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星际演变史,温暖宜人的地球

发布时间:2019-05-02 05:47编辑:www.599588.com浏览(146)

    (EON/编译)宇宙大约有138亿岁,其中可能有超过100万亿亿颗行星。在这样宏大的时间跨度和行星数量下,如果地球不是例外,宇宙中就应该还存在其他文明。著名的费米悖论就是这样提出的:“如果银河系有大量先进文明的话,为什么我们还没有看到它们的探测器和飞船呢?”

    (文/ Lee Billings)在所有可能存在的世界里,我们生活在其中的这个世界是最好的。这一充满了讽刺意味的想法,源自18世纪初,当时德国的博学之士戈特弗里德·莱布尼茨(Gottfried Leibniz)陷入了深思,仁慈的上帝究竟会创造出什么样的世界。然而,在过去的几十年里,伴随着太阳系外行星的不断涌现,这个想法获得了新的共鸣。

    植物茂密生长的条件是氧气,肥沃的土壤,充足的水源。动物的生长,除了氧气,水源,还要有充分的食物。食草动物的食物要具有茂密的草原。食肉动物要有更好的肉食来源。

    支撑文明的发展,要有上述条件之外,还要具备能源,社会良性竟爭条件,以及文明社会发展的要素,文化,音乐,人的内在素质(包括哲学家,思想家,文学家,科学家,设计师,发达的技术产业链支撑等等)

    人类独特能力的爱得情绪表达,爱是人类物质和精神生活动力。爱是人类伟大精神,它鼓舞支撑人类精神,人得社会精神行为,特别人类伟大的创造力,在文化,音乐,绘画,建筑等,把真善美集之大成。

    文明去星际扩展,是生存的必须,也是必然趋势。因为人更大的才能和发展,要有更广阔的空间,才能施展。

    地球生命史已经有20多万年,宇宙有 137亿年历史,天文学家提出一个衡量文明水平的方法,一个文明的技术水平高低,取决于这个文明所能够产生利用的能量大小,按层次分级文明可以分为三个等级。

    地球文明,还没有发展到一级文明,只是一级文明的0.73级文明。物理学家称:人类真正要晋升到一级文明,还需要一两百年 。

    一级文明的特征是:完全可以控制地球,改变天气,改造地球地质等等。

    二级文明,能够利用恒星内部的能源,束缚保存,释放这种能量,为己所用。

    二级文明的特征是:不仅有能力建造这些巨大的结构,而且能够控制任意行星,以及挖掘可用其资源。

    三级文明则更为宏大,它可以说是星际文明 ,星际文明可以说是一个高度发达的外星文明,它能够控制星际一定区域 ,用恒星引力控制星际,反射控制引力方向 ,使其不能逃逸。

    一种可能的解释是,外星文明在发展出星际旅行技术之前就已经灭绝了。那么问题又来了,它们为什么会灭绝?

    问题在于,这么多颗外星行星当中,会不会也有一颗承载着生命。对每一颗潜在的外星地球进行评估的过程,其实简单得出人意料,就是衡量它们是否具有我们所以为的地球这样的特质。要承载生命,一颗星球必须像地球一样是岩石星球,要有水,而且环绕恒星公转的距离要恰到好处——那里既不能太热,也不能太冷,而是要刚刚好。

    一,地球演化史以及生命生存的风险

    www.599588.com,在人类视野中,地球孕育了人类的生命 ,地球生命史经历二次伟大的辉煌,第一次長达1,5亿年多的恐龙进化,以及这一次人类文明的进化。

    随着人类文明的发展,遇到更多瓶颈,如:能源问题,限制了人类文明的进一步发展。

    仔细想:人类的思考发展的思路不对,思考的视野过于狭窄,地球资源支撑不了人类扩張的消耗,因此人类的未来视野 ,应当集中于星际文明的扩展,把人类放至更安全的环境 ,充分利用外星资源 ,发展自己,把握更宽阔的视野,才能更好更快的发展,而不是地球人之间的内耗和爭斗。

