供新的線索

　　在胡永云看來，研究海洋的氣候效應是認識宜居行星氣候狀態非常重要的一步，他們的結果對認識系外行星適宜生命存在的可能性以及未來探測宜居行星有著極為重要的意義。

　　雖然目前的天文探測技術還很難捕捉遙遠的宜居行星上不同的氣候狀態及其空間模態分布，但胡永云相信，隨著探測技術的發展，在不久的將來我們還是很有希望分辨出這些氣候模態的空間分布，并根據這些不同的氣候空間模態來識別系外宜居行星。

延伸閱讀

　　漫畫家筆下那些潛在的“我們的鄰居”

　　系外行星調查目前已經進入了規模化發現階段，前不久美國宇航局披露了最新的數百顆系外行星，但是其中并沒有發現可宜居的行星，近日美國網絡漫畫人士蘭德爾·門羅繪制了太陽系周圍天體系統系外行星圖表，他將現有的數據通過可視化的途徑表達出來，可以很直觀地看出潛在宜居行星的大小和數量。他的圖表表明，在60光年的宇宙空間內可能存在超過2000顆的潛在可居住系外行星。

　　本項研究結果刊登在美國國家科學院學報上，數據分析結果也是基于開普勒系外行星探測器的觀測數據庫，隸屬于美國宇航局的開普勒望遠鏡在軌運行4年間每隔30分鐘對15萬顆恒星進行觀測，通過微小的亮等變化發現系外行星世界，科學家發現大約22%類太陽恒星周圍的可居住帶上存在適合生命演化的行星。