地球气候模型如何帮助NASA科学家描绘难以想象的世界中的生活

系外行星的例证。

在美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心校园西北边缘的一栋普通砖砌建筑中，成千上万台装在机架中的计算机像自动售货机一样嗡嗡作响，令人耳目一新。无论白天还是黑夜，他们每秒都可以进行7百万次计算。这些机器统称为NASA的Discover超级计算机，它们的任务是运行复杂的气候模型以预测地球的未来气候。

但是现在，他们还在寻找更遥远的东西：在过去二十年中发现的超过我们太阳系的4000多个奇怪的怪异行星中的任何一个是否可以维持生命。

科学家发现，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都在努力解决一个对NASA寻找地球以外生命至关重要的问题。我们关于使行星适合生活的观念可能太局限了吗？

下一代功能强大的望远镜和太空观测站必将为我们提供更多线索。这些仪器将使科学家首次分析那里最诱人的行星的大气：岩石行星，例如地球，可能具有生命的基本成分-液态水-在其表面流动。

目前，很难探测到遥远的大气层。使用当今的技术，将航天器发送到太阳系或系外行星之外最接近的行星将需要75,000年的时间。即使使用强大的望远镜，实际上也无法对附近的系外行星进行详细研究。问题在于它们太小了，太星状的光线淹没了，科学家无法分辨出它们所反射的微弱的光信号-这些信号可能揭示表面生命的化学性质。

换句话说，正如许多科学家想指出的那样，检测这些幻影行星周围大气的成分就像站在华盛顿特区，试图瞥见洛杉矶探照灯旁边的萤火虫一样。首席系外行星科学家卡尔·斯塔佩尔费尔特（Karl Stapelfeldt）说，这种现实使气候模型对于探索至关重要。他是加利福尼亚州帕萨迪纳市NASA喷气推进实验室的成员。

他说：“这些模型对我们应该看到的东西做出了具体的，可检验的预测。”“这些对于设计我们未来的望远镜和观察策略非常重要。”

太阳系是好榜样吗？

在使用大型地面和太空望远镜扫描宇宙时，天文学家发现了各种折衷的世界，这些世界似乎是从想象中得出的。

“很长一段时间以来，科学家们实际上一直专注于发现类似太阳和地球的系统。这就是我们所知道的一切。”领导2014年发现地球大小的开普勒186f的美国宇航局戈达德天体物理学家Elisa Quintana说。“但是我们发现行星上存在着整个疯狂的生命。我们发现了像月亮一样小的行星。我们发现了巨大的行星。我们发现了一些绕小恒星，巨型恒星和多颗恒星运行的轨道。

当行星直接在我们与恒星之间穿过时，我们会看到恒星略微变暗，因为该行星遮挡了一部分光。在星光下测量这些倾角是一种技术，被称为“过境方法”，科学家用来识别系外行星。科学家绘制了一个称为“光曲线”的图，该图显示了恒星随时间的亮度。利用该图，科学家可以看到行星遮挡恒星的光的百分比以及行星穿过恒星盘所需的时间，这些信息有助于他们估算行星与恒星的距离及其质量。

的确，我们的太阳系中不存在被NASA开普勒太空望远镜和新的过境系外行星观测卫星以及地面观测所探测到的大多数行星。它们介于地球的大小和气态的天王星之间，后者比这个星球大四倍。

迄今为止，仅在“红矮星”恒星周围发现了尺寸最接近地球且理论上最可能具有宜居条件的行星，这些恒星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小且暗，所以望远镜绕行时行星发出的信号更容易被发现。

因为红矮星很小，所以行星必须不自在地靠近地球（比水星离太阳更近）以保持重力依附在行星上。而且由于红矮星比其他所有恒星都凉爽，因此行星必须靠近它们以吸收足够的热量，以使液态水积聚在它们的表面上。

