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地球上的我们,有多幸运?

时间: 2021年02月08日 | 作者: Admin | 来源: ​原理
在一颗星球上,智慧生命的进化不仅需要行星在最初的时刻就具备适宜生命存在的条件,还需要行星在随后不间断地保持宜居性。


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这是因为从单细胞到多细胞再到智慧生命的发展,必须要有足够的时间让生命增加其复杂性。在地球上,这一过程历经了约三、四十亿年。


如果在这段漫长的时间里,地球上的气候哪怕出现过一次重大的“故障”,我们的进化都会戛然而止。目前的全球变暖形势,向我们展示了即使在短短几个世纪的时间中,气候也可以发生相当大的变化。那么从更加宏大的地质时间尺度来看,气候的改变更是不足为奇。有计算表明,地球气候有可能在几百万年内恶化到0℃以下,或100℃以上。


那么,地球是如何在数十亿年的时间里仍然维持这适宜生命居住的环境的?这实际上是一个令人困惑的现象。


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上个世纪五、六十年代,科学家提出了支配恒星内部动力学和时间演化的原理。理论表明,在生命出现在地球以来,太阳的亮度增加了30%。如果其他的一切保持不变,那么在早期的时候,地表水会在更加暗淡的太阳之下完全冻结,然而证据却表明事实并非如此。反过来说,由于早期地球并没有被冻结,如果气候系统的其他部分保持不变,那么今天的海洋理应在更加明亮的太阳之下蒸发殆尽,但显然事实又并非如此。这被称为“暗淡年轻太阳悖论”(faint young Sun paradox)。


对此,科学家提出了两个主要理论。第一,地球可能拥有一种类似于恒温器的东西,换句话说,地球可能拥有一种或多种反馈机制,可以防止温度在致命区域徘徊。第二,在众多的行星中,也许有一些行星是“幸运儿”,而地球就是其中之一。


近几十年来,在太阳系外发现的许多系外行星,使得第二种理论变得更加可信。通过观测遥远的恒星,天文学家意识到许多恒星都有行星围绕它们运行,有些恒星的大小、密度和轨道距离,足以使得那里的温度处在适宜生命存在的理论范围。据估计,仅在我们的银河系中,就有至少有20亿个这样的候选行星。


如果可以“前往”这些系外行星,去寻找那些能为理解地球在数十亿年里的气候稳定性提供线索,科学家们当然乐意前往。但是,即使是最近的系外行星,也距离我们4光年之远。很难对此通过观测或实验进行检验。


在近期发表的一项研究中,南安普顿大学的科学家Toby Tyrrell通过建模,对这个问题进行了探索。Tyrrell使用了一个专门用来模拟行星气候演化的计算机程序来进行这项分析。他先是生成了10万个行星,每个行星都有着随机的不同的气候反馈机制。所谓的气候反馈机制,指的是一些可以放大或减小气候变化的过程,比如北极的海冰融化就是一个例子,在这个过程中,反射阳光的冰层会被吸收阳光的海洋所取代,这反过来会导致更严重的变暖和更多的融化。


为了研究这些不同的行星在巨大的地质时间尺度上维持宜居性的可能,Tyrrell对每个行星进行了100次模拟,每一次,行星都会从不同的初始温度开始,然后暴露在随机的不同的气候事件中。这些事件代表着那些能改变气候的因素,比如超级火山爆发、小行星的撞击等等。在每一次这样的模拟中,行星的温度变化都会被记录,直到它变得太热或太冷,或者在“安全”范围内维持了30亿年——那时它就可被视作为一颗“成功”的行星,是智慧生命发展的潜在摇篮。


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图中显示了1000个随机生成的不同行星,顶部框中显示的是第一次运行产生的结果,底部框中显示的是第二次运行产生的结果。橙色圆圈表示维持了30亿年的宜居性“成功”行星,白色圆圈则表示没能维持30亿年宜居性的“失败”行星。| 图片来源:Toby Tyrrell / Nature Communications Earth & Environment


这些模拟所得的结果为气候反馈以及“幸运程度”对宜居性的重要性给出了明确答案。在这100,000颗行星中,有9%,也就是约8700颗行星至少成功过一次;在这8700颗之中,约8000颗行星的成功次数少于50次;大多数(约4500颗)行星的成功次数少于10次;在极罕见的情况下,行星才能够拥有非常强大的稳定反馈,以致于无论是遇见了什么样的随机气候事件,都能在100次的模拟中,次次都维持自身的宜居性——这样的概率只有1/100,000。


在模拟中,当一颗行星在30亿年的时间里都能维持宜居性时,那么可以肯定其中有部分原因需要归因于幸运。然而与此同时,只有幸运是不够的,那些被特别设计成完全没有反馈机制的行星,永远不会出现宜居性,它们在气候变化的影响下的随机行走过程,永远无法持续太久。


整体结果显示,这一切部分取决于反馈机制,部分取决于幸运程度。这样的结果看起来是可靠且稳健的。对模型作出的所有改变都没有影响这一结果。这意味着,地球必然拥有着某些稳定气候的反馈机制,而与此同时,又必然有着绝佳的好运。例如,如果一颗小行星或太阳耀斑比它真实出现时的体积和强度更稍大一些,或者发生在一个略微不同但更为关键的时间的话,今天我们或许就不会存在于地球之上了。


这项研究为我们提供了一个不同的视角,让我们能够回顾地球上的生命进化、多样化和变得更加复杂的历史。