    换句话说:把用各国花费在军事上的资金,用于宇航星际行动上,能够得到真正意想不到的收获。

    寻找更安全的能源解决办法,当你走入星际空间之后,所有问题很容易解决,但也面临巨大风险。

    史蒂芬,霍金曾经表示:

    人类未来几千年持续生存,必须散播到太空和其它星球上,才能有真正安全保证。

    其实是恐龙的进化,以及恐龙后来的灭亡,就给人们一个教训。

    1950年诺贝尔获得者,物理学家费米提出 :外星人比人类早进化100万年,外星人应该来到地球,那么人类要用100万年的时间 ,飞往银河系各个星球。这就是著名的费米悖论。

    硅基文明的生存比双碳基生命更顽强,头脑更聪明,没有人类内耗,信息传播速度更快 ,计算能力超强,没有任何生理限制。

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    这就是说:在星际文明之间,外星生命应当存在一种,大量单星生命死亡的文明 。

    换句话说:星际间不同程度的生命文明 ,夭亡和死亡的原因是生命扩張,而走上了一条不归之路 ,以及地球事件,外星撞击事件,彗星撞击地球而引起的地球冰期等。

    先要看一下:地球演化史给生命带来风险,地球生命的几次大灭绝和7次大冰期,地球过去的历史,其实也是未来历史重演,对人类的提醒:正所谓前车之鉴。

    当每一次生命的极致的时候,生命的风险其实越来越大。

    几次冰期的雪球地球事件:水在地球形成6亿年之后就存在了(距今40亿年)。即使海水寒冷,也会给地球带来生命的风险。

    地球从27亿年以来,共发生七次大冰期 :第一次为赫罗连冰期,发生在27-20亿年间:第二次为次奈舍冰期,约在9.5-8. 29亿年间:第三次为斯特运冰期,在距今8.3-7.4亿年前:第四次为维兰杰冰期,在距今6.5-5.7亿年间:第五次为奥陶纪末,约距今4.5-4.34亿年间:第六次在石炭二叠纪,约距今3.3至2.7亿年间:第七次为更新世冰期从距今250万年至今 。

    在人类进化的历史上,曾经有一段历史 ,经历了冰期,大面积的冰期,使人幸存下来的数量极少。

    赤道部分地区的(应当开始是猿人),只能生存在沿海临海岸地带,因为适应的半陆半水上生活,因此猿人身上的毛脱掉了,留下了人类考古历史时间上的一部分空白区。

    大面积的冰期,也差点是人类绝灭。

    什么叫生物大灭绝?地球历史上一共发生六次生命大灭绝,为什么?

