地球气候模型如何帮助NASA科学家描绘难以想象的世界上的生命

一颗系外行星的插图。来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心/克里斯·史密斯

在西北边缘的普通砖建筑中美国国家航空航天局在马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)，成千上万台电脑挤在贩卖机大小的架子上，发出震耳欲聋的数据处理合唱。日日夜夜，它们每秒运算7千万亿次。这些机器被统称为美国宇航局的“发现”超级计算机，它们的任务是运行复杂的气候模型，预测地球未来的气候。

但现在，他们也在探索一些更远的东西:在过去20年里，在太阳系之外发现的4000多颗奇怪的行星中，是否有适合生命存在的。

科学家们发现，答案不仅是肯定的，而且与地球相比，在一系列令人惊讶的条件下，答案是肯定的。这一发现促使他们中的许多人努力解决一个问题，这个问题对美国宇航局寻找地球外生命至关重要。有没有可能是我们对于一颗适合生命存在的行星的概念过于狭隘?

下一代功能强大的望远镜和太空天文台肯定会给我们更多的线索。这些仪器将使科学家们第一次分析那些最诱人的行星的大气:像地球一样的岩石行星，它们的表面可能有生命的基本成分——液态水——流动。

暂时，难以探测远方气氛。向太阳系外的最近的星球发送航天器，或者外产用今天的技术，需要七万五千年。即使有强大的望远镜，也几乎不可能对附近的系外行星进行详细研究。问题是它们太小了，被恒星的光线淹没了，科学家们无法分辨出它们反射的微弱光信号——这些信号可以揭示火星表面生命的化学性质。yabovip2021

换句话说，正如许多科学家喜欢指出的那样，探测这些幽灵行星周围的大气成分，就像站在华盛顿特区，试图在洛杉矶的探照灯旁瞥见一只萤火虫。加州帕萨迪纳市NASA喷气推进实验室的首席外行星科学家Karl Stapelfeldt说，这种现实使得气候模型对探索至关重要。

“模型对我们所看到的特定，可测试的预测，”他说。“这些对于设计未来的望远镜和观察策略非常重要。”

太阳系是一个好的榜样吗?

在用大型地面和太空望远镜扫描宇宙的过程中，天文学家发现了各种各样的世界，似乎都是想象出来的。

“很长一段时间以来，科学家们都专注于寻找类似太阳和地球的系统。这就是我们所知道的，”美国宇航局戈达德天体物理学家埃莉莎·昆塔纳(Elisa Quintana)说。她领导了2014年发现地球大小的行星开普勒-186f的工作。“但我们发现，行星上有这种疯狂的多样性。我们发现了像月球一样小的行星。我们发现了巨大的行星。我们发现了一些围绕小恒星、巨星和多恒星运行的行星。”

当一颗行星直接穿过我们和它的恒星之间时，我们看到这颗恒星会稍微变暗，因为这颗行星挡住了一部分光线。测量这些恒星光线的下降是一项被称为“凌日法”的技术，科学家们用它来识别系外行星。科学家们绘制了一幅叫做“光曲线”的图，它显示了恒星随时间变化的亮度。利用这张图，科学家们可以看到这颗行星阻挡了恒星的光的百分比，以及这颗行星穿过恒星的圆盘需要多长时间，这些信息有助于他们估计这颗行星与恒星的距离和质量。图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心

事实上，大多数被发现的行星NASA的开普勒太空望远镜和新凌日系外行星勘测卫星以及地面观测，在我们的太阳系中都不存在。它们的大小介于地球和气体之间天王星它是地球的四倍大。

迄今为止，人们只在“红矮星”周围发现了与地球大小最接近、理论上最有可能具备适宜居住条件的行星。“红矮星”是银河系中绝大多数恒星的组成部分。但这可能是因为红矮星比太阳更小、更暗，所以围绕它们运行的行星的信号更容易被望远镜探测到。

因为红矮人很小，行星必须留下不舒服的近距离 - 比汞更近的是太阳 - 保持着重力连接到它们。由于红矮人很酷，与所有其他恒星相比，行星必须更接近它们以吸取足够的热量，以允许液体水在其表面上池。

2014年，美国宇航局的Swift任务检测了一个由DG CVN释放的唱片设置系列的X射线耀斑，附近二进制二进制文件包括两个红色矮星，这里所示。在其峰值处，在正常条件下，在X射线中，初始光阑比来自所有波长的恒星的综合光更亮。图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心

在Red Dwarf系统中最近的最近发现是Proxima Centauri B等行星，或简单的Proxima B.这是最接近的外延。还有七个岩石行星附近系统Trappist-1．这些行星是否能维持生命仍是一个有争议的问题。科学家指出，红矮星向它们的行星喷出的有害紫外线和x射线比太阳向太阳系喷出的有害射线多500倍。表面上看，这种环境会剥离大气，蒸发海洋，油炸脱氧核糖核酸在任何靠近红矮人的行星上。

