王家驥

大氣層營造宜居環(huán)境

任何一顆有生命的行星都必須位于恒星周圍一條狹窄的帶狀區(qū)域之內(nèi)，這個(gè)帶狀區(qū)域被稱為“宜居帶”。在一個(gè)行星系統(tǒng)中，宜居帶邊界的確切位置取決于恒星的質(zhì)量和年齡，這兩個(gè)因素決定了恒星會(huì)輻射出多少光和熱。

地球無疑是太陽系中最適宜居住的星球，對人類來說就是“完美世界”。但是，僅僅依據(jù)地球在太陽系內(nèi)的位置來推算，地球表面的平均溫度應(yīng)該在冰點(diǎn)以下。而拯救地球的則是它的大氣層，大氣層里含有一定數(shù)量的二氧化碳和水蒸氣，能夠起到保持熱量的作用。這樣的大氣層被看作是一種伴隨著石質(zhì)行星形成的通常應(yīng)該發(fā)生的結(jié)果。然而，如果大氣層太厚或太薄，或者化學(xué)成分有所不同，那么地球可能會(huì)立即變得不像現(xiàn)在這樣適合生物生存。

我們的鄰居金星就是一個(gè)例子。金星在一開始的時(shí)候似乎是宜居的，它具有與地球相類似的海洋和大氣?？墒?，它距離太陽太近，很快這一塊福地就變成了一座烤爐。大洋中的水開始沸騰，成為水蒸氣，進(jìn)入到大氣層中，而水的保暖性使得溫度進(jìn)一步升高。結(jié)果，在它的外殼巖層中的二氧化碳全被烘烤了出來，進(jìn)入大氣中，導(dǎo)致溫室效應(yīng)失控，毀滅了這顆行星上剛產(chǎn)生的原生物。今天，在幾乎完全由二氧化碳組成的大氣層的籠罩下，金星的表面溫度大約是460℃，甚至比錫、鉛和鋅的熔點(diǎn)還要高。

人類將面臨生存挑戰(zhàn)

令人遺憾的是，人類正在不斷破壞著保護(hù)我們的大氣層。最新的研究給我們帶來了一個(gè)壞消息，地球可能已經(jīng)徘徊在太陽系宜居帶的邊緣，人類將面臨空前的生存挑戰(zhàn)。

1993年，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的地學(xué)家詹姆斯·卡斯汀決定要更精確地確定宜居帶的邊界位置。他和同事研究了落在一顆理想化的地球上的陽光強(qiáng)度和波長的變化是怎樣影響地球的大氣和表面溫度的。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果地球從現(xiàn)在距離太陽1天文單位（在天文學(xué)中把目前的日地平均距離稱為天文單位距離）的地方向內(nèi)移動(dòng)到0.95天文單位的位置，陽光強(qiáng)度會(huì)提高10%，導(dǎo)致地表溫度上升，使水蒸發(fā)升騰到大氣中，并經(jīng)過大氣層耗散到外層空間。在幾千萬年到幾億年的時(shí)間里，這樣一種“潮濕溫室效應(yīng)”將會(huì)完全耗干地球上的水，當(dāng)然一切生物都將滅絕。

卡斯汀還發(fā)現(xiàn)，宜居帶的外邊界位于距離太陽大約1.67天文單位的地方，略微超過了火星的軌道。在這一位置的溫度已下降到足以造成永久的全球性冰凍。因此，地球并非位于宜居帶的中央，而是明顯偏向它的內(nèi)邊緣?？ㄋ雇「鶕?jù)研究結(jié)果，勾勒出不同大小和光度的各種各樣恒星周圍宜居帶的內(nèi)、外邊界。

2013年初，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員拉維·考帕拉普與卡斯汀一起，對上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了改進(jìn)。根據(jù)新的計(jì)算結(jié)果，太陽系宜居帶的內(nèi)邊界從0.95天文單位向外移到了0.99天文單位的地方。換句話說，地球距離太陽只要再靠近1%，或是宜居帶再向外移動(dòng)0.01天文單位就會(huì)產(chǎn)生“潮濕溫室效應(yīng)”。

一起捍衛(wèi)宜居的地球

對于保持地球的宜居性而言，最大的不確定因素是人類自身。目前，大氣中的二氧化碳含量已經(jīng)從工業(yè)革命前的百萬分之二十八，上升到了百萬分之四百以上。聯(lián)合國政府氣候變化專門委員會(huì)在2007年發(fā)布的報(bào)告中指出，二氧化碳增加可能導(dǎo)致全球氣溫上升3℃。

與金星的命運(yùn)相比，這聽起來無關(guān)緊要。但是，如果人們不遏制二氧化碳排放，使溫度繼續(xù)上升，地球?qū)⒚媾R和把地球的軌道向內(nèi)側(cè)移動(dòng)了1%一樣的結(jié)局——移出宜居帶，最終步金星的后塵。

當(dāng)然，也有很多研究認(rèn)為，這樣的情況幾乎不可能出現(xiàn)。他們認(rèn)為，即使我們燒掉了地球上能夠開采出來的大多數(shù)化石燃料，也只是令大氣中的二氧化碳增長8～16倍，最壞的結(jié)果也不過是出現(xiàn)“適度的潮濕溫室效應(yīng)”。

不過，加拿大地球化學(xué)家科林·戈?duì)柕虏祭匮芯堪l(fā)現(xiàn)，如果地球今天的大氣進(jìn)入了一種非常熱且潮濕的溫室狀態(tài)，那么超量的水蒸氣將會(huì)吸收更多的紅外線。這可能會(huì)減少云層和冰層的覆蓋，進(jìn)一步增加熱量的吸收，仍有可能觸發(fā)“失控的溫室效應(yīng)”。

那么，地球的宜居環(huán)境到底能夠維持多久呢？各種各樣的研究不能減少我們的憂慮，但是每個(gè)人的實(shí)際行動(dòng)會(huì)讓那一天晚一點(diǎn)到來。