胡永云教授关于太阳系外行星宜居性的研究成果在PNAS发表
9159金沙申请大厅大气与海洋科学系教授胡永云与其研究生杨军博士（现在芝加哥大学做博士后）关于太阳系外行星适宜生命存在的研究成果于2013年12
月30日在美国科学院院刊（PNAS）发表（Early Edition），题目为“The role of ocean heat transport in
climates of tidally locked exoplanets around M-dwarf
Stars”。他们的研究结果表明海洋热量输送将能够有效地改变围绕红矮星运行的宜居行星的气候环境和宜居性，并能够极大地改变太阳系外行星适宜生命存在的空间模态。这些结果对认识系外行星适宜生命存在的可能性以及未来探测适宜生命存在的行星有着极为重要的理论意义。
地球生命在宇宙中是否是唯一的？太阳系外是否存在适宜生命存在的星球？一直是人类不断思考和探索的问题。自1995年第一颗太阳系外行星被发现到2013年12月28日为止，已有1056颗系外行星被确认（另有数千颗有待进一步确认），其中的12颗被认为是有可能适宜生命存在的。这12颗行星都是质量略大于地球质量的固态星球，通常被称为“超级地球”。目前，公认的适宜类似地球生命存在的最关键的条件是液态水的存在。因此，一颗行星是否适宜生命存在的关键是其表面温度是否能够保证液态水的长期存在，也就是说，其表面温度应介于大约0-70°C之间，低于0 °C，行星将是冰封的（如火星）；高于70°C（不需要达到100°C），行星将进入温室逃逸状态，其表面液态水将完全被蒸发，进入大气层，并最终被光解（太阳系的金星很可能在早期经历了温室逃逸过程，现在没有液态水）。
胡永云教授和杨军博士的研究目标是红矮星附近的宜居行星。这是因为红矮星是宇宙中数量最多的恒星（占宇宙恒星总数量的大约80%），而且，因为该类恒星的辐射温度较低（3500K左右，远低于太阳的辐射温度6000K），其宜居行星距离其母星较近，易于被探测到。因此，人类很可能首先在红矮星附近发现宜居行星。但由于红矮星与其宜居行星太近，恒星与行星之间较强的引力将导致宜居行星被锁相，也就是行星的一面永远面对红矮星（永久白天），而另一面永远背对红矮星（永久黑夜）。这与月球被地球潮汐锁相是同样的道理，所以，我们永远只能看到月亮的一面，而看不到其另一面。这一行星与其恒星之间特殊的运行方式势必造成行星的朝阳面和背阳面之间的加热不均匀，由此而产生的一个严重的问题是，尽管该类行星的朝阳面温度适于液态水存在，但其背阳面由于得不到恒星辐射而极端寒冷，以至于所有的大气和水分都被冻结在背阳面，从而不适宜生命存在。
针对这一问题，胡永云教授和杨军博士首次强调了海洋热量输送对锁相行星气候的影响。他们假定“超级地球”是一个“水世界”，该假设是基于目前对超级地球的理论认识，那就是，一个行星的质量愈大，其所包含的水分愈多，而且由于超级地球重力较大，山峰较低，因此，行星表面完全被海洋所覆盖。在此之前，所有对系外行星宜居性的研究都没有关注海洋的气候效应，但根据地球气候系统的知识，我们知道海洋热量输送对地球气候的重要性与大气热量输送同等重要。他们使用海-气耦合气候模式进行了两种不同的数值模拟试验：（1）不考虑海洋热量输送（静止的海洋）；（2）流动的海洋，考虑了海洋热量输送、海冰运动以及海冰-反照率反馈等物理和动力过程。图1所示的是在静止海洋的情况下数值模拟结果，行星的朝阳面只有部分区域存在液态水（图1A和1B中的蓝色区域），其它区域均为海冰所覆盖（白色）。即使增加温室效应（把CO2从355
ppmv 增加到0.2大气压），开放海域的面积也没有增加太多，并且背阳面地表温度仍然在-60°C以下。相反地，如果考虑海洋流动（图2），开放海域不再是圆形，而是类似于“龙虾”状，两只“钳子”对称地位于赤道两侧，长长的“尾巴”一直延伸到背阳面。当CO2浓度增加到0.2大气压时，全球温度都高于0 °C，背阳面的海冰也全部融化。
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图1、静止海洋条件下的海冰覆盖率（A和B）和温度分布（C和D）。上图是355 ppmv CO2条件
下的模拟结果（A、C），下图是0.2个大气压CO2条件下的模拟结果（C、D）。图A和B中的蓝
色表示开放海域，白色表示冰封海域，彩色标尺的单位是%。图C和D的彩色标尺的单位是°C。
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图2、动力海洋条件下的海冰覆盖率（A和B）和温度分布（C和D）。上图是355 ppmv CO2条件
下的模拟结果（A、C），下图是0.2个大气压CO2条件下的模拟结果（C、D）。图A和B中的蓝
色表示开放海域，白色表示冰封海域，彩色标尺的单位是%。图C和D的彩色标尺的单位是°C。
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他们的研究结果表明：在大气和海洋自朝阳面向背阳面输送热量的情况下，不仅大气层不会在背阳面坍塌，水分也不会冻结在背阳面。相反，海洋热量输送还能够有效地扩大开放海域的面积（但背阳面因无法进行光合作用仍不适宜生命长期存在），并极大地改变宜居行星的气候空间模态。他们研究还进一步表明，如果红矮星附近的超级地球确实是一个海洋世界，那么这类行星将只能位于红矮星附近相对狭窄的范围内。因为如果距离其母星太近，海洋热量输送将使得行星易于进入温室逃逸状态；如果太远，海洋热量输送容易使其进入全冰封状态。换句话说，海洋的存在将使得传统上认为的恒星周围的宜居带变窄。他们的研究不仅仅集中在海洋热量输送，还考虑了洋流、海冰运动以及海冰-反照率与恒星辐射之间的反馈作用对宜居行星气候的影响。图2所给出的气候空间模态将有助于识别系外行星是否适宜居行星。虽然目前的天文观测技术还无法做到这一点，但计划中的太空望远镜将很有希望达到这一目标。所以，这些结果为未来识别系外行星的宜居性提供了重要的理论基础。
论文全文可见：http://www.pnas.org/content/early/2013/12/26/1315215111.full.pdf+html