    生物大灭绝是指大规模的集群灭绝,生物灭绝,又叫生物绝种,整科,整目,甚至整纲生物在很短时间内彻底消失。

    a,第一次开始于奥陶纪末期,导致大约85%物种绝灭,历史上又称奥陶纪大灭绝。

    这场灭绝事件的原因:伽马射线暴击中地球引发全球变冷。

    b,第二次生物大灭绝,泥盆纪后期,海洋生物遭受灭顶之灾,历史上又称为泥盆纪大灭绝(4,05亿年至3,5亿年)。

    大量高温气体从西伯利亚地区的海床裂缝中涌出,导致海水沸腾,杀死大量生物。

    事件发生后5000年后,海水扩散物到大气中 ,全球气温迅速升高。

    发生10万年后,岩浆还在继续喷发,灾难发生,75万年以后,天空中形成酸雨 ,连续数万年的酸雨泛滥,使植物数量进一步减少,土壤发生酸化。

    这次超级地幔柱冲破海床事件,130万年后 ,一个8000米的火山口,20万立方千米的岩浆喷涌而出,黑暗使地球陷入长达200万年的长夜之中。

    又过去了100万年,地球陷入了严重冰期事件,灾难发生的150万年以后,地球开始了100多万年的第一场降雪,大雪持续了数年 ,全球海洋低温造成生物大量死亡。

    发生了200万年后,地球通过了数十万年,才恢复了以往的生机。

    这次超级地幔柱冲破海床灭绝事件500万年 ,才终于结束。

    c,第三次生物大灭绝,2.51亿年的二叠纪末期,事件导致超过98%的地球生物灭绝。

    西伯利亚暗色岩发生最大的火山喷发,引起的连锁反应。

    d,第四次生物大灭绝,2亿年的三叠纪晚期,发生了第四次生物大灭绝,爬行类动物遭遇重创,历史上又称为三叠纪大灭绝。

    e,第五次生物大灭绝,6500万年的白垩纪末期,事件导致从侏罗纪以来长期统治地球的恐龙灭绝。又称白垩纪大灭绝,或恐龙时代终结。大约75-89%物种物种灭绝 。

    外星陨石撞击

    f,第六次生物大灭绝,自从人类出现以来:生物多样性受到有史以来最为严重的威胁。

    在今天的加拿大帕里群岛,有一座叫德文岛的地方,它也是全球最大的无人岛,距离北极点1600公里,这里表面为岩脊,谷地和陨石坑所覆盖,被称为地球上最接近火星环境的地方。

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    从以上地球演化的历史,我们能够看出 ,每隔6500万年左右,地球就面临着生物灭绝的爆发性风险。

    www.599588.com 3图片来源:Kurzgesagt – In a Nutshell

    但是,我们真的生活在“最好的”世界当中吗?随着我们更深入地认识到恒星、行星及其大气特性如何造就了宜居环境,地球本身的温暖宜人似乎不像我们过去以为的那样稳定。这对其他行星上存在生命的可能性,以及地球上生命的命运,有着深远的影响。

    二,宇宙生命的多样性

    其实宇宙生命的多样性,其复杂程度,远远超过人类的想象能力。

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    阿西莫夫所写的一篇文章《并非我们所认识的》他在文中提出了六种生命形态

    1,以氟化硅酮为介质的氟化硅酮生物,一些高温星球上可能存在的生命形式。

    2,以硫为介质的氟化硫生物,一些高温星球上可能存在的生命形式。

    3,以水为介质的核酸蛋白质,氧为基础的生物,地球上的生命。

    4,以氨为介质的核酸蛋白,氨为基础的生物,硫矿里的厌氧细菌为介质的生命,寒冷星球上可能存在的生物形态。

    5,以甲烷为介质的类脂化合物生物,硫矿里厌氧细菌,寒冷星球上可能存在的生物形态。

    6,以氢为介质的内脂化合物生物,硫矿里的含氧细菌,在一些寒冷星球上可能存在的生物形态。

    甚至于氦生物,气体生物,电波能量生物,中子星生物。

    对于硅基生命的重要设想:耐高温,硅一氧健 ,可以承受大约600度的温度,而硅一铝健 ,能承受近900度的温度。

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    搞清这些生命的化学基础,其独特的新陈代谢,一定会被这些生命多样性而震惊,生命不仅仅是在我们地球上一家。

    在最近发表于《天体生物学》的一项研究中,天文学家亚当·弗兰克(Adam Frank)及其同事设计了一个简单的数学模型,用以研究地外文明和行星环境之间的共同演化。他们指出,当技术文明消耗能源时,也会影响行星的环境,最终损害文明的可持续发展。

    我们假设地球完美,主要是基于一个事实:地球上充满了生命。这里的生命由始至终都由碳来构造,依赖液态水为生,而且我们有充分的理由冲破地球中心主义,相信在地球上发生的事情也会在宇宙中的其他地方发生——因为碳和水是宇宙中两种最常见的物质。它们协力打造出了大量持久稳定的化学产物,这是其他任何元素组合都明显比不了的。

