一个系外行星是否适居的关键,是长期稳定气候的能力。在最新研究中,科学家分析了一个表面布满水的星球能否保持与地球类似稳定气候的能力。
在数百万年内,行星的母恒星可能会逐渐变暗或变亮,或者行星的火山活动可能慢慢改变。这些演变会影响行星的气候,破坏适居性,行星可能无法保留液态水足够长的时间,使生物来不及出现和演化。如何在这些缓慢变化中保持气候稳定呢?一个关键因素是碳酸盐-矽酸盐循环(又称无机碳循环),碳元素在一个周期里可能埋在行星地底深处,在另外一个周期时又将其释放到大气中。
在地球上,碳酸盐-矽酸盐循环的为:
1.大气中的二氧化碳溶解在雨水中,形成碳酸落到了地表。
2.长期下来,这种弱酸的风化作用溶解了矽酸盐岩石,溶解的产物被带往海洋累积。
3.海底的隐没带将产物拉进地底深处,在这里以矽酸盐和二氧化碳的形式储存。
4.火山作用将二氧化碳溢散到大气中。
理想情况下,碳酸盐-矽酸盐循环是一种负回馈效应,可作为行星的恒温系统。如果海水结冰,矽酸盐的风化会变慢,大气中的二氧化碳累积并透过温室效应使行星变暖。如果行星变热,降雨量增加,矽酸盐的风化速度会加快,从大气中清除二氧化碳并冷却行星。
当然这种循环只能应对非常缓慢的外部影响(如恒星逐渐变暗),因此这并不能解决地球上化石燃料排放引起的全球暖化。但在考虑系外行星的适居性时,它是一个重要的评估方式。
美国宾州大学的Benjamin Hayworth和Bradford Foley分析了无机碳循环如何受到行星地理的影响——在表面布满水的星球,是否丧失地球上的这种负回馈机制?
图说:不同海洋覆盖率的星球,温度受母恒星光度变化的影响。纵轴行星为表面温度随母恒星光度的变化,横轴为相对太阳常数。覆盖率100%(蓝线)的星球温度变化较其他情况低。
Hayworth和Foley指出,大陆和海底都会经历矽酸盐的风化作用,并参与行星的碳酸盐-矽酸盐循环,且大陆和海底的风化率皆取决于行星的表面温度和大气中二氧化碳的累积量。
考虑不同的气候和风化模型,他们发现在面对母恒星光度的缓慢变化下,以海底风化为主的水世界,稳定气候的能力其实比拥有大陆的星球更好。
这代表,和地球这样表面分布着大陆及海洋的行星相比,完全被水覆盖的星球的适居门槛可能比较低,它们可以容许母恒星光度比较大的涨落,更有机会演化出生物。
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