2014年，美国宇航局（NASA）的“快速”任务发现了DG CVn释放的一系列创纪录的X射线耀斑，DG CVn是附近的由两颗红矮星组成的双星，如下图所示。在正常条件下，在两个峰值处的初始耀斑在两个波长处的初始耀斑都比来自两个恒星的组合光要亮。

最近在红矮星系中最诱人的发现是像Proxima Centauri b或Proxima b这样的行星。是最接近的系外行星。附近的系统TRAPPIST-1中也有七个岩石行星。这些行星是否能够维持生命仍是一个争论的问题。科学家指出，红矮星在其行星上喷出的有害紫外线和X射线的辐射量最多是太阳向太阳系中喷出的辐射量的500倍。从表面上看，这种环境会剥夺大气层，蒸发海洋，并在靠近红矮星的任何星球上油炸DNA。

但是，也许不是。地球气候模型表明，尽管有辐射，红矮星周围的岩石系外行星还是可以居住的。

魔术在云端

安东尼·德尔·吉尼奥（Anthony Del Genio）是美国宇航局（NASA）纽约市戈达德空间研究所最近退休的行星气候科学家。在他的职业生涯中，他模拟了地球和其他行星（包括Proxima b）的气候。

DelGenio的小组最近在Proxima b上模拟了可能的气候，以测试有多少气候将其保持在温暖潮湿的环境中以维持生命。这种类型的建模工作可以帮助NASA科学家使用NASA即将推出的James Webb太空望远镜识别出一些有前途的行星，值得对其进行更严格的研究。

“虽然我们的工作无法告诉观察者是否有宜居行星，但我们可以告诉他们，是否有一颗行星处于良好候选者的中间，可以进一步搜寻，”德尔吉尼奥说。

Proxima b在距离太阳仅4.2光年的三星级系统中绕着Proxima Centauri旋转。除此之外，科学家对此并不了解。他们认为，根据其估计的质量，它是岩石的，略大于地球的质量。科学家可以通过观察Proxima b在其绕轨道运行时对恒星的拉力来推断质​​量。

Proxima b的问题在于，它离恒星的距离比地球离太阳的距离近20倍。因此，行星仅需11.2天就可以完成一个轨道的运行（地球需要365天才能使太阳绕轨道运行一次）。物理学告诉科学家，这种舒适的安排可能使Proxima b重力锁定在其恒星上，就像月亮被重力锁定在地球上一样。如果为真，那么Proxima b的一侧将面对恒星的强烈辐射，而另一侧则以行星配方冻结在太空的黑暗中，这对双方的生活都不是好兆头。

但是Del Genio的模拟显示Proxima b或任何具有类似特征的行星都可以居住，尽管有力量合谋反对它。“而云和海洋在其中起着根本性的作用，”德尔吉尼奥说。

Del Genio的团队升级了1970年代首次开发的地球气候模型，以创建名为ROCKE-3D的行星模拟器。Proxima b是否具有大气是一个悬而未决的关键问题，希望将来的望远镜能够解决。但是Del Genio的团队认为是的。

这是ROCKE-3D模型的Fortran代码节选，该代码计算了围绕恒星的任何行星的轨道细节。这是对原始地球模型的修改，因此它可以处理任何类型的轨道上的任何行星，包括“潮汐锁定”的行星，且其一侧始终面向恒星。需要此代码来预测恒星在任何时间的行星高度，从而预测该行星的加热强度，白天和黑夜的时间长短，是否存在季节，以及是否存在季节。 。

在每次模拟中，Del Genio的团队都会改变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，并调整了土地与水的比例，以了解这些调整将如何影响地球的气候。

诸如ROCKE-3D之类的模型仅从关于系外行星的基本信息开始：​​它的大小，质量以及与恒星的距离。科学家可以通过观察一颗行星在其前方穿过恒星倾角时发出的光，或者通过测量一颗行星绕其旋转时对恒星的引力来推断出这些东西。

