第1022章 宜居帶

我們這指揮,天天神神道道的,一會兒這樣,一會兒那樣,意識流選手。還會水淹七軍!不過,我們的總指揮還是挺可愛的。

“宜居帶”其實就是指一顆恆星周圍的一定距離範圍,在這一範圍內水可以以液態形式存在,由於液態水被科學家們認爲是生命生存所不可缺少的元素,因此如果一顆行星恰好落在這一範圍內,那麼它就被認爲有更大的機會擁有生命或至少擁有生命可以生存的環境。

“宜居帶”也叫“適合居住帶”。分多種生命對象討論,一般研究的是“動物的宜居帶”。對於任何動物、植物、以至於微生物來說,都會有一個最合適其生存的地帶。如果把地球上所有生物以及它們在不同演化階段所需要的不同條件加以總結,將這些條件擴展到所需行星的條件、太陽的條件甚至是恆星系的條件等,就有了“宇宙宜居帶”的概念。

宇宙的大部分空間對於生命來說是險惡之地,只有很少的地方能成爲生命的綠洲,併爲生命的出現與發展提供合適的大氣、適宜的溫度、液態水。虛無的空間、炙熱的恆星、氣態的行星表面都難以駐留生命。似乎很難明確的給出生命所需要的環境條件。地球爲生命提供了最基本的環境之後,無論在哪個方面都爲生命提供了一個完美的棲息場所,而地球又是迄今爲止發現的唯一一顆有生命駐留的星球。對“宇宙宜居帶”的討論,需要從空間、時間、生物多樣性等幾方面進行。

對於天文學家來說,“潛在宜居”行星是那種可以維持生命存在,但不一定能讓人類生存的星球。宜居性取決於許多因素,但液態水和大氣是兩個最爲重要的因素。一顆行星的引力會造成其主恆星的徑向速度定期出現變化,而多顆行星會使得其主恆星運動出現複雜的搖擺活動。

作爲駐有各種生命的理想場所,地球一個最重要的特點就是其所處的位置,即與太陽的距離。與太陽最合適的距離是定義“宜居帶”的基礎,在該地帶可能會有與地球相似的行星存在。宜居帶中的行星接受恆星所輻射的熱量即不會少的使水結冰,也不會多的使水沸騰,剛好維持一個液態的海洋。

宜居帶的範圍應該由外部邊緣的低溫和內部邊緣的高溫限定。太陽系的兩個鄰居——金星和火星給出了宜居帶外部邊界的例子。如果與太陽的距離近,行星表面就不會存在液態海洋,像金星;太遠,又會被凍結。如果將地球向外移動一些距離,或者減弱太陽輻射,就會使地球的表面溫度降低直至冰雪覆蓋。漸漸的二氧化碳也被凍結,形成乾冰顆粒組成的雲層,最終它們被凍結在兩極形成冰蓋。宜居帶的寬度取決於該行星與地球的異同,以及恆星的大小、年齡等。

在一個有一定碳含量的岩石行星表面,如果有一個穩定的液態海洋,它就具備了產生和駐留生命的條件。相對於地球的軌道而言,金星與太陽的距離近了30%,而火星遠了50%,如果從接受陽光的角度來說,金星需要減少一半,而火星則需要增加一倍纔可以。

對於類地行星來說,動物的宜居帶是這樣一個範圍:該行星可以在表面維持一個液態的海洋並且能夠保持全球平均溫度低於50℃。這個溫度基本是動物生命生存條件的上限。

如果考慮現代人類(智慧生命)的居住環境,就會得到一個更窄的“宜居帶”:即一個可以生長足夠莊稼供人食用的行星。相反,一個更寬更容易定義的宜居帶是微生物生存的“宜居帶”:它幾乎包括了整個太陽系,並在太陽系形成不久一直到現在的範圍。對於其它種類的“宜居帶”,則要寬於高等生物但窄於微生物。

以太陽系爲例,因爲太陽在變亮,太陽系的宜居帶也正在向外移動,由於溫度增加,地球就會逐漸變爲金星,不過此情形會發生在20—30億年以後,地球處於宜居帶的時間還有60—80億年。當然,太陽的亮度不斷增加,一個處於凍結的星球可能會變得適合生命產生和繁衍。

1978年,天體物理學家邁克爾·哈特做了一個模擬計算,結果令人驚訝。他在計算中考慮了太陽光度隨時間的變化。40億年前,太陽的光度只有現在的70%。隨着太陽光度的增加,宜居帶向外推移。哈特將地球所處的狹窄條帶隨整個太陽系演變而向外推移的範圍稱爲“持續宜居帶”。

他的計算表明,如果地球與太陽的距離再遠1%,在地球演化史上將會出現一個不可逆轉的冰期,而如果距離再進5%,它也可能出於一個不可逆轉的溫室狀態。假若地球的軌道更扁一些,上述的距離限制會更加嚴格。

現在,有人認爲哈特計算的宜居帶過於狹窄,因爲有幾個效應他沒有考慮到,其中很重要的就是“二氧化碳—硅酸鹽循環”其作用就像空調一樣將地球的溫度調節在一個合適的範圍。二氧化碳含量現在只佔地球大氣的0.03%,但它是一種溫室氣體:它的紅外線吸收性質可以阻止輻射到地球表面的熱量重新發散到太空中。

二氧化碳—硅酸鹽循環的調節開始於地表風化作用,當行星比較溫暖時,充分的光照和降水沖刷作用會使得風化速度加快,此時,從硅酸鹽中釋放的金屬離子將大氣中的二氧化碳沉澱成碳酸鹽,從而使大氣溫度下降;當地表太冷的時,風化作用和二氧化碳的沉澱速率會下降,而火山釋放的二氧化碳使溫室效應增強,進而使大氣溫度重新升高。

這種負反饋效應使“持續宜居帶”加寬,也讓確定宜居帶的條件變的更加複雜。據此,美國濱州州立大學的天體生物學家詹姆士·卡斯廷和他的同事將“持續宜居帶”定義爲:在恆星周圍的一個類地行星,擁有一個含有氮氣、水和二氧化碳的大氣,並且形成的氣候可以維持以水爲基礎的生命。

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