    三,遇到外星人之后,怎么与它们交流 ,最合理的优化方案

    随着人类的星际探索,科学技术的发展,走出地球,到太阳系的行星中将会成为常态。

    先登上月球,利用月球的太阳发电,转换成激光,直接发为回地球。以月球为太阳能基地,给人类发送航天器充电,使其有更强大的生命力。

    登上火星,再去金星,那么地球的左邻右舍 ,逐渐为人类的掌控之中。

    现在的问题是:更为复杂的挑战就在人类前面 ,遇到外星人怎么办?外星人成为人类开拓星际的阻力,假使我们遇到它:怎么办?如何同它们交流?

    这个要看月球上的外星人,金星上的外星人 ,以及火星上的外星人,它们的文明发展程度,比我们低多少?或等同,还是更高级的文明。

    假如比我们低,或者与我们等同,这样我们就不用去怕它。或者两者兼得之间文明智力的较量。

    若是比我们高,或者说高很多,问题就复杂化了。以我们人类目前的发现来看:更高级的文明,可能性应当不大。

    尽管它们的历史比我们久远,但是它们也在久远历史期间,承受了比我们更多的风险,或许他们已经很早就夭亡了,即使比我们更高的文明,文明程度比我们高许多,我们自然不怕它们采用野蛮手段,它们有可能采用更为先进的手段,同我们较量,竞争,比对 ,谈判。

    即使在月球上,金星上,火星上,我们与外星人各占一方,经过努力和斗争,能够平等相处,也是胜利。

    它们若是高度发展的文明,早到地球来了,即使是试探,然而人们毕竟发现有限,少数外星人到访地球只是个例。

    更高级的星际文明,或许离我们太远,几百万到几千万光年,采取规模行动,它们一定也是爱莫能助。

    (因为篇幅有限,下集继续)

    一言以蔽之,气候变化最终导致了一些文明的灭绝。

    对液态水的需求意味着,任何一颗有生命的行星都必须位于恒星周围一条狭窄的带状区域之内,被称为“宜居带”。太靠近恒星这个热核熔炉,水就会沸腾成蒸汽。离得太远,水则会封冻成冰,让生命遭遇严寒的厄运。对于一个行星系统而言,这两条边界究竟在什么地方,取决于恒星的质量和年龄,因为这两个因素决定了恒星会辐射出多少光和热。地球看起来正温暖舒适地徜徉在太阳的宜居带中,至少在太阳系中,这里是最好的世界。我们所知的物理定律都是放之宇宙而皆准的,因此可以推断,处在其他恒星相似轨道上的较小的岩石行星,可能也会是宜居的世界。

    这个模型是怎么来的?

    首先,我们当然没有外星文明史的直接证据。

    但是通过观测其他行星,我们已经得到形成气候的一些物理和化学法则,例如金星失控的温室效应。运用这些基本法则,我们可以建立模型,进而解释行星和年轻文明互相影响的演化。同时,模型中还得加入能源,来描述能源消耗和群体数量的关系。

    当某一文明获得更多能量时,它的能力也大大增强。例如,生育和养育后代的能力。也就是说,更好的能量将意味着更大的种群。但是从行星的角度来看,天下没有免费的午餐。

    使用能源一定会对行星带来影响。如果全球变暖真的变严重了,从获取能源到食品生产,一切都会面临严重压力,我们的人口不会维持下去。因此,这个外星文明模型会将行星所受影响的扩大与群体规模的缩小联系起来。

    这个模型非常直观,不需要对外星文明作出经济学、社会学或其他领域的假设。

    但是模型还需要描述文明如何应对不断变化的行星环境。简单起见,假设行星只有两种能源。一种能源对行星的影响很强(例如化石燃料),另一种的影响很弱(例如太阳能)。在模型中,当行星的形势不太乐观时,文明可以从一种能源切换到另一种。

