地球已经宜居了几十亿年

　　地球上最初的生命用了三四十亿年才进化到智人。即使地球气候在此期间只出一次大的差错，都会导致进化彻底停止，而我们也将不复存在。因此，想要弄清楚我们缘何能够在地球上生存，就需要探究地球是如何在几十亿年间保持宜居的。
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　　这并不是什么小事。当前的全球变暖告诉我们，气候可以在短短几个世纪里发生巨大的变化。在地质时间尺度上，气候变化会愈加容易。有计算显示，未来几百万年内，地球气候可能会趋于恶化，气温会变得低于冰点或超过沸点。
　　我们知道，太阳的亮度相较于生命进化之初已经上升了30%。鉴于地球形成早期时液态水并没有结冰（暗淡太阳悖论），那么按理说，现在这种情况下地球海水应该已经被烧干。但不管怎样，我们已经解开了这个关于宜居性的谜团。
　　科学家们提出了两个主要理论。第一个认为地球可能拥有类似于恒温器的功能，即一种（或多种）预防地球气温滑向极端的反馈机制。
　　第二个理论认为，地球可能就是从众多星球中脱颖而出的锦鲤之一，走到今天全凭运气。随着近几十年对太阳系以外的许多行星（所谓的系外行星）的发现，第二个理论变得越来越合理。对于遥远恒星的天文观测显示，这些恒星大多都有行星环绕，其中一部分行星的大小、密度和轨道距离理论上可以拥有适宜生命存活的温度。科学家们估计，单单银河系至少就有20亿这类种子选手。
　　科学家们很乐意前往这些系外行星，以考察是否有系外行星和地球一样，具备保持几十亿年气候稳定的能力。但就算是离我们最近的系外行星（比邻星的行星们）也在4光年之外，因此很难获得观测和实验证据。
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　　于是我通过建模研究了相同的问题，用电脑设计一个模拟一般行星（不只是地球）气候演变的程序。首先生成10万颗配备随机气候反馈的行星。气候反馈过程可以增强或减弱气候变化，以北极的海冰融化为例，吸收阳光的海水取代反射阳光的海冰，进而加速海洋暖化和海冰融化。
　　为了探究这些星球在地质时间尺度上保持宜居的可能性，我给它们各自设置了100次模拟。每次的起始温度都不同，经历的气候事件也完全随机。这些事件代表改变气候的不同因素，比如超级火山爆发（类似皮纳图博火山喷发，但规模要大得多）和小行星撞击（类似恐龙灭绝那次）。在这100次模拟中，我们会追踪各行星的温度直到它们变得过热或过冷，而其中也不乏一些星球在坚持了30亿年后，终于成为有可能孕育智慧生命的摇篮。
　　至少在反馈和运气二者重要性的方面，模拟结果为该宜居性问题提供了明确的答案。极少行星（实际上10万颗行星中只有一颗）具有如此强大的稳定反馈，能在100次试验里不管气候事件如何随机都始终保持宜居。实际上，在100次模拟中至少有一次成功保持宜居的星球中，大部分成功的总次数不超过10。可以在模拟中几乎每一个情况下保持30亿年的宜居状态，一定程度上要归功于运气。但光有运气还不够。一些没有设置气候反馈的、随机游走、受气候事件任意摆布的行星一次都没有成功过。
　　模拟中的重复运行并不完全相同：随机生成1000颗行星，每颗运行两次。(a)第一次运行结果，(b)第二次运行结果。绿色代表成功（保持30亿年宜居），黑色代表失败。图片由作者Toby Tyrrell 提供
　　气候模拟结果取决于反馈机制和运气的共同作用，这一结论是可靠的，不受任何模型变化影响。同时间接表明，地球须具有一定的气候稳定反馈机制，但＂好运气＂也必不可少。例如，假使撞击地球的小行星或影响地球的太阳耀斑比原来的稍大一些，或者（气候事件）发生的时间点稍有不同（更关键），我们可能也将不复存在。为何人类会有机会回望地球非凡亘久的生命史，看它不断演化、繁荣、日趋复杂，看自己怎样被推向它的舞台中心？上述研究发现也为我们考虑这个问题提供了不同的视角。
　　撰文：Toby Tyrrell，南安普顿大学地球系统科学教授
　　翻译：张乃欣
　　审校：曾小欢
　　引进来源：theconversation
　　本文来自：中国数字科技馆