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地球宜居了几十亿年,仅仅是因为幸运吗?

作者:admin 时间:2021-03-12 22:38

  环球科学

  图片Pixabay

  撰文 | Toby Tyrrell

  翻译 | 张乃欣

  审校 | 曾小欢

  地球上最初的生命经过了三四十亿年才进化出智人(Homo sapiens)。但在此期间,即使地球气候只出现一次大的差错,都会导致进化彻底停止,而我们也将不复存在。因此,想要弄清楚我们为何能够在地球上生存,就需要探究地球在几十亿年间是如何保持宜居的。

  这并不是什么小事。当前的全球变暖告诉我们,气候可以在短短几个世纪里发生巨大的变化。在地质时间尺度上,气候的变化会更加容易。计算结果显示,在未来几百万年内,地球气候可能会趋于恶化,地球气温会变得低于冰点或超过沸点。

  依据目前的观点,太阳的亮度相较于生命进化之初已提高了30%。按理来说,当时的地球并没有普遍结冰,那么到现在地球上的海水应该已经被烧干,但事实却并非如此——这就是黯淡太阳悖论(faint young Sun paradox)。但不管怎样,我们已经解开了这个宜居性的谜团。

  科学家们提出了两个主要理论。第一个认为地球可能拥有类似于恒温器的功能,即拥有一种(或多种)预防地球气温滑向极值的反馈机制。第二个理论认为,地球可能就是从众多星球中幸运的一颗,走到今天全凭运气。随着近几十年对太阳系以外的许多行星(即系外行星)的发现,第二个理论变得越来越合理。对于遥远恒星的天文观测显示,这些恒星大多都有行星环绕,其中一部分行星拥有合适的大小、密度和轨道距离,其表面的温度在理论上适合生命存活。科学家们估计,单单银河系至少就有20亿个类似的候选行星。

  科学家们很乐意前往这些系外行星,以考察它们是否和地球一样,能保持几十亿年的气候稳定。但就算是离我们最近的系外行星(围绕比邻星运行的行星)也在4光年之外,因此很难获得观测和实验证据。

  图片Pixabay

  于是我通过建模探究了相同的问题。通过利用电脑程序模拟一般行星(不只是地球)气候演变的过程,我生成了10万颗随机具有不同气候反馈的行星。气候反馈过程(Climate feedbacks)可以增强或减弱气候变化,以北极的海冰融化为例,吸收阳光的海水会逐渐取代反射阳光的海冰,进而加速海洋暖化和海冰融化。

  为了探究这些不同的星球在地质时间尺度上保持宜居的可能性,我给它们各自设置了100次模拟。每次起始温度都不同,经历的气候事件也完全随机。这些事件代表改变气候的不同因素,比如超级火山爆发(类似皮纳图博火山喷发,但规模要大得多)和小行星撞击(类似恐龙灭绝那次)。在这一百次模拟中,我们会追踪各行星的温度,直到它们变得过热或过冷,或者还有一些星球坚持了三十亿年后,可能是孕育智慧生命的摇篮。

  这些模拟结果至少明确指出了气候反馈和运气对行星宜居性的重要性。但是,极少行星(实际上十万颗行星中只有一颗)具有如此强大的稳定性反馈,能在100次随机的气候试验中始终保持宜居。

  实际上,大多数行星在100次模拟中至少有一次保持宜居,但极少数保持宜居的次数会超过10次。如果一个行星保持30亿年的宜居状态,也就是通过了模拟中几乎每一个情况,一定程度上要归功于运气,但光有运气还不够。一些设置没有气候反馈或随机受气候事件任意摆布的行星,一次都没有成功过。

  模拟中的重复运行并不完全相同:随机生成1000颗行星,每颗运行两次。(a)第一次运行结果,(b)第二次运行结果。绿色代表成功(保持30亿年宜居),黑色代表失败。图片Toby Tyrrell

  气候模拟结果显示,行星的宜居性取决于反馈机制和运气的共同作用。这一结论具有可靠性,不受任何模型的影响。同时这一结果间接表明,地球需要具有一定的气候稳定反馈机制,但“好运气”是必不可少的。例如,假使撞击地球的小行星或影响地球的太阳耀斑比原来的稍大一些,或者发生在不同(更加关键)的时间点,我们也可能将不复存在。这些研究,也为我们考虑一些问题提供了不同的视角,例如为何人类有机会回望地球非凡且极其漫长的生命史,看它不断演化、繁荣并日趋复杂并最终进化出人类。