冰星体的气候演变:从冰雪世界到失控的温室

【作者】 杨军； 丁峰； Ramses M.Ramirez； W.R.Peltier； 胡永云； 刘永岗；

【机构】 北京大学,物理学院,大气与海洋科学系； 芝加哥大学,地球物理科学系； 康奈尔大学,天文系； 多伦多大学,物理系；

【摘要】 寻找可能宜居的太阳系外行星或卫星是当前和未来空间科学的重大目标之一。行星的宜居性不仅取决于当前的恒星辐射强度和行星大气成分,而且取决于行星的演化历史。前人的研究大多假定当恒星不断变亮时,表面的冰融化成水,冰行星和冰卫星从冰雪世界进入宜居的温和世界。然而,我们发现这种假定不适合大气中含有低浓度温室气体(如CO2)的星体,比如Europa、Enceladus、以及围绕在G类恒星和F类恒星周围的冰行星和冰卫星。使用三维全球大气环流模式模拟研究,我们发现冰雪世界的融化需要很高水平的恒星辐射,这主要是由于地表冰和雪的反照率很高。当冰雪融化后,这类星球将直接跳入湿温室状态或失控的温室状态(moist greenhouse or runaway greenhouse,见下图1);在该气候态下,由于很低的地表反照率和很强的水汽反馈,地表温度迅速达到340 K或更高;海洋中的水快速进入到大气中,并使得平流层及其上层变得很湿润;接着,水汽被紫外线光解,光解后的氢原子快速逃逸出大气层;海洋不断失去水,最终整个星球因此变得不宜居。这种剧烈的气候演变,以及演变后的"桑拿"温室状态对生命的生存及其演变都是非常严峻的考验。更多还原