系外行星如何調節氣候


一個系外行星是否適居的關鍵,是長期穩定氣候的能力。在最新研究中,科學家分析了一個表面佈滿水的星球能否保持與地球類似穩定氣候的能力。

在數百萬年內,行星的母恆星可能會逐漸變暗或變亮,或者行星的火山活動可能慢慢改變。這些演變會影響行星的氣候,破壞適居性,行星可能無法保留液態水足夠長的時間,使生物來不及出現和演化。如何在這些緩慢變化中保持氣候穩定呢?一個關鍵因素是碳酸鹽-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,在另外一個週期時又將其釋放到大氣中。

在地球上,碳酸鹽-矽酸鹽循環的為:

1.大氣中的二氧化碳溶解在雨水中,形成碳酸落到了地表。
2.長期下來,這種弱酸的風化作用溶解了矽酸鹽岩石,溶解的​​產物被帶往海洋累積。
3.海底的隱沒帶將​​產物拉進地底深處,在這裡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中。

理想情況下,碳酸鹽-矽酸鹽循環是一種負回饋效應,可作為行星的恆溫系統。如果海水結冰,矽酸鹽的風化會變慢,大氣中的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快,從大氣中清除二氧化碳並冷卻行星。

當然這種循環只能應對非常緩慢的外部影響(如恆星逐漸變暗),因此這並不能解決地球上化石燃料排放引起的全球暖化。但在考慮系外行星的適居性時,它是一個重要的評估方式。

美國夕法尼亞州立大學的本傑明·海沃斯(Benjamin Hayworth)和布拉福·弗利(Bradford Foley)分析了無機碳循環如何受到行星地理的影響,在表面佈滿水的星球,是否喪失地球上的這種負回饋機制?

海沃斯和·弗利指出,大陸和海底都會經歷矽酸鹽的風化作用,並參與行星的碳酸鹽-矽酸鹽循環,且大陸和海底的風化率皆取決於行星的表面溫度和大氣中二氧化碳的累積量。

考慮不同的氣候和風化模型,他們發現在面對母恆星光度的緩慢變化下,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,和地球這樣表面分布著大陸及海洋的行星相比,完全被水覆蓋的星球的適居門檻可能比較低,它們可以容許母恆星光度比較大的漲落,更有機會演化出生物。

【圖:賓夕法尼亞州立大學;文:節錄自台北市立天文科學教育館網頁】研究全文刊登在2020年10月7日出版的《天體物理學快報》

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