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地球气候模型如何帮助美国国家航空航天局的科学家描绘难以想象的世界上的生

地球气候模型如何帮助美国国家航空航天局的科学家描绘难以想象的世界上的生

在美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心位于马里兰州绿带市的校园西北边缘的一栋普通砖砌建筑里,成千上万台电脑挤在只有自动售货机大小的货架上,在一片震耳欲聋的数据处理声中嗡嗡作响。无论白天黑夜,他们每秒计算7千万亿次。这些机器统称为nasa的超级计算机,它们的任务是运行复杂的气候模型来预测地球未来的气候。

但现在,他们也在探寻更遥远的东西:过去二十年在太阳系外发现的4000多颗奇怪的行星中,是否有可能存在生命。

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都是肯定的。这一发现促使他们中的许多人努力解决一个对nasa在地球之外寻找生命至关重要的问题。我们关于行星适合生命存在的概念可能太局限了吗?

下一代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首次能够分析那些最诱人的行星的大气层:像地球这样的多岩石行星,它们可能是生命的基本成分;液态水本;在它们的表面流动。

目前,探测遥远的大气层是困难的。用今天的技术,向太阳系外最近的行星或系外行星发射宇宙飞船需要75000年的时间。即使有强大的望远镜,我们也不可能对附近的系外行星进行详细的研究。问题是它们太小了,被恒星的光淹没了,科学家们无法分辨出它们反射的微弱的光信号。这些特征可能揭示了火星表面的生命化学。

换句话说,正如许多科学家所指出的,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。位于加州帕萨迪纳的美国宇航局喷气推进实验室的首席系外行星科学家卡尔·施塔佩尔费尔特说,这一事实使得气候模型对探索至关重要。

这些模型对我们应该看到的东西做出了具体的、可测试的预测。他说。这些对于设计我们未来的望远镜和观测策略都是非常重要的。

太阳系是一个好的榜样吗?

通过使用大型地面和太空望远镜扫描宇宙,天文学家发现了各种各样的世界,它们似乎来自于想象。

很长一段时间以来,科学家们一直致力于寻找类太阳和类地球的系统。这就是我们所知道的一切。昆塔纳(Elisa Quintana)说。她是美国国家航空航天局(NASA)戈达德(Goddard)的天体物理学家,2014年领导发现了地球大小的行星开普勒-186f。但我们发现行星上存在着这种疯狂的多样性。我们发现了和月球一样小的行星。我们发现了巨大的行星。我们发现了一些围绕着小恒星、巨星和多星运行的恒星。

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事实上,美国宇航局的开普勒太空望远镜和新的凌日系外行星勘测卫星以及地面观测所探测到的大多数行星,在我们的太阳系中并不存在。它们的大小介于地球和天王星之间,天王星是地球的四倍大。

行星的大小与地球最接近,在理论上最有可能有适合居住的条件,但迄今为止只在红矮星周围发现过它们。恒星,它们构成了银河系中绝大多数的恒星。但这可能是因为红矮星比太阳更小、更暗,所以望远镜更容易探测到围绕它们运行的行星发出的信号。

因为红矮星很小,行星不得不不舒服地靠得很近。比水星离太阳更近;以引力的方式依附于它们。由于红矮星与其他恒星相比是冷的,行星必须离它们更近才能吸收足够的热量,使液态水能够在它们的表面聚集。

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在最近发现的红矮星系统中,最具吸引力的是像半人马座比邻星b,或者简称为比邻星b这样的行星。它是离我们最近的系外行星。在附近的TRAPPIST-1系统中也有7颗岩态行星。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,红矮星在其行星上所释放出的有害紫外线和x射线辐射,是太阳射入太阳系的辐射的500倍。从表面上看,这种环境会破坏大气层,蒸发海洋,并在任何靠近红矮星的行星上煎炸DNA。

然而,也许不是。地球气候模型显示,尽管有辐射,围绕红矮星的岩石系外行星仍然可能适合人类居住。,

魔法就在云里

安东尼·德尔·热尼奥是最近退休的行星气候科学家,他来自纽约市美国宇航局戈达德太空研究所。在他的职业生涯中,他模拟了地球和其他星球的气候,包括比邻星。

del1000的团队最近在Proxima b上模拟了可能的气候条件,以测试有多少种气候能让比邻星保持温暖和湿润,足以孕育生命。这种类型的建模工作帮助美国宇航局的科学家们识别出少数有希望的行星,这些行星值得美国宇航局即将推出的詹姆斯·韦伯太空望远镜进行更严格的研究。

虽然我们的工作不能告诉观察者是否有适合居住的行星,但我们可以告诉他们,是否有一颗行星属于中等候选行星,可以进一步寻找。德尔Genio说。

资料来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心

Proxima b绕着比邻星运行,比邻星位于离太阳4.2光年的一个三星系统中。除此之外,科学家对它知之甚少。根据它的估计质量,他们认为它是岩石的,比地球的略大。科学家可以通过观察Proxima b在绕其轨道运行时对其恒星的牵引力来推断其质量。

