通过对10万颗行星进行计算机建模(每颗行星的气候反馈组合都随机不同),研究预测了生命演化的可能性。
地球系统科学教授托比·泰瑞尔表示,要让人类历经数十亿年在地球上演化出来,地球必须具备某些能够稳定气候的反馈机制。
不过,地球能够持续适宜居住,也一定有好运的成分。
演化历时30亿或40亿年才孕育出智人。如果这段时间里气候哪怕只彻底失稳过一次,演化就会戛然而止,我们也不会存在于此。因此,要理解我们如何在地球上出现,就需要知道地球如何在数十亿年间维持适宜生命生存的环境。
这并非一个简单的问题。当前的全球变暖表明,即便在短短几个世纪内,气候也可能发生显著变化。在地质时间尺度上,气候更容易改变。计算显示,仅仅几百万年内,地球气候就可能恶化到低于冰点或高于沸点的温度。
我们还知道,自生命最初演化以来,太阳的亮度增加了30%。理论上,海洋如今本该已经沸腾蒸发,因为早期地球上的海洋并非通常处于冻结状态——这被称为“暗淡年轻太阳悖论”。然而,不知何故,这个宜居性谜题还是得到了解答。
科学家提出了两种主要理论。第一种认为,地球可能具有类似恒温器的机制——一种或多种反馈机制,可以防止气候偏离到致命温度。
第二种理论认为,在大量行星中,或许有些行星只是靠运气撑了下来,地球就是其中之一。近几十年来,科学家发现了许多太阳系外行星,这让第二种情形更有可能——这类行星被称为系外行星。对遥远恒星的天文观测告诉我们,许多恒星都有行星绕其运行,其中一些行星的大小、密度和轨道距离恰到好处,理论上可能具有适宜生命生存的温度。据估计,仅我们的银河系中就至少有20亿颗这样的候选行星。
科学家很希望前往这些系外行星,探究它们是否也像地球一样,维持了数十亿年的气候稳定。但即使是最近的系外行星——围绕恒星比邻星运行的行星——也在四光年以上之外。要获得观测或实验方面的证据并不容易。
因此,我通过建模来探究同一个问题。我使用了一款计算机程序,用来模拟行星(而不只是地球)上的气候演化,首先生成了10万颗行星,每颗行星的气候反馈组合都随机不同。气候反馈是指能够放大或减弱气候变化的过程——例如,北极海冰融化后,反射阳光的冰面被吸收阳光的开阔海面取代,进而导致进一步升温和更多融化。
为了考察这些迥异的行星在漫长的(地质)时间尺度上维持宜居的可能性,我对每颗行星进行了100次模拟。每次模拟中,行星的初始温度都不同,并会遭遇随机变化的一系列气候事件。这些事件代表改变气候的因素,例如超级火山喷发(如皮纳图博火山,但规模大得多)和小行星撞击(如导致恐龙灭绝的那次撞击)。在每次模拟中,研究人员都会追踪行星温度,直到温度过高或过低,或者行星成功维持了30亿年;达到这一时长后,就认为它可能是孕育智能生命的摇篮。
模拟结果对宜居性问题给出了明确答案,至少揭示了反馈机制和运气的重要性。行星拥有极强稳定反馈、无论遭遇何种随机气候事件都能在100次模拟中始终保持宜居的情况极为罕见(事实上,10万颗行星中只有1颗)。实际上,大多数至少有一次保持宜居的行星,在100次模拟中成功的次数不到10次。模拟中,行星每次能维持宜居状态达30亿年,几乎都部分归功于运气。同时,结果也表明,仅靠运气并不足够。那些被专门设定为完全没有反馈机制的行星,从未能保持宜居;在气候事件冲击下随机漂移的行星,始终无法坚持到底。
这一总体结果——结局部分取决于反馈机制,部分取决于运气——十分稳健。对模型进行各种调整,都没有改变这一结果。这意味着,地球必然具备某些稳定气候的反馈机制,但与此同时,好运也必定助力地球保持宜居。例如,如果小行星或太阳耀斑的规模稍大一些,或者发生的时间稍有不同(恰逢更关键的时刻),我们今天很可能就不会生活在地球上。这让我们得以从不同角度看待一个问题:为什么我们能够回望地球那段非凡而漫长的历史——生命不断演化、分化,变得日益复杂,最终孕育出了我们。