    那么,最终的模型能告诉我们什么呢?

    www.599588.com 6从生命的角度来看,地球似乎位于太阳系中的最佳位置。但新的计算表明,我们可能已经徘徊在了被太阳烤焦的边缘。图片来源:blogspot.com

    发展路线之一:衰退

    首先是我们所说的“衰退”。这是最令人担忧也最常见的现象。当某一文明使用能量时,它的群体数量会迅速增长,但是对能源的使用,也会让行星脱离以前的环境。

    随着文明和行星继续演化,文明规模迅速扩大,超过行星的容纳极限。换句话说,这超过了行星的负载能力。随后,群体数量会大幅降低,一直降到行星和文明都能达到稳定,不再变化。

    就这样,文明达到可持续发展,但是代价也很大。

    在很多模型中,还没等到稳定状态到来,群体数量就已经消亡了70%。在现实世界,如果遭遇这样一劫,我们这样的技术文明能否幸存,还是未知。

    从很多方面来看,我们从模型中看到了 “宇宙复活节岛文明”的终结。在人口规模和使用石器的鼎盛时期,大约有1万人住在复活节岛。但是在砍完所有树来打磨石器后,这一文明搞砸了自己的生态系统,堵死了发展的路。1772年,当荷兰人登陆复活节岛时,岛上只有几千名原住民,过着极为原始的生活。

    www.599588.com 7图片来源:Pixabay

    要是真有这么简单就好了。除了要有液态水以外,对宜居带位置的估计还依赖于对潜在宜居行星性质的其他假设。如果仅仅根据地球在太阳系内的位置来推断,你会发现地球的平均温度应该远远低于冰点才对。含有二氧化碳和水蒸气等温室气体、能够束缚住热量的大气层,成了地球的救星。人们认为,这样一个大气层是岩石星球形成过程的典型结果。然而,如果地球的这一层舒适的“气毯”厚得多、薄得多,又或者化学构成完成不同的话,这颗行星可能很快就会变得不再适宜生命生存。

    发展路线之二:软着陆

    第二种发展的轨迹带来了一些好消息。这就是所谓的“软着陆”。文明增长的同时,行星也在改变,但是它们一起过渡到了新的平衡。文明改变了行星,但是没有触发大规模衰退。

    我们的邻居金星彰显了这一点。金星一开始似乎也是温暖宜人的,有着类似地球的海洋和大气。但由于更靠近太阳,这些福音迅速转变成了诅咒。水开始从海洋蒸腾进大气,水蒸气的保热特性使得温度进一步升高。随着所有的二氧化碳被从地壳中烘烤出来,结果便是温室效应的失控,把金星变成了不毛之地。在今天几乎由纯二氧化碳构成的窒息天空之下,金星表面的温度达到了约460℃——比锡、铅和锌的熔点都要高。

    发展路线之三:全面崩溃

    最后是非常令人担忧的全面崩溃。跟“衰退”那个场景一样,群体数量会先爆发。但是,这些行星难以应对文明的影响造成的崩溃。宿主世界的环境对改变太过敏感,就像温室植物被移动后会枯萎。行星的环境恶化得太快,文明的规模迅速下降,直至全部灭绝。

    那么,从强影响能源切换到弱影响能源,会不会让情况好转呢?

    从一些文明的发展轨迹来看,不会。

    如果文明只使用强影响能源,群体数量会达到顶峰,然后迅速降低为零。但如果我们让文明转而使用弱影响能源,在某些情况下,崩溃仍然会到来,只是被延迟了。群体数量开始降低,然后达到乐观的稳定状态。

    然而最终,突如其来地,群体数量会骤降,走向消亡。

    在一些“延迟崩溃”的历史中,行星自身的内部机制是罪魁祸首。用力过猛地推动行星发展,它也不会回到最初的环境。我们知道,即使行星上没有文明,也会出现这种情况,因为金星就是如此。金星本应该是地球的姐妹星球,但是很久以前,金星的温室效应进入失控模式,让行星的表面温度达到大约430℃,简直如地狱一般。

    宜居带边界

    文明的普遍问题?

