胡永雲教授關于太陽系外行星宜居性的研究成果在PNAS發表

beat365大氣與海洋科學系教授胡永雲與其研究生楊軍博士（現在芝加哥大學做博士後）關于太陽系外行星适宜生命存在的研究成果于2013年12 月30日在美國科學院院刊（PNAS）發表（Early Edition），題目為“The role of ocean heat transport in climates of tidally locked exoplanets around M-dwarf Stars”。他們的研究結果表明海洋熱量輸送将能夠有效地改變圍繞紅矮星運行的宜居行星的氣候環境和宜居性，并能夠極大地改變太陽系外行星适宜生命存在的空間模态。這些結果對認識系外行星适宜生命存在的可能性以及未來探測适宜生命存在的行星有着極為重要的理論意義。

地球生命在宇宙中是否是唯一的？太陽系外是否存在适宜生命存在的星球？一直是人類不斷思考和探索的問題。自1995年第一顆太陽系外行星被發現到2013年12月28日為止，已有1056顆系外行星被确認（另有數千顆有待進一步确認），其中的12顆被認為是有可能适宜生命存在的。這12顆行星都是質量略大于地球質量的固态星球，通常被稱為“超級地球”。目前，公認的适宜類似地球生命存在的最關鍵的條件是液态水的存在。因此，一顆行星是否适宜生命存在的關鍵是其表面溫度是否能夠保證液态水的長期存在，也就是說，其表面溫度應介于大約0-70°C之間，低于0 °C，行星将是冰封的（如火星）；高于70°C（不需要達到100°C），行星将進入溫室逃逸狀态，其表面液态水将完全被蒸發，進入大氣層，并最終被光解（太陽系的金星很可能在早期經曆了溫室逃逸過程，現在沒有液态水）。

胡永雲教授和楊軍博士的研究目标是紅矮星附近的宜居行星。這是因為紅矮星是宇宙中數量最多的恒星（占宇宙恒星總數量的大約80%），而且，因為該類恒星的輻射溫度較低（3500K左右，遠低于太陽的輻射溫度6000K），其宜居行星距離其母星較近，易于被探測到。因此，人類很可能首先在紅矮星附近發現宜居行星。但由于紅矮星與其宜居行星太近，恒星與行星之間較強的引力将導緻宜居行星被鎖相，也就是行星的一面永遠面對紅矮星（永久白天），而另一面永遠背對紅矮星（永久黑夜）。這與月球被地球潮汐鎖相是同樣的道理，所以，我們永遠隻能看到月亮的一面，而看不到其另一面。這一行星與其恒星之間特殊的運行方式勢必造成行星的朝陽面和背陽面之間的加熱不均勻，由此而産生的一個嚴重的問題是，盡管該類行星的朝陽面溫度适于液态水存在，但其背陽面由于得不到恒星輻射而極端寒冷，以至于所有的大氣和水分都被凍結在背陽面，從而不适宜生命存在。

針對這一問題，胡永雲教授和楊軍博士首次強調了海洋熱量輸送對鎖相行星氣候的影響。他們假定“超級地球”是一個“水世界”，該假設是基于目前對超級地球的理論認識，那就是，一個行星的質量愈大，其所包含的水分愈多，而且由于超級地球重力較大，山峰較低，因此，行星表面完全被海洋所覆蓋。在此之前，所有對系外行星宜居性的研究都沒有關注海洋的氣候效應，但根據地球氣候系統的知識，我們知道海洋熱量輸送對地球氣候的重要性與大氣熱量輸送同等重要。他們使用海-氣耦合氣候模式進行了兩種不同的數值模拟試驗：（1）不考慮海洋熱量輸送（靜止的海洋）；（2）流動的海洋，考慮了海洋熱量輸送、海冰運動以及海冰-反照率反饋等物理和動力過程。圖1所示的是在靜止海洋的情況下數值模拟結果，行星的朝陽面隻有部分區域存在液态水（圖1A和1B中的藍色區域），其它區域均為海冰所覆蓋（白色）。即使增加溫室效應（把CO2從355 ppmv 增加到0.2大氣壓），開放海域的面積也沒有增加太多，并且背陽面地表溫度仍然在-60°C以下。相反地，如果考慮海洋流動（圖2），開放海域不再是圓形，而是類似于“龍蝦”狀，兩隻“鉗子”對稱地位于赤道兩側，長長的“尾巴”一直延伸到背陽面。當CO2濃度增加到0.2大氣壓時，全球溫度都高于0 °C，背陽面的海冰也全部融化。

他們的研究結果表明：在大氣和海洋自朝陽面向背陽面輸送熱量的情況下，不僅大氣層不會在背陽面坍塌，水分也不會凍結在背陽面。相反，海洋熱量輸送還能夠有效地擴大開放海域的面積（但背陽面因無法進行光合作用仍不适宜生命長期存在），并極大地改變宜居行星的氣候空間模态。他們研究還進一步表明，如果紅矮星附近的超級地球确實是一個海洋世界，那麼這類行星将隻能位于紅矮星附近相對狹窄的範圍内。因為如果距離其母星太近，海洋熱量輸送将使得行星易于進入溫室逃逸狀态；如果太遠，海洋熱量輸送容易使其進入全冰封狀态。換句話說，海洋的存在将使得傳統上認為的恒星周圍的宜居帶變窄。他們的研究不僅僅集中在海洋熱量輸送，還考慮了洋流、海冰運動以及海冰-反照率與恒星輻射之間的反饋作用對宜居行星氣候的影響。圖2所給出的氣候空間模态将有助于識别系外行星是否适宜居行星。雖然目前的天文觀測技術還無法做到這一點，但計劃中的太空望遠鏡将很有希望達到這一目标。所以，這些結果為未來識别系外行星的宜居性提供了重要的理論基礎。

論文全文可見：http://www.pnas.org/content/early/2013/12/26/1315215111.full.pdf+html