別了，溫暖宜人的地球！ 2013-07-03 13:12

（文/ Lee Billings）在所有可能存在的世界裡，我們生活在其中的這個世界是最好的。這一充滿了諷刺意味的想法，源自18世紀初，當時德國的博學之士戈特弗里德·萊布尼茨（Gottfried Leibniz）陷入了深思，仁慈的上帝究竟會創造出什麼樣的世界。然而，在過去的幾十年里，伴隨著太陽系外行星的不斷湧現，這個想法獲得了新的共鳴。

問題在於，這麼多顆外星行星當中，會不會也有一顆承載著生命。對每一顆潛在的外星地球進行評估的過程，其實簡單得出人意料，就是衡量它們是否具有我們所以為的地球這樣的特質。要承載生命，一顆星球必須像地球一樣是岩石星球，要有水，而且環繞恆星公轉的距離要恰到好處——那裡既不能太熱，也不能太冷，而是要剛剛好。

但是，我們真的生活在「最好的」世界當中嗎？隨著我們更深入地認識到恆星、行星及其大氣特性如何造就了宜居環境，地球本身的溫暖宜人似乎不像我們過去以為的那樣穩定。這對其他行星上存在生命的可能性，以及地球上生命的命運，有著深遠的影響。

我們假設地球完美，主要是基於一個事實：地球上充滿了生命。這裡的生命由始至終都由碳來構造，依賴液態水為生，而且我們有充分的理由衝破地球中心主義，相信在地球上發生的事情也會在宇宙中的其他地方發生——因為碳和水是宇宙中兩種最常見的物質。它們協力打造出了大量持久穩定的化學產物，這是其他任何元素組合都明顯比不了的。

對液態水的需求意味著，任何一顆有生命的行星都必須位於恆星周圍一條狹窄的帶狀區域之內，被稱為「宜居帶」。太靠近恆星這個熱核熔爐，水就會沸騰成蒸汽。離得太遠，水則會封凍成冰，讓生命遭遇嚴寒的厄運。對於一個行星系統而言，這兩條邊界究竟在什麼地方，取決於恆星的質量和年齡，因為這兩個因素決定了恆星會輻射出多少光和熱。地球看起來正溫暖舒適地徜徉在太陽的宜居帶中，至少在太陽系中，這裡是最好的世界。我們所知的物理定律都是放之宇宙而皆準的，因此可以推斷，處在其他恆星相似軌道上的較小的岩石行星，可能也會是宜居的世界。

從生命的角度來看，地球似乎位於太陽系中的最佳位置。但新的計算表明，我們可能已經徘徊在了被太陽烤焦的邊緣。圖片來源：blogspot.com

要是真有這麼簡單就好了。除了要有液態水以外，對宜居帶位置的估計還依賴於對潛在宜居行星性質的其他假設。如果僅僅根據地球在太陽系內的位置來推斷，你會發現地球的平均溫度應該遠遠低於冰點才對。含有二氧化碳和水蒸氣等溫室氣體、能夠束縛住熱量的大氣層，成了地球的救星。人們認為，這樣一個大氣層是岩石星球形成過程的典型結果。然而，如果地球的這一層舒適的「氣毯」厚得多、薄得多，又或者化學構成完成不同的話，這顆行星可能很快就會變得不再適宜生命生存。

我們的鄰居金星彰顯了這一點。金星一開始似乎也是溫暖宜人的，有著類似地球的海洋和大氣。但由於更靠近太陽，這些福音迅速轉變成了詛咒。水開始從海洋蒸騰進大氣，水蒸氣的保熱特性使得溫度進一步升高。隨著所有的二氧化碳被從地殼中烘烤出來，結果便是溫室效應的失控，把金星變成了不毛之地。在今天幾乎由純二氧化碳構成的窒息天空之下，金星表面的溫度達到了約460℃——比錫、鉛和鋅的熔點都要高。

宜居帶邊界

1993年，美國賓夕法尼亞州立大學的地球科學家詹姆斯·卡斯廷（James Kasting）著手以更高的精度確定宜居帶的邊界在哪裡。他和同事研究了強度和波長隨時間變化的陽光照射在一個理想地球上會如何影響它的大氣和表面溫度。入射陽光的強度提高10%，相當於地球從現在距離太陽1個天文單位的地方向內移動到0.95個天文單位的位置，就會導致溫度上升，將水蒸氣送上更高層的大氣，在那裡散逸到外層太空之中。經過幾千萬到幾億年時間，這樣的「潮濕溫室」效應就會令整個地球滴水不剩，滅絕地球表面所有的生命（參見《伊卡洛斯》，第101卷，108頁）。

卡斯廷還嘗試著划出了宜居帶外邊緣的位置——在那裡，溫度會下降到一定程度，足以造成不可逆轉的全球冰河期。他發現，那裡距離太陽大約1.67個天文單位，就在火星軌道外面一點點。這些早期的計算已經開始打破「地球位置剛剛好」的表象。地球其實並不處在宜居帶的正中央，而是明顯靠近它的內側邊緣。