    这一模型只是对外星文明进行科学研究的首次尝试。想要进一步回答“有文明做到了吗?”这样一个问题,现在还为时尚早。模型还需要更详细的气候物理学,也需要涵盖年轻文明能在母星找到的所有能源。

    不过,即使初始模型很简单,我们仍然捕捉到了行星和文明共同演化的本质。在这个模型中,我们已经能够看到文明发展的基本轮廓了,并发现气候变化在其中扮演着关键角色。

    换句话说,文明影响行星的环境或许在宇宙中很常见。

    从这个角度来看,地球上的气候变化并非政治博弈和环保运动的小打小闹。恰恰相反,它是宇宙的考验,能让我们成功跨过灾难,也能将我们丢进文明的坟场。(编辑:Steed)

    1993年,美国宾夕法尼亚州立大学的地球科学家詹姆斯·卡斯廷(James Kasting)着手以更高的精度确定宜居带的边界在哪里。他和同事研究了强度和波长随时间变化的阳光照射在一个理想地球上会如何影响它的大气和表面温度。入射阳光的强度提高10%,相当于地球从现在距离太阳1个天文单位的地方向内移动到0.95个天文单位的位置,就会导致温度上升,将水蒸气送上更高层的大气,在那里散逸到外层太空之中。经过几千万到几亿年时间,这样的“潮湿温室”效应就会令整个地球滴水不剩,灭绝地球表面所有的生命(参见《伊卡洛斯》,第101卷,108页)。

    卡斯廷还尝试着划出了宜居带外边缘的位置——在那里,温度会下降到一定程度,足以造成不可逆转的全球冰河期。他发现,那里距离太阳大约1.67个天文单位,就在火星轨道外面一点点。这些早期的计算已经开始打破“地球位置刚刚好”的表象。地球其实并不处在宜居带的正中央,而是明显靠近它的内侧边缘。

    卡斯廷的气候模型在某些方面过于简单,仅考虑了一层均匀的大气,没有云和天气系统。在其他方面,它倒十分精细,例如考虑了由大气中水蒸气增加而导致温室效应失控的正反馈效应。它还可以再现太阳系其他行星上的许多气候特征。把这些结论外推出去,卡斯廷就可以确定不同大小、不同光度的各种恒星周围宜居带的内外边界。自那时以来,这些结果就被奉为是搜寻外星宜居行星的黄金标准——直到2013年年初。

    今年年初,美国宾夕法尼亚州立大学的研究者拉维·库帕拉普(Ravi Kopparapu),与卡斯廷和其他几位研究者合作,在20年之后对那些计算结果作了第一次更新。库帕拉普指出,我们的许多认识已经变了。毕竟,现在我们已经知道,对于特定波长的红外辐射,水蒸气和二氧化碳的吸收能力要比我们过去认为的更加强大。这会影响它们温室加热效应的效力。重新计算得到了一个简单而清晰的结论:对于一颗类似地球的行星而言,在所有类型的恒星周围,宜居带到恒星的距离都要比我们先前认为的稍远一些(参见arxiv.org/abs/1301.6674)。

