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有读书笔记Habitable Zone Limits for Dry Planets

唐唐 添加于 2011-9-8 05:00 | 2516 次阅读 | 0 个评论

  •  作 者

    Abe Y, Abe-Ouchi A, Sleep NH, Zahnle KJ

  •  摘 要

    Most discussion of habitable planets has focused on Earth-like planets with globally abundant liquid water. For an “aqua planet” like Earth, the surface freezes if far from its sun, and the water vapor greenhouse effect runs away if too close. Here we show that “land planets” (desert worlds with limited surface water) have wider habitable zones than aqua planets. For planets at the inner edge of the habitable zone, a land planet has two advantages over an aqua planet: (i) the tropics can emit longwave radiation at rates above the traditional runaway limit because the air is unsaturated and (ii) the dry air creates a dry stratosphere that limits hydrogen escape. At the outer limits of the habitable zone, the land planet better resists global freezing because there is less water for clouds, snow, and ice. Here we describe a series of numerical experiments using a simple three-dimensional global climate model for Earth-sized planets. Other things (CO2, rotation rate, surface pressure) unchanged, we found that liquid water remains stable at the poles of a low-obliquity land planet until net insolation exceeds 415 W/m2 (170% that of modern Earth), compared to 330 W/m2 (135%) for the aqua planet. At the outer limits, we found that a low-obliquity land planet freezes at 77%, while the aqua planet freezes at 90%. High-obliquity land and aqua planets freeze at 58% and 72%, respectively, with the poles offering the last refuge. We show that it is possible that, as the Sun brightens, an aqua planet like Earth can lose most of its hydrogen and become a land planet without first passing through a sterilizing runaway greenhouse. It is possible that Venus was a habitable land planet as recently as 1 billion years ago.

  •  详细资料

    • 文献种类:期刊
    • 期刊名称: Astrobiology
    • 期刊缩写: Astrobiology
    • 期卷页: 2011年  第11卷 第5期 443-460页
    • ISBN: 1531-1074

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    陆地行星上更可能发现外星生命

     这是1975年升空的海盗号探测器拍摄的火星
     
    北京时间9月5日消息，正如弗兰克·赫尔伯特（Frank Herbert）出版的经典科幻小说《沙丘》中描述的那样，科学家们研究认为那种沙丘遍布的行星可能将是星系中最有希望存在生命的地方，而不是像地球这样拥有丰富水体的星球。
     
    而这还不是此项研究中最出乎意料的结论。该项研究中还同时指出，有太阳系高温地狱之称的金星可能仅仅在大约10亿年前还是一个非常宜居的沙漠星球，而现在那里的地表温度高达460摄氏度，连铅都会熔化。
     
    追寻水的足迹
     
    在地球上，只要有水的地方就有生命。因此我们之前在宇宙中搜寻可能存在的其它生命时也正是以此为基准，即寻找水的踪迹，寻找拥有表面液态水体的行星。
     
    我们目标中的候选行星应当是和地球那样，拥有广阔的海洋甚至就是个“海洋星球”，即全球完全被一个连续的，深达数百公里海洋的浸没的世界，或者形象的说，很像是木卫三地表的冰层完全融化之后的样子。
     
    为了达到宜居状态，这颗星球必须运行在所谓的“宜居带”之中，即它距离其中央恒星的距离必 须适中，不太远也不太近，因此它的地表温度也才能保持适当范围，不太热也不太冷，从而允许水以液态形式存在。太远了水会冻结，就像太阳系中的火星；太近了 水会蒸发，就像太阳系中的金星。
     
    在太近的距离上，行星表面的温度会急剧上升，水汽不断蒸发升入高空，在那里被恒星紫外线击碎，分离为氢和氧。随后氢气向太空逃逸，而氧则会和呈熔融状态的地表物质发生反应，溶入地幔层。随着时间的推移，行星大气中的水汽几乎会完全丧失。
     
    和这种“水”星球不同，科学家们设想了“沙漠”星球。这些星球的表面遍布沙漠，但是零星存在一些绿洲。如《沙丘》一书中描述的行星“Arrakis”，就是一颗发育良好的宜居星球。
     
    Arrakis 事实上就是一颗“改良版”的火星，只是它更大，更温暖，并且有稀疏的生命分布。另外它的表面有可供呼吸的氧气，极地地区温度较火星要高一些，分布有小规模的水冰极冠，清晨还会出现露珠。
     
    对陆地行星的模拟
     
    科学家们认为，像这样仅拥有少量水分布的特点反而可以帮助这样的行星拥有更大的宜居带范 围。之所以这样认为，有几点原因，首先这样的星球上可以变为冰雪的水量较少，而白色的冰雪会反射太阳光。因此，更少的冰雪覆盖意味着颜色较深的岩土地表可 以吸收更多的太阳热量，以防止全球冰冻的发生，从而使宜居带的范围向外侧扩展。
     
    除此之外，其缺水的大气也使其不能像富水行星的大气层那样蓄积大量的热量，从而避免了发生严重温室效应的可能性，这也就向内侧扩展了宜居带的范围。并且，大气层中水量的缺乏也缓解了大量水汽上升至高层大气并被紫外线打碎散逸进入太空的风险。
     