Proxima b的问题是它离恒星的距离比地球离太阳的距离近20倍。因此,地球绕太阳一周只需11.2天(地球绕太阳一周需要365天)。物理学告诉科学家,这种舒适的安排可能会让Proxima b被引力锁定在它的恒星上,就像月球被引力锁定在地球上一样。如果这是真的,那么比邻星b的一侧面对着恒星的强烈辐射,而另一侧则在黑暗的太空中冻结,这对任何一方的生命来说都不是好兆头。

但是,杰尼欧的模拟显示,Proxima b,或任何具有类似特征的行星,可能是宜居的,尽管有各种力量共同反对它。云层和海洋在其中起着至关重要的作用。德尔Genio说。

Del genioo的团队对上世纪70年代首次开发的地球气候模型进行了升级,创建了一个名为“火箭3d”的行星模拟器。Proxima b是否有大气层是一个悬而未决的关键问题,未来的望远镜有望解决这个问题。但是杰尼欧的团队却认为是这样的。

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在每一次模拟中,杰尼欧的团队都改变了比邻星大气中温室气体的种类和数量。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,以观察这些变化将如何影响地球的气候。

像“火箭- 3d”这样的模型,一开始只提供有关系外行星的基本信息:它的大小、质量和离恒星的距离。科学家们可以通过观察一颗行星在其前面穿过时恒星下沉时发出的光,或者通过测量行星围绕恒星旋转时恒星受到的引力来推断出这些事情。

这些微小的物理细节构成了包含多达一百万行计算机代码的方程,这些代码需要用来建立最复杂的气候模型。该代码指示像美国国家航空航天局的超级计算机Discover这样的计算机使用既定的自然规律来模拟全球气候系统。在许多其他因素中,气候模型考虑了云层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 genioo的团队在《发现》杂志上用火箭3d技术拍摄时,他们发现Proxima b&rsquo的假想云通过偏转辐射,就像一把巨大的太阳伞。这可以降低比邻星面向太阳的一面的温度,使其从太热变暖。

其他科学家发现,Proxima b可以形成巨大的云层,如果从表面向上看,整个天空都会被遮住。

如果一颗行星被引力锁定,并缓慢地绕其轴旋转,就会在恒星前面形成一圈云,这些云总是指向恒星。这是由于一种称为科里奥利效应的力,它在恒星加热大气的地方引起对流。NASA戈达德行星科学家拉维·科帕拉普(Ravi Kopparapu)说,他还模拟了系外行星的潜在气候。我们的模型显示Proxima b可能是这样的。

除了使比邻星的日面比预期的更温和外,大气和海洋环流的结合将使温暖的空气和水在行星周围流动,从而将热量输送到冷面。因此,你不仅能使夜晚的大气层不被冻结,你还能在夜晚创造出一些部件,这些部件即使看不见光,也能在表面保持液态水。德尔Genio说。

重新审视过去的榜样

大气层是行星周围分子的包膜。除了帮助维持和循环热量,大气还散发滋养生命或由生命产生的气体。

这些气体就是所谓的生物信号。科学家们将在系外行星的大气层中寻找。但他们究竟应该寻找什么仍未决定。

地球是科学家所掌握的有关维持生命的大气的化学成分的唯一证据。然而,在用地球的化学物质作为银河系其他部分的模型时,他们必须小心谨慎。例如,来自戈达德行星科学家Giada Arney的模拟表明,即使是像氧气这样简单的东西;现代地球上植物生命和光合作用的典型标志可能是一个陷阱。

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阿内的工作突出了一些有趣的东西。如果外星文明在数十亿年前就把望远镜对准地球,希望发现一颗蓝色星球在氧气中游泳,他们会失望的;也许他们会把望远镜转向另一个世界。但是甲烷可能是38亿到25亿年前最好的生物标志,而不是氧气。这种分子在当时大量产生,可能是由海洋中悄悄生长的微生物造成的。

地球历史上这一阶段的有趣之处在于,与现代地球相比,它是如此的不同寻常。阿说。当时还没有氧气,所以连一个淡蓝色的小点也没有。那是一个淡橙色的圆点。她说,指的是可能覆盖了早期地球的甲烷烟雾产生的橙色烟雾。

Arney说,像这样的发现拓宽了我们对于系外行星的可能性的思考。行星科学家将在遥远的大气中寻找更多的生物特征。

为大气猎人建造蓝图

而从行星气候模型中得到的教训是理论性的;这意味着科学家们没有机会在现实世界中测试它们。它们为未来的观测提供了蓝图。

模拟气候的一个主要目标是通过韦伯望远镜和其他任务来确定最有希望的行星,这样科学家就可以最有效地利用有限且昂贵的望远镜时间。此外,这些模拟正在帮助科学家创建一个潜在的化学信号目录,他们总有一天会发现这些信号。拥有这样一个数据库可以帮助他们快速确定他们正在观测的行星的类型,并决定是继续探测还是把望远镜转向别处。

德尔热尼奥指出,在遥远的行星上发现生命是一场赌博。因此,如果我们想要更明智地观察,就必须从气候模型中获取建议,因为这只会增加几率。

本文中介绍的研究人员和科学家是美国宇航局戈达德太空飞行中心系外环境合作(SEEC)组织的成员。这个多学科合作项目汇集了来自行星和地球科学的专家,以及来自天体物理学和太阳物理学的专家,来建立最全面和最复杂的系外行星计算机模型,以便更好地为当前和未来的系外行星观测做准备。

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