    对于搜寻其他恒星周围的宜居行星而言,这会产生连锁反应。先前发现的一些外星行星会被踢出宜居候选者的行列,另外一些看上去则变得更有希望。同时,在又小又冷的所谓“M型矮星”周围,存在生命的前景也提高了。这类恒星是我们周围最常见的天体,新的结果使它们的宜居带向外扩张了一些,将迄今在它们周围发现的绝大多数较小的岩石星球都涵盖了进去。库帕拉普说,“现在看来,M型矮星中几乎半数都应该在宜居带中拥有一颗地球大小的行星。”未来几年,专注于在M型矮星周围寻找行星的搜寻项目将陆续启动,我们应该期待会在太阳系的家门口发现至少3到4颗潜在的宜居行星。

    www.599588.com 8新的计算结果表明,恒星周围的宜居带所处的位置要比原先认为的离恒星更远一些。图片来源:《新科学家》

    摇摇欲坠

    然而,对于原来认为一切刚刚好的行星而言,新结果的寓意则要黯然得多。太阳系宜居带的内侧边缘从距离太阳0.95个天文单位外移到了0.99个天文单位。换句话说,只要地球到太阳的距离减小1%,随着潮湿温室效应的启动,地球上的水就会开始向太空蒸发流失。我们和宜居带的边缘之间并没有一个足够让人放心的安全距离,我们其实就在它的边缘上摇摇欲坠。

    这给地球的未来敲响了警钟。随着年龄的增大,太阳聚变氢的温度会越来越高,太阳也会越来越亮,将宜居带的内侧边界向外推移。卡斯廷说:“这意味着,末日到来的日期要比我们想象的更早。”从理论上讲,地球“最早从明天开始”就可能开始脱水。过去我们已经广泛接受了这样一个观点:地球还有大约10亿年时间适合生命生存。很有可能,现在我们必须从中再砍掉几亿年的时间。

    美国芝加哥大学的气候科学家雷蒙德·皮埃安贝尔(Raymond Pierrehumbert)仍持乐观态度。尽管他也承认,对于建立宜居带的参考点而言,新的计算确实有所帮助,但他认为,迫在眉睫的脱水只不过是模型缺陷而导致的海市蜃楼。他说:“可以说,模型遗漏的大多数因素,会让一颗行星变得更加宜居,而不是反过来。”

    比如说,云的影响。如果大气中所含的水蒸气逼近潮湿温室效应或者失控温室效应的临界线,云很可能会在更低的高度上形成,把更多阳光反射回太空,冷却云层下方的地表。事实上,想要搞清楚含水量超过50%的大气会是什么样子,这是很难的。皮埃安贝尔说,“一场大暴雨就能让你损失掉某一地区一半的大气”,于是那里会从周围吸入更多的空气,改变整个大气的动力学结构。

    这些特殊性,再加上水蒸气放大其他热源效果的倾向性,意味着最“坚韧”的宜居行星有可能是那些只含少量水分的星球。美国麻省理工学院的天体物理学家莎拉·西格(Sara Seager)及其同事,已经建立了模型,研究了只含有少量水分、不足以维持全球性海洋或者湿润大气的“沙漠”行星。他们的结论是,大气中仅含1%水蒸气的沙漠行星,能够在距离太阳仅0.5个天文单位的地方维持温暖宜人的表面温度——而这个距离无疑位于金星的轨道之内(参见arxiv.org/abs/1304.3714)。

    www.599588.com 9开普勒-22b,在刚刚发现时,曾被认为是处在它那个恒星系的宜居带中。但根据最新的计算,这颗行星离恒星太近了一些,不可能适宜我们所知的生命生存。图片来源:NASA

    卡斯廷、皮埃安贝尔以及他们的同事,最近得到了美国宇航局的资助,来联合研发一个完全三维的气候模型,其中将会考虑更健全也更真实的云层反馈和水循环机制,以适用于各种潜在宜居的岩石星球。其他团队也在进行类似的研究,值得一提的有法国巴黎第六大学的弗朗索瓦·福尔热(François Forget),以及德国马普学会气象学研究所的约赫姆·马罗茨基(Jochem Marotzke)。“了解整个大气环流以及它对云和水蒸气的影响,是我们所有人正在探索的真正前沿,”皮埃安贝尔说,“这将是最终影响宜居带边界划定的最大因素。”