卡斯廷的氣候模型在某些方面過於簡單，僅考慮了一層均勻的大氣，沒有雲和天氣系統。在其他方面，它倒十分精細，例如考慮了由大氣中水蒸氣增加而導致溫室效應失控的正反饋效應。它還可以再現太陽系其他行星上的許多氣候特徵。把這些結論外推出去，卡斯廷就可以確定不同大小、不同光度的各種恆星周圍宜居帶的內外邊界。自那時以來，這些結果就被奉為是搜尋外星宜居行星的黃金標準——直到2013年年初。

今年年初，美國賓夕法尼亞州立大學的研究者拉維·庫帕拉普（Ravi Kopparapu），與卡斯廷和其他幾位研究者合作，在20年之後對那些計算結果作了第一次更新。庫帕拉普指出，我們的許多認識已經變了。畢竟，現在我們已經知道，對於特定波長的紅外輻射，水蒸氣和二氧化碳的吸收能力要比我們過去認為的更加強大。這會影響它們溫室加熱效應的效力。重新計算得到了一個簡單而清晰的結論：對於一顆類似地球的行星而言，在所有類型的恆星周圍，宜居帶到恆星的距離都要比我們先前認為的稍遠一些（參見arxiv.org/abs/1301.6674）。

對於搜尋其他恆星周圍的宜居行星而言，這會產生連鎖反應。先前發現的一些外星行星會被踢出宜居候選者的行列，另外一些看上去則變得更有希望。同時，在又小又冷的所謂「M型矮星」周圍，存在生命的前景也提高了。這類恆星是我們周圍最常見的天體，新的結果使它們的宜居帶向外擴張了一些，將迄今在它們周圍發現的絕大多數較小的岩石星球都涵蓋了進去。庫帕拉普說，「現在看來，M型矮星中幾乎半數都應該在宜居帶中擁有一顆地球大小的行星。」未來幾年，專註於在M型矮星周圍尋找行星的搜尋項目將陸續啟動，我們應該期待會在太陽系的家門口發現至少3到4顆潛在的宜居行星。

新的計算結果表明，恆星周圍的宜居帶所處的位置要比原先認為的離恆星更遠一些。圖片來源：《新科學家》搖搖欲墜

然而，對於原來認為一切剛剛好的行星而言，新結果的寓意則要黯然得多。太陽系宜居帶的內側邊緣從距離太陽0.95個天文單位外移到了0.99個天文單位。換句話說，只要地球到太陽的距離減小1%，隨著潮濕溫室效應的啟動，地球上的水就會開始向太空蒸發流失。我們和宜居帶的邊緣之間並沒有一個足夠讓人放心的安全距離，我們其實就在它的邊緣上搖搖欲墜。

這給地球的未來敲響了警鐘。隨著年齡的增大，太陽聚變氫的溫度會越來越高，太陽也會越來越亮，將宜居帶的內側邊界向外推移。卡斯廷說：「這意味著，末日到來的日期要比我們想像的更早。」從理論上講，地球「最早從明天開始」就可能開始脫水。過去我們已經廣泛接受了這樣一個觀點：地球還有大約10億年時間適合生命生存。很有可能，現在我們必須從中再砍掉幾億年的時間。

美國芝加哥大學的氣候科學家雷蒙德·皮埃安貝爾（Raymond Pierrehumbert）仍持樂觀態度。儘管他也承認，對於建立宜居帶的參考點而言，新的計算確實有所幫助，但他認為，迫在眉睫的脫水只不過是模型缺陷而導致的海市蜃樓。他說：「可以說，模型遺漏的大多數因素，會讓一顆行星變得更加宜居，而不是反過來。」

比如說，雲的影響。如果大氣中所含的水蒸氣逼近潮濕溫室效應或者失控溫室效應的臨界線，雲很可能會在更低的高度上形成，把更多陽光反射回太空，冷卻雲層下方的地表。事實上，想要搞清楚含水量超過50%的大氣會是什麼樣子，這是很難的。皮埃安貝爾說，「一場大暴雨就能讓你損失掉某一地區一半的大氣」，於是那裡會從周圍吸入更多的空氣，改變整個大氣的動力學結構。

這些特殊性，再加上水蒸氣放大其他熱源效果的傾向性，意味著最「堅韌」的宜居行星有可能是那些只含少量水分的星球。美國麻省理工學院的天體物理學家莎拉·西格（Sara Seager）及其同事，已經建立了模型，研究了只含有少量水分、不足以維持全球性海洋或者濕潤大氣的「沙漠」行星。他們的結論是，大氣中僅含1%水蒸氣的沙漠行星，能夠在距離太陽僅0.5個天文單位的地方維持溫暖宜人的表面溫度——而這個距離無疑位於金星的軌道之內（參見arxiv.org/abs/1304.3714）。