然而，也许不是。地球气候模型表明红矮人周围的岩石外产虽然可能是可居住的。

魔法在云里

安东尼·德尔·杰尼奥是一名最近退休的行星气候科学家，他就职于美国宇航局戈达德太空研究所，该研究所位于纽约市。在他的职业生涯中，他模拟了地球和其他行星的气候，包括比邻星b。

Del Genio的团队最近模拟了比邻星b上可能的气候条件，以测试有多少气候条件能让比邻星b保持足够的温暖和潮湿，以容纳生命。这种类型的建模工作帮助NASA的科学家们识别出一些有前景的行星，值得NASA进行更严格的研究詹姆斯韦伯太空望远镜．

Del Genio说:“虽然我们的工作不能告诉观察者是否有行星适合居住，但我们可以告诉他们是否有合适的行星可以进一步搜索。”

图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心

比邻星b在一个距太阳4.2光年的三星系统中围绕比邻星运行。除此之外，科学家们对它知之甚少。根据其估计的质量，他们认为它是岩石的，比地球的质量略大。科学家可以通过观察比邻星b在围绕其恒星运行时对其引力的大小来推断其质量。

比邻星b的问题在于它与恒星的距离是地球与太阳距离的20倍。因此，行星绕太阳公转一周只需11.2天(地球绕太阳公转一周需要365天)。物理学告诉科学家，这种舒适的安排可能会使比邻星b受到引力锁定，就像月球受到引力锁定在地球上一样。如果这是真的，比邻星b的一边面对着这颗恒星强烈的辐射，而另一边则冻结在太空的黑暗中，这对任何一边的生命都不是好兆头。

但德尔吉尼奥的模拟显示，比邻星b，或任何具有类似特征的行星，可能是宜居的，尽管有力量阴谋反对它。Del Genio说:“云和海洋在其中发挥着重要作用。”

Del Genio的团队升级了20世纪70年代首次开发的地球气候模型，创建了一个名为rock - 3d的行星模拟器。比邻星b是否有大气层是一个开放而关键的问题，希望未来的望远镜能解决这个问题。但是Del Genio的团队认为是这样的。

这是来自rock - 3d模型的Fortran代码的摘录，该模型计算任何行星围绕其恒星的轨道的细节。这是对原始地球模型的修改，因此它可以处理任何轨道上的任何类型的行星，包括“潮汐锁定”的行星，其中一面总是面向恒星。要预测某颗恒星在任何时候在某颗行星的天空中有多高，从而预测该行星的温度有多高，白天和黑夜有多长，是否有季节，如果有，它们有多长。资料来源:美国宇航局戈达德太空研究所/安东尼·德尔·杰尼奥

对于每一次模拟，Del Genio的团队都改变了Proxima b空气中温室气体的类型和数量。他们还改变了海洋的深度、大小和盐度，并调整了陆地与水的比例，以了解这些调整将如何影响地球的气候。

像rock - 3d这样的模型只从一些关于系外行星的基本信息开始:它的大小、质量和与恒星的距离。科学家们可以通过观察一颗行星从其前面穿过时恒星发出的光线，或者通过测量一颗行星绕其运行时恒星所受的引力来推断这些事情。

这些微不足道的物理细节，构成了建立最复杂的气候模型所需的多达100万行计算机代码的方程式。该代码指示像美国国家航空航天局的“发现”超级计算机这样的计算机使用既定的自然规则来模拟全球气候系统。在许多其他因素中，气候模型考虑了云和海洋如何循环和相互作用，以及太阳辐射如何与行星的大气和表面相互作用。

当Del Genio的团队在Discover上运行岩石- 3d时，他们发现比邻星b的假想云通过偏转辐射起到了巨大的遮阳伞的作用。这可能会降低比邻星b面向太阳一侧的温度，从太热到变暖。

其他科学家发现，比邻星b可以形成巨大的云，如果人们从它的表面向上看，它们会遮住整个天空。

“如果一个星球在其轴上缓慢地锁定并旋转，则圆的云在星形前形成，总是指向它。这是由于一股被称为科里奥利效应的力量，这在明星加热了大气层的位置导致对流，“罗妮·戈达德行星科学家罗妮·戈帕普（Ravi Kopparapus）表示，他也模仿了外产的潜在气候。“我们的建模表明，Proxima B可以看起来像这样。”

除了使Proxima B的日子侧比预期更温和，大气和海洋循环的组合将在行星周围移动温暖的空气和水，从而将热量传送到冷侧。“所以你不仅让夜间冻结冻结，你就会在夜间创造零件，实际上在表面上保持液态水，即使这些部件没有灯，”Del Genio表示。