    然而,至少对于地球而言,最大的不确定因素是我们人类自身。在人类文明工业化以前,大气中二氧化碳的平均含量是280 ppm(百万分比),然而由于使用化石燃料,现在大气中的二氧化碳已经突破了400 ppm这一阈值。在2007年发布的最近一份获得全体通过的报告中,联合国政府间气候变化专门委员会评估预计,二氧化碳含量翻倍极有可能使得全球升温3℃——这一水平有可能会在本世纪后半叶达到。

    与金星的悲惨命运相比,这听起来似乎也算不上什么。但是温度的这一升幅,与地球轨道向内移动1%的效果相当——而0.99个天文单位,正是最新模型划定的太阳周围宜居带的内侧边界。进一步排放温室气体,会把我们推出这一边界,步上金星的后尘吗?

    近几十年来的多项研究认为,这样的结果几乎不可能出现。即使我们烧掉了地球上能够经济开采出来的大多数化石燃料储备,不只是令大气中的二氧化碳翻番,而是增长8到16倍,最坏的结果可能也不过是适度的潮湿温室效应。

    生命的末日?

    在一项还没有发表的研究中,加拿大维多利亚大学的地球化学家科林·戈德布拉特(Colin Goldblatt),利用更新版的温室气体吸收特性(也就是拿来重新计算宜居带边界的那一版数据),重新研究了这个问题。他的结论是,如果地球今天的大气即将进入一种非常高温和潮湿的温室状态,多出来的水蒸气吸收的红外辐射将比我们先前认为的更多。这会减少降低云和冰的覆盖率,进一步增加热吸收。如此循环,有可能触发失控的温室效应——但这种情况出现的前提是,我们仍选择使用煤、石油和天然气这些能源,并且只把这些能量用于分解石灰石,以制造更多的二氧化碳。

    这个结果让人松一口气,但对未来几十年到几个世纪内,减轻气候变化对人类社会造成的短期影响方面,起不到任何作用。但古气候记录表明,在数以亿年计的时间尺度上,我们的地球明显会来回切换它的温控开关。戈德布拉特说:“尽管在遥远的过去,大气里有着高浓度的二氧化碳,但地球并没有离开宜居带。”

    www.599588.com 10我们的地球,尽管距离太阳系宜居带的内侧边缘仅有1%的余地,但数十亿年来一直供养着生命生息繁衍。问题是,这种温暖宜人的环境,还能维持多久?图片来源:universetoday.com

    这可能得益于地球上的碳酸盐-硅酸盐循环。这一循环似乎是独一无二的,至少太阳系内如此,这多亏了地球上特有的海洋和构造活动的组合。当温度上升开始蒸腾海洋中的水时,增多的降水会从大气中清洗掉更多的二氧化碳,最终将它们囚禁在岩石中长达数百万年,直到火山喷发将它们重新释放出来。

    这就是地球的天然温度调节器,或许也是地球能够被当成是“最好的”世界所仰仗的最大功臣。不过讽刺的是,它也会成为灭绝生命的终极杀手,甚至在地球因为太阳变得太亮而不再宜居之前就痛下杀手。根据卡斯廷和他的学生肯·卡尔德拉(Ken Caldeira)在1992年计算得到的结果,或许距今10亿年后,地球内部就会冷却到一定的程度,导致火山活动大幅度降低,放缓碳酸盐-硅酸盐循环的速度,把过多的碳封锁在岩石中,导致地球大气无法再维持绝大多数形式的光合作用(参见《自然》,第360卷,721页)。

    不过,在那之前,地球上的生命还安全吗?考虑到我们对气候变化的了解还有很大的不确定性,现在就连地球在宜居带中的位置也说不好了,戈德布拉特认为,过于想当然也许是不明智的。“这就像大雾天在悬崖顶上玩捉迷藏。虽然还没有人摔下去,不过你也不知道你离边缘有多远。”

     

    编译自:《新科学家》,Goodbye, Goldilocks? The untimely end of life on Earth

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