行星科普：地球已經(jīng)宜居了幾十億年——我們到底有多幸運(yùn)？

圖片來源：Pixabay
地球上最初的生命用了三四十億年才進(jìn)化到智人。即使地球氣候在此期間只出一次大的差錯，都會導(dǎo)致進(jìn)化徹底停止，而我們也將不復(fù)存在。因此，想要弄清楚我們緣何能夠在地球上生存，就需要探究地球是如何在幾十億年間保持宜居的。
這并不是什么小事。當(dāng)前的全球變暖告訴我們，氣候可以在短短幾個世紀(jì)里發(fā)生巨大的變化。在地質(zhì)時間尺度上，氣候變化會愈加容易。有計算顯示，未來幾百萬年內(nèi)，地球氣候可能會趨于惡化，氣溫會變得低于冰點(diǎn)或超過沸點(diǎn)。
我們知道，太陽的亮度相較于生命進(jìn)化之初已經(jīng)上升了30%。鑒于地球形成早期時液態(tài)水并沒有結(jié)冰（黯淡太陽悖論），那么按理說，現(xiàn)在這種情況下地球海水應(yīng)該已經(jīng)被燒干。但不管怎樣，我們已經(jīng)解開了這個關(guān)于宜居性的謎團(tuán)。
科學(xué)家們提出了兩個主要理論。第一個認(rèn)為地球可能擁有類似于恒溫器的功能，即一種（或多種）預(yù)防地球氣溫滑向極端的反饋機(jī)制。
第二個理論認(rèn)為，地球可能就是從眾多星球中脫穎而出的錦鯉之一，走到今天全憑運(yùn)氣。隨著近幾十年對太陽系以外的許多行星（所謂的系外行星）的發(fā)現(xiàn)，第二個理論變得越來越合理。對于遙遠(yuǎn)恒星的天文觀測顯示，這些恒星大多都有行星環(huán)繞，其中一部分行星的大小、密度和軌道距離理論上可以擁有適宜生命存活的溫度?？茖W(xué)家們估計，單單銀河系至少就有二十億這類種子選手。
科學(xué)家們很樂意前往這些系外行星，以考察是否有系外行星和地球一樣，具備保持幾十億年氣候穩(wěn)定的能力。但就算是離我們最近的系外行星（比鄰星的行星們）也在四光年之外，因此很難獲得觀測和實驗證據(jù)。


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于是我通過建模研究了相同的問題，用電腦設(shè)計一個模擬一般行星（不只是地球）氣候演變的程序。首先生成十萬顆配備隨機(jī)氣候反饋的行星。氣候反饋過程可以增強(qiáng)或減弱氣候變化，以北極的海冰融化為例，吸收陽光的海水取代反射陽光的海冰，進(jìn)而加速海洋暖化和海冰融化。
為了探究這些星球在地質(zhì)時間尺度上保持宜居的可能性，我給它們各自設(shè)置了100次模擬。每次的起始溫度都不同，經(jīng)歷的氣候事件也完全隨機(jī)。這些事件代表改變氣候的不同因素，比如超級火山爆發(fā)（類似皮納圖博火山噴發(fā)，但規(guī)模要大得多）和小行星撞擊（類似恐龍滅絕那次）。在這一百次模擬中，我們會追蹤各行星的溫度直到它們變得過熱或過冷，而其中也不乏一些星球在堅持了三十億年后，終于成為有可能孕育智慧生命的搖籃。
至少在反饋和運(yùn)氣二者重要性的方面，模擬結(jié)果為該宜居性問題提供了明確的答案。極少行星（實際上十萬顆行星中只有一顆）具有如此強(qiáng)大的穩(wěn)定反饋，能在100次試驗里不管氣候事件如何隨機(jī)都始終保持宜居。實際上，在100次模擬中至少有一次成功保持宜居的星球中，大部分成功的總次數(shù)不超過10?？梢栽谀M中幾乎每一個情況下保持30億年的宜居狀態(tài)，一定程度上要?dú)w功于運(yùn)氣。但光有運(yùn)氣還不夠。一些沒有設(shè)置氣候反饋的、隨機(jī)游走、受氣候事件任意擺布的行星一次都沒有成功過。


模擬中的重復(fù)運(yùn)行并不完全相同：隨機(jī)生成1000顆行星，每顆運(yùn)行兩次。(a)第一次運(yùn)行結(jié)果，(b)第二次運(yùn)行結(jié)果。綠色代表成功（保持30億年宜居），黑色代表失敗。圖片由作者Toby Tyrrell 提供
氣候模擬結(jié)果取決于反饋機(jī)制和運(yùn)氣的共同作用，這一結(jié)論是可靠的，不受任何模型變化影響。同時間接表明，地球須具有一定的氣候穩(wěn)定反饋機(jī)制，但“好運(yùn)氣”也必不可少。例如，假使撞擊地球的小行星或影響地球的太陽耀斑比原來的稍大一些，或者（氣候事件）發(fā)生的時間點(diǎn)稍有不同（更關(guān)鍵），我們可能也將不復(fù)存在。為何人類會有機(jī)會回望地球非凡亙久的生命史，看它不斷演化、繁榮、日趨復(fù)雜，看自己怎樣被推向它的舞臺中心？上述研究發(fā)現(xiàn)也為我們考慮這個問題提供了不同的視角。
撰文：Toby Tyrrell，南安普頓大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)教授。
翻譯：張乃欣
審校：曾小歡
引進(jìn)來源：theconversation
本文來自：環(huán)球科學(xué)


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