这些很少的物理细节可以为方程式提供信息，这些方程式包括建立最复杂的气候模型所需的多达一百万行计算机代码。该代码指示诸如NASA的Discover超级计算机之类的计算机使用已建立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与行星的大气和地表如何相互作用。

当Del Genio的小组在Discover上运行ROCKE-3D时，他们发现Proxima b的假想云通过偏转辐射像巨大的太阳伞一样起作用。这可能会使Proxima b朝阳的一面的温度从太热变热。

其他科学家发现，Proxima b可以形成如此巨大的云，如果从表面向上看，它们会遮盖整个天空。

“如果行星在重力作用下锁定并沿其轴缓慢旋转，则在恒星前方会形成一个云圈，并始终指向它。这是由于一种称为科里奥利效应的力引起的，该力在恒星加热大气的位置引起对流。”美国宇航局戈达德行星科学家拉维·科帕帕拉普（Ravi Kopparapu）说，他还模拟了系外行星的潜在气候。“我们的建模表明Proxima b可能看起来像这样。”

除了使Proxima b的日间温度比预期的更温和之外，大气和海洋环流的结合还将使地球上的暖空气和水移动，从而将热量传递到较冷的一侧。Del Genio说：“因此，您不仅要防止夜间的气氛冻结，还要在夜间创建零件，这些零件实际上可以在表面保持液态水，即使这些零件看不到光。”

重新看待旧的榜样

大气层是行星周围分子的外壳。除了帮助维持和循环热量外，大气还散发出养育生命或由其产生的气体。

这些气体是科学家在系外行星大气层中寻找的所谓“生物特征”。但是他们究竟应该寻找什么仍未决定。

科学家对维持生命的大气化学具有唯一的证据。但是，在使用地球化学作为其余星系的模型时，他们必须谨慎。例如，戈达德行星科学家贾达·阿尼（Giada Arney）进行的模拟显示，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）也可能会形成陷阱。

NASA科学家现在拥有迄今为止地球上最完整的全球生命图景。从太空的独特优势出发，NASA不仅观察地球的陆地和海洋，而且观察其中的生物。

Arney的作品突出了一些有趣的东西。如果外来文明在数十亿年前将望远镜指向地球，希望找到一个在氧气中畅游的蓝色星球，那他们将大失所望。也许他们会把望远镜转向另一个世界。但是，代替氧气，甲烷可能是3.8到25亿年前发现的最好的生物签名。那时，这种分子大量产生，很可能是由于微生物在海洋中悄然繁盛。

阿尼说：“地球历史的这一阶段有趣的是，与现代地球相比，它是如此陌生。”“还没有氧气，所以它甚至没有一个淡蓝色的点。这是一个淡橙色的点。”她说，指的是甲烷烟雾弥漫在地球早期的雾霾。

阿尔尼说，类似这样的发现“已经扩大了我们对系外行星可能发生的事情的思考，”有助于扩大行星科学家在遥远的大气层中寻找的生物特征的清单。

为大气猎人建立蓝图

尽管行星气候模型的教训是理论性的-意味着科学家们没有机会在现实世界中对其进行测试-但它们为将来的观测提供了一个蓝图。

模拟气候的一个主要目标是通过韦伯望远镜和其他任务确定最有前途的行星，以便科学家可以最有效地利用有限且昂贵的望远镜时间。此外，这些模拟还帮助科学家创建了有一天将要检测到的潜在化学特征的目录。拥有这样一个数据库可以帮助他们快速确定他们正在寻找的行星的类型，并决定是继续探测还是将望远镜转向其他地方。

Del Genio指出，在遥远的星球上发现生命是一场赌博。“因此，如果我们想最明智地进行观察，就必须从气候模型中获取建议，因为这只会增加赔率。”

这个故事中介绍的研究人员和科学是美国宇航局戈达德太空飞行中心的“卖家”系外行星环境合作组织（SEEC）的一部分。多学科合作组织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日物理学的专家，以建立最全面，最复杂的系外行星计算机模型，以便更好地为当前和将来的系外行星观测做好准备。