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地球几十亿年来真的宜居吗?

2020-12-30 10:46:25  来源:知否

在地球上的任何地方,无论在空气、海洋、陆地亦或是地下深处,我们几乎都能看到生命的存在。

地球过去曾发生过大规模的物种灭绝事件,有些甚至灭绝了大部分生命。然而,自从生命在地球上出现以及不断进化以来,还没有任何事件彻底灭绝过生命。 这意味着,尽管曾发生过许多生命灭绝和其他重大事件,但在过去30亿到40亿年内,地球气候始终保持着相对稳定的状态。

这其实是非常奇怪的。我们知道,像太阳这样的恒星随着“年龄”的增长会变得更热。很久以前,太阳大约要比现在暗30%。这意味着古老的地球要么应该是个冰冻的固体,要么就非常暖和甚至滚烫。然而事实上,地球并未出现过这两种极端情况。这被称为“黯淡太阳悖论”(Faint Young Sun Paradox)。

许多科学家假设地球拥有某种“恒温器”,可以帮助地球平衡系统,从而不会变得太热或太冷。这其实是个“负反馈系统”,即如果地球变暖,“恒温器”就会以某种方式发挥作用,帮助地球降温。

但我们知道,地球还存在“正反馈系统”。如果人们向空气中释放过多的二氧化碳,海洋就会变暖,这会让海洋释放更多的二氧化碳,这就形成了恶劣的“反馈循环”。但如果空气中的二氧化碳太少,地球就会冻结成固体。所以,也许我们非常幸运,地球上的环境只是碰巧在生命存在的亿万年里保持稳定。

那么从科学角度讲,这是偶然,还是某种机制在发挥作用?亦或是两者兼而有之?

为了找出答案,科学家们进行了实验,创造了10万颗行星模拟机制。在这些行星中,每颗都被赋予随机的气候反馈条件,有些是负反馈,有些是正反馈,并跟踪了它们30亿年的温度变化。为了简单起见,科学家们没有模拟其他变量,例如水分含量或可呼吸大气。科学家们想要知道,是否有行星能像地球那样长时间保持适宜生命生存的温度。

模拟反馈并不是基于空气中二氧化碳水平这样的真实反馈。相反,科学家们给行星分配了随机的数学反馈,通过输入严格的数字来看看到底会发生什么。同时,科学家们还在随机时间放大随机变量,以模拟导致温度剧烈变化的外部因素,类似于小行星撞击或超级火山喷发等。

然后,科学家们让每颗行星模拟运行100次,其中的变量稍有变化,看看温度会发生什么改变。这里的重点不是创建完整的气候模拟,而是看单个因素在星球的宜居性中扮演何种重要程度的角色。

科学家检验了两个假设:第一个假设是反馈没有影响,所以是随机波动决定了星球上的气候环境。如果某颗行星保持宜居温度数十亿年,这只是纯粹的偶然;第二个假设是,无论是负面的还是正面反馈,成功或失败都是必然的,单个因素不起太大作用。

换句话说,科学家希望了解气候反馈是否真的是地球如此长时间保持宜居状态的原因,或者我们只是足够幸运而已。如果某颗行星的温度在30亿年的模拟中保持相对稳定,那么它就被认为是宜居的。

科学家发现模拟的结果很有趣。在10万颗行星中,在每颗行星的100次模拟运行中,有9%至少成功了一次。有些行星成功了两次甚至三次。但是在100颗行星中,只有1颗行星能成功运行100次,表明没有任何因素能阻止其成为宜居星球。

总的来说,通过观察这些结果以及它们是如何发生的,科学家的结论是,反馈和随机因素都在行星保持适宜温度过程中发挥了作用。但显然,“命运偏爱有准备的星球。”

那么,我们能不能将这个结论应用到地球上,即我们拥有的反馈和随机因素保证了我们星球的宜居性?如果我们回到过去,稍微改变下环境,我们还会拥有宜居的环境吗?

上面只是个非常简单的测试,科学家们应该做更复杂的测试。毕竟,地球已经有几次接近临界点。所以不难想象,小行星撞击或其他因素会让地球不再宜居。但根据模拟可以得出这样的结论:大多数与地球相似的系外行星都不适合生存,而像地球这样的行星是个例外。 (小小)

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