系外行星如何調節氣候?

作者 | 發布日期 2020 年 11 月 19 日 8:15 | 分類 天文 Telegram share ! follow us in feedly


系外行星是否適居的關鍵,是長期穩定氣候的能力。最新研究中,科學家分析一顆表面佈滿水的星球,能否保持與地球類似穩定氣候的能力。

數百萬年內,行星的母恆星可能會逐漸變暗或變亮,或行星的火山活動可能慢慢改變。這些演變都會影響行星的氣候,破壞適居性,可能無法保留液態水夠長時間,使生物來不及出現和演化。如何緩慢變化同時保持氣候穩定?關鍵因素之一是碳酸鹽─矽酸鹽循環(又稱無機碳循環),碳元素在一個週期裡可能埋在行星地底深處,另一個週期時又釋放到大氣。

在地球,碳酸鹽─矽酸鹽循環為:

  1. 大氣二氧化碳溶解進雨水,形成碳酸落到地表。
  2. 長期的弱酸風化作用溶解矽酸鹽岩石,溶解後​​產物帶往海洋累積。
  3. 海底的隱沒帶將​​產物拉進地底深處,以矽酸鹽和二氧化碳的形式儲存。
  4. 火山作用將二氧化碳溢散到大氣。

理想情況下,碳酸鹽─矽酸鹽循環是負回饋效應,可當作行星的恆溫系統。如果海水結冰,矽酸鹽風化會變慢,大氣二氧化碳累積並透過溫室效應使行星變暖。如果行星變熱,降雨量增加,矽酸鹽的風化速度會加速,從大氣清除二氧化碳並冷卻行星。

當然這種循環只能應付非常緩慢的外部影響(如恆星逐漸變暗),因此並不能解決地球化石燃料排放引起的全球暖化。但考慮系外行星的適居性時,是個重要評估方式。

美國賓州大學 Benjamin Hayworth 和 Bradford Foley 分析無機碳循環如何受行星地理影響──表面佈滿水的星球,是否喪失如地球這種負回饋機制?

▲ 不同海洋覆蓋率的星球,溫度受母恆星光度變化的影響程度。縱軸行星為表面溫度隨母恆星光度的變化,橫軸為相對太陽常數。覆蓋率 100%(藍線)的星球溫度變化較其他情況低。(Source:論文

Hayworth 和 Foley 指出,大陸和海底都會經歷矽酸鹽風化作用,並參與行星碳酸鹽─矽酸鹽循環,且大陸和海底的風化率皆取決於行星表面溫度和大氣二氧化碳的累積量。

考慮到不同氣候和風化模型,他們發現面對母恆星光度緩慢變化下,以海底風化為主的水世界,穩定氣候的能力其實比擁有大陸的星球更好。

這代表如地球這種表面分布大陸及海洋的行星相比,完全被水覆蓋的星球適居門檻可能較低,可容許母恆星光度較大漲落,更有機會演化出生物。

(本文由 台北天文館 授權轉載;首圖來源:NASA