    日本东京大学科学家阿部丰，美国宇航局埃姆斯研究中心的凯文·扎尼（Kevin Zahnle）和同事们采用多种和地球大小相当的类地行星全球气候模型进行了测试。在他们对“沙漠型”行星的测试中，他们让地球的自转速率，大气压和二氧 化碳含量保持不变，但移除了海洋和植被覆盖，但保留了地下水的存在。
     
    这样的结果是他们发现相比“水行星”，“沙漠行星”的宜居带范围要比前者大上三倍。在发表在《天体生物学》（ Astrobiology ）杂志上的一篇文章中，研究者们写道：“暗淡蓝点并非是和地球类似的行星的唯一模型，第一种出现的宜居行星可能是一颗陆地行星，而非海洋行星。”
     
    宜居带中的沙漠星球
     
    在分析行星分布的宜居带范围外缘究竟在何处时，阿部和同事们计算出一颗类似地球的“水行星”，只要其接收到的太阳光强度降低到目前强度的72~90%，就会发生完全冰封的情形。当然除此之外还要考虑这颗行星的自转轴倾角大小。
     
    相比之下，陆地行星抵抗全球冰封情况发生的能力要强得多，它可以忍受太阳光强度降低至目前58~77%的情况。这就意味着对于陆地行星而言，其宜居带的范围外缘相对要延伸地更远一些。
     
    而在宜居带内缘边界方面，研究人员们计算出，当阳光的强度增强至目前强度的135%时，“水行星”表面最寒冷的地区——两极的液态水也将彻底蒸发消失；而相比之下，陆地行星的此项指标则是170%。这就意味着其宜居带内侧边界也要比前者宽得多。
     
    这样一颗陆地行星相当符合科幻小说《沙丘》中对于行星Arrakis的描述。扎尼说：“尽管我并不相信《沙丘》中描述的所谓‘沙虫’生物的存在。但是我认为《沙丘》里面描述的行星上，其极地地区的气候实际上会更加宜人，这里有更多的水面，甚至会有小溪或湖泊的存在。”
     
    当然科学界也有不同的观点。宾夕法尼亚州立大学行星科学家吉姆·卡斯汀(Jim Kasting)就是其中之一。他本人并未参与这项研究，但是他评价这是一项“聪明”的研究。不过他质疑这样的研究结果是否真的会有助于人类找到太阳系外 地宜居星球，不管它是海洋星球还是陆地星球。
     
    他说：“为了证实任何一个系外行星世界是否从我们的标准看来是一个宜居星球，它们必须显示 水存在的迹象。目前并不清楚这些所谓的‘沙漠星球’上是否存在足够的水以便能被我们从地球上观察到其迹象。因此我认为这一研究结果将不会对目前人类搜寻其 它潜在宜居星球的工作产生影响。”
     
    不过扎尼可不同意这种观点，他说：“这种陆地行星或许确实不会产生能被我们探测到的水信号，但是它们大气中的氧气可以被探测到。并且我们的研究结果显示由于水是普遍存在于宇宙之中的，因此它并不能被视为一个行星是否宜居的决定性因素。”
     
    陆地行星更容易被发现
     
    由于对于陆地行星来说，宜居带的范围要大得多，因此扎尼认为人类将首先找到宜居的陆地行 星，而非海洋行星。对于陆地行星而言，它们可以存在于远较海洋行星距离中央恒星更近的轨道上。众所周知，如果一颗行星距离其中央恒星越近，则其轨道运动速 度越快，周期越短，也就越容易形成对其中央恒星的凌星现象从而被人类检测到。
     
    卡斯汀还认为一颗行星表面仅存在的少量水量是不可能保持稳定的。他认为这样的少量水将很容易被岩土吸收，从而在地表消失。
     
    对于这一点，扎尼表示同意，他说：“我们并非在寻找一颗永远宜居的星球，而是一颗可能在较 长时间段内宜居的星球。任何星球都不可能永远宜居，就算是地球也是一样。”他指出，有朝一日地球也将变成一颗沙漠星球。随着我们太阳年龄的增长，其光度大 约每10亿年会增加9%，逐渐增强的光照将最终让地球上的液态水消失殆尽。
     
    不过不用担心，发生这样的情况至少还需要数十亿年。不过地球也可能不会发生金星上发生的那种无法控制的灾难性温室效应，如此，地球或许可以避免液态水被完全蒸发的厄运，或许只会损失大约1/3的海水而得以幸免。
     
    这一有关陆地行星的研究引出的一个有趣问题是：金星作为太阳系中温度最高的行星，是否在过去曾经有过适合生命生存的条件？考虑到金星在久远的过去或许曾经拥有过海洋，研究人员们认为金星确实可能经历过一段“干燥但是允许生命生存”的环境阶段。
     
    事实上，科学家们认为直到大约10亿年前，金星一直是一颗属于宜居范围的行星。扎尼表示，当时的金星是“热带地区炎热异常，极地地区凉爽湿润。很像地球，大气中也没有今天那么多二氧化碳。”他期待未来的进一步研究将帮助科学家们找到有关金星历史的答案。(来源：新浪科技 晨风)
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