beat365官方网站大氣與海洋科學系胡永雲教授團隊與加州理工學院Yuk L. Yung教授團隊合作，提出了太陽系外類地行星大氣臭氧層可能存在自振蕩現象，即在恒星輻射和地表氮氧化物排放保持恒定的條件下，臭氧層和相關的痕量氣體濃度存在準周期性變化。相關研究成果以“系外行星大氣化學、輻射和動力學耦合産生自振蕩”（Coupled atmospheric chemistry, radiation and dynamics of an exoplanet generate self-sustained oscillations）為題，于2023年12月13日發表在《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）上。

通常，在外強迫恒定的條件下，一個動力系統最終将達到平衡狀态。但胡永雲等發現，圍繞紅矮星運行的類地行星的臭氧層以及相關痕量氣體存在自振蕩現象。他們以TRAPPIST-1e為研究目标，該系外行星是恒星TRAPPST-1擁有的7顆固态行星中的一個，被認為是最有可能宜居的系外行星之一。TRAPPST-1是一顆紅矮星，其輻射溫度大約是2500 K，遠低于太陽的輻射溫度溫度5800 K。所以，其輻射光譜峰值波長相較于太陽的更靠近紅光波段，紫外輻射弱得多。

使用光化學、輻射和大氣動力全耦合的三維大氣環流模式，胡永雲等開展了系列模拟試驗，發現在恒星輻射和行星表面氮氧化物排放速率保持不變的條件下，大氣中臭氧濃度存在近百年的準周期振蕩，其最低臭氧濃度可降至最高濃度的百分之三（圖1），與臭氧化學反應相關的氮氧化物（NO_x）、氫氧根（OH）和硝酸（HNO₃）也呈現周期性振蕩。

圖1. 臭氧柱含量（橘黃色線）與氮氧化物總含量（藍色線）協同的周期性振蕩。

圖2給出的是輻射-光化學-熱力-動力相互耦合并形成臭氧振蕩的示意圖。在紅矮星紫外輻射的作用下，氧氣光解在大氣平流層形成臭氧層。與此同時，行星表面排放的NO_x不斷在大氣中累積。臭氧吸收紫外輻射形成逆溫層，并在臭氧層底部形成穩定的熱力層結（灰色區域）。行星表面排放的NO_x進入該區域，不斷地消耗臭氧，導緻該穩定層結區向上移動，更多地消耗臭氧（Stage I），直至該穩定層結被破壞，絕大部分臭氧被消耗（Stage II）。當隻有很少臭氧時，紫外輻射可以到達對流層，導緻水汽光解形成OH，後者與NO₂反應，形成HNO₃并沉降出去，導緻NO_x減少。當大氣NO_x減少時，臭氧開始恢複（Stage III）。

在自振蕩過程中，臭氧損耗過程較慢。但當穩定層結被破壞後，臭氧有一個突然降低的過程。相對來說，臭氧恢複過程較快。與此對應的是，NO_x累積較慢，下降很快。因此，圖1中的振蕩過程是不對稱的。

圖2. 輻射-光化學-動力相互耦合示意圖。橫坐标是時間，代表約100地球年的單個振蕩周期。

該項研究有兩方面的意義。一方面，氧氣和臭氧都是表征生命信号的氣體，這些氣體成分都可以未來的太空望遠鏡上的光譜儀觀測到，上述的臭氧濃度振蕩同樣也可以被太空望遠鏡觀測到。産生臭氧自振蕩的一個必要條件是地表恒定的氮氧化物排放。在地球上，氮氧化物排放是源自地表生物的固氮作用。因此，氮氧化物以及臭氧層有規律的大幅振蕩也意味着地表生命的存在，是可探測的生命信号。另一方面，在外強迫恒定條件下的輻射-光化學-熱力-動力耦合系統的自振蕩現象具有重要的理論意義。

該研究持續了7年半的時間。論文第一作者羅楊程是beat365官方网站2018屆本科畢業生，在畢業前已完成了研究的大部分工作，在加州理工學院讀博士期間繼續研究，并最終完成了論文撰寫。

該項研究是在自然科學基金委基礎科學中心項目“大陸演化與季風系統演變”等項目資助下完成的。

論文鍊接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2309312120