開普勒－22b，在剛剛發現時，曾被認為是處在它那個恆星系的宜居帶中。但根據最新的計算，這顆行星離恆星太近了一些，不可能適宜我們所知的生命生存。圖片來源：NASA

卡斯廷、皮埃安貝爾以及他們的同事，最近得到了美國宇航局的資助，來聯合研發一個完全三維的氣候模型，其中將會考慮更健全也更真實的雲層反饋和水循環機制，以適用於各種潛在宜居的岩石星球。其他團隊也在進行類似的研究，值得一提的有法國巴黎第六大學的弗朗索瓦·福爾熱（Fran?ois Forget），以及德國馬普學會氣象學研究所的約赫姆·馬羅茨基（Jochem Marotzke）。「了解整個大氣環流以及它對雲和水蒸氣的影響，是我們所有人正在探索的真正前沿，」皮埃安貝爾說，「這將是最終影響宜居帶邊界劃定的最大因素。」

然而，至少對於地球而言，最大的不確定因素是我們人類自身。在人類文明工業化以前，大氣中二氧化碳的平均含量是280 ppm（百萬分比），然而由於使用化石燃料，現在大氣中的二氧化碳已經突破了400 ppm這一閾值。在2007年發布的最近一份獲得全體通過的報告中，聯合國政府間氣候變化專門委員會評估預計，二氧化碳含量翻倍極有可能使得全球升溫3℃——這一水平有可能會在本世紀後半葉達到。

與金星的悲慘命運相比，這聽起來似乎也算不上什麼。但是溫度的這一升幅，與地球軌道向內移動1%的效果相當——而0.99個天文單位，正是最新模型劃定的太陽周圍宜居帶的內側邊界。進一步排放溫室氣體，會把我們推出這一邊界，步上金星的後塵嗎？

近幾十年來的多項研究認為，這樣的結果幾乎不可能出現。即使我們燒掉了地球上能夠經濟開採出來的大多數化石燃料儲備，不只是令大氣中的二氧化碳翻番，而是增長8到16倍，最壞的結果可能也不過是適度的潮濕溫室效應。

在一項還沒有發表的研究中，加拿大維多利亞大學的地球化學家科林·戈德布拉特（Colin Goldblatt），利用更新版的溫室氣體吸收特性（也就是拿來重新計算宜居帶邊界的那一版數據），重新研究了這個問題。他的結論是，如果地球今天的大氣即將進入一種非常高溫和潮濕的溫室狀態，多出來的水蒸氣吸收的紅外輻射將比我們先前認為的更多。這會減少降低雲和冰的覆蓋率，進一步增加熱吸收。如此循環，有可能觸發失控的溫室效應——但這種情況出現的前提是，我們仍選擇使用煤、石油和天然氣這些能源，並且只把這些能量用於分解石灰石，以製造更多的二氧化碳。

這個結果讓人鬆一口氣，但對未來幾十年到幾個世紀內，減輕氣候變化對人類社會造成的短期影響方面，起不到任何作用。但古氣候記錄表明，在數以億年計的時間尺度上，我們的地球明顯會來回切換它的溫控開關。戈德布拉特說：「儘管在遙遠的過去，大氣里有著高濃度的二氧化碳，但地球並沒有離開宜居帶。」

我們的地球，儘管距離太陽系宜居帶的內側邊緣僅有1%的餘地，但數十億年來一直供養著生命生息繁衍。問題是，這種溫暖宜人的環境，還能維持多久？圖片來源：universetoday.com

這可能得益於地球上的碳酸鹽－硅酸鹽循環。這一循環似乎是獨一無二的，至少太陽系內如此，這多虧了地球上特有的海洋和構造活動的組合。當溫度上升開始蒸騰海洋中的水時，增多的降水會從大氣中清洗掉更多的二氧化碳，最終將它們囚禁在岩石中長達數百萬年，直到火山噴發將它們重新釋放出來。

這就是地球的天然溫度調節器，或許也是地球能夠被當成是「最好的」世界所仰仗的最大功臣。不過諷刺的是，它也會成為滅絕生命的終極殺手，甚至在地球因為太陽變得太亮而不再宜居之前就痛下殺手。根據卡斯廷和他的學生肯·卡爾德拉（Ken Caldeira）在1992年計算得到的結果，或許距今10億年後，地球內部就會冷卻到一定的程度，導致火山活動大幅度降低，放緩碳酸鹽－硅酸鹽循環的速度，把過多的碳封鎖在岩石中，導致地球大氣無法再維持絕大多數形式的光合作用（參見《自然》，第360卷，721頁）。

不過，在那之前，地球上的生命還安全嗎？考慮到我們對氣候變化的了解還有很大的不確定性，現在就連地球在宜居帶中的位置也說不好了，戈德布拉特認為，過於想當然也許是不明智的。「這就像大霧天在懸崖頂上玩捉迷藏。雖然還沒有人摔下去，不過你也不知道你離邊緣有多遠。」

編譯自：《新科學家》，Goodbye, Goldilocks? The untimely end of life on Earth