行星科普：地球已經宜居了幾十億年——我們到底有多幸運？

圖片來源：Pixabay
地球上最初的生命用了三四十億年才進化到智人。即使地球氣候在此期間隻出一次大的差錯，都會導致進化徹底停止，而我們也將不複存在。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。
這並不是什麽小事。當前的全球變暖告訴我們，氣候可以在短短幾個世紀裏發生巨大的變化。在地質時間尺度上，氣候變化會愈加容易。有計算顯示，未來幾百萬年內，地球氣候可能會趨於惡化，氣溫會變得低於冰點或超過沸點。
我們知道，太陽的亮度相較於生命進化之初已經上升了30%。鑒於地球形成早期時液態水並沒有結冰（黯淡太陽悖論），那麽按理說，現在這種情況下地球海水應該已經被燒幹。但不管怎樣，我們已經解開了這個關於宜居性的謎團。
科學家們提出了兩個主要理論。第一個認為地球可能擁有類似於恒溫器的功能，即一種（或多種）預防地球氣溫滑向極端的反饋機製。
第二個理論認為，地球可能就是從眾多星球中脫穎而出的錦鯉之一，走到今天全憑運氣。隨著近幾十年對太陽係以外的許多行星（所謂的係外行星）的發現，第二個理論變得越來越合理。對於遙遠恒星的天文觀測顯示，這些恒星大多都有行星環繞，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。科學家們估計，單單銀河係至少就有二十億這類種子選手。
科學家們很樂意前往這些係外行星，以考察是否有係外行星和地球一樣，具備保持幾十億年氣候穩定的能力。但就算是離我們最近的係外行星（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。


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於是我通過建模研究了相同的問題，用電腦設計一個模擬一般行星（不隻是地球）氣候演變的程序。首先生成十萬顆配備隨機氣候反饋的行星。氣候反饋過程可以增強或減弱氣候變化，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，進而加速海洋暖化和海冰融化。
為了探究這些星球在地質時間尺度上保持宜居的可能性，我給它們各自設置了100次模擬。每次的起始溫度都不同，經曆的氣候事件也完全隨機。這些事件代表改變氣候的不同因素，比如超級火山爆發（類似皮納圖博火山噴發，但規模要大得多）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後，終於成為有可能孕育智慧生命的搖籃。
至少在反饋和運氣二者重要性的方麵，模擬結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隻有一顆）具有如此強大的穩定反饋，能在100次試驗裏不管氣候事件如何隨機都始終保持宜居。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不超過10。可以在模擬中幾乎每一個情況下保持30億年的宜居狀態，一定程度上要歸功於運氣。但光有運氣還不夠。一些沒有設置氣候反饋的、隨機遊走、受氣候事件任意擺布的行星一次都沒有成功過。


模擬中的重複運行並不完全相同：隨機生成1000顆行星，每顆運行兩次。(a)第一次運行結果，(b)第二次運行結果。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
氣候模擬結果取決於反饋機製和運氣的共同作用，這一結論是可靠的，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定反饋機製，但“好運氣”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）發生的時間點稍有不同（更關鍵），我們可能也將不複存在。為何人類會有機會回望地球非凡亙久的生命史，看它不斷演化、繁榮、日趨複雜，看自己怎樣被推向它的舞台中心？上述研究發現也為我們考慮這個問題提供了不同的視角。
撰文：Toby Tyrrell，南安普頓大學地球係統科學教授。
翻譯：張乃欣
審校：曾小歡
引進來源：theconversation
本文來自：環球科學


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