地球已经宜居了几十亿年我们到底有多幸运?
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
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