地球已經生活了數十億年-我們到底有多幸運?

地球已經生活了數十億年-我們到底有多幸運? Xtock /快門

經歷了進化 3或4億年 產生 智人(Homo sapiens)。 如果那段時間氣候只完全失敗了一次,那麼進化將停滯不前,我們現在就不在這裡。 因此,要了解我們如何在地球上生存,我們需要知道地球如何成功地維持生命數十億年。

這不是一個小問題。 當前的全球變暖向我們表明,即使在幾個世紀的過程中,氣候也可能發生巨大變化。 在地質時間尺度上,更容易改變氣候。 計算表明,僅幾百萬年,地球氣候就有可能惡化到低於冰點或高於沸點的溫度。

我們也知道,自從生命進化以來,太陽的發光能力提高了30%。 從理論上講,這應該已經使海洋沸騰了,因為它們不是 通常 凍結在地球早期–這就是所謂的“淡淡的年輕太陽悖論”。 但是,以某種方式解決了這個可居住性難題。

科學家提出了兩種主要理論。 首先是地球可能具有恆溫器之類的東西-一種或多種反饋機制,可以防止氣候漂移到致命溫度。

第二個是,在眾多行星中,也許有些只是靠運氣才能實現的,而地球就是其中之一。 近幾十年來,太陽係以外的許多行星的發現使第二種情況變得更加合理。 系外行星。 天文學家對遙遠恆星的觀察告訴我們,許多行星都有圍繞它們運行的行星,而且有些行星的大小,密度和軌道距離使得理論上適合生活的溫度是可能的。 據估計至少有 2億個這樣的候選行星 僅在我們的銀河系中。

地球已經生活了數十億年-我們到底有多幸運? 系外行星有很多……但是有多少個氣候穩定? Jurik Peter / Shutterstock

科學家們很樂意前往這些系外行星,以調查它們是否與地球數十億年的氣候穩定相匹配。 但是,即使是最近的系外行星,那些繞恆星運行的行星 半人馬,距離我們不到四光年。 觀察或實驗證據很難獲得。


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相反,我通過建模探索了相同的問題。 首先,我使用計算機程序來模擬一般行星(不僅是地球)上的氣候演變, 產生了100,000個行星,每個都有一組隨機不同的氣候反饋。 氣候反饋是可以放大或減少氣候變化的過程,例如,北極的海冰融化,用吸收陽光的公海代替反射陽光的冰,反過來又導致更多的變暖和融化。

為了調查這些巨大的行星在巨大的(地質)時間尺度上保持可居住性的可能性,我進行了100次模擬。 每次行星從不同的初始溫度開始,並受到隨機不同的一組氣候事件的影響。 這些事件代表氣候變化因素,例如超級火山爆發(例如 皮納圖博火山 但更大得多)和小行星撞擊(例如殺死恐龍的撞擊)。 在每100次運行中,都會跟踪行星的溫度,直到溫度變得太高或太低或存活了3億年為止,這時它被認為是智能生命的可能坩堝。

地球已經生活了數十億年-我們到底有多幸運? 改變氣候:1991年菲律賓的皮納圖博火山爆發,向大氣中吹入大量灰燼,全球氣溫暫時下降了0.6˚C。 SRA Blaze Lipowski / Picryl

仿真結果至少在反饋和運氣的重要性方面,為該可居住性問題提供了明確的答案。 幾乎沒有行星(實際上只有十萬分之一)具有如此強大的穩定反饋,以至於不管隨機的氣候事件如何,它都能保持100,000次可居住。 實際上,大多數居住至少一次的行星,做不到100的十分之一。在模擬中的幾乎每一個情況下,當行星保持宜居100億年的時候,運氣就一定程度上取決於它。 同時,運氣本身不足以證明。 經過專門設計的行星完全沒有反饋,也從未適合居住。 受氣候事件影響而隨意散步的路線從來沒有持續過。

地球已經生活了數十億年-我們到底有多幸運? 模擬中的重複運行並不完全相同:隨機生成了1,000個不同的行星,每個行星運行兩次。 (a)第一次運行的結果,(b)二次運行的結果。 綠色圓圈表示成功(可持續居住3億年),黑色圓圈表示失敗。 托比·泰瑞爾, 作者提供

總體結果是可靠的,其結果部分取決於反饋,部分取決於運氣。 建模的各種更改都沒有影響它。 因此,地球必須擁有一些穩定氣候的反饋,但與此同時 還必須參與其中以使其保持可居住性。 例如,如果小行星或太陽耀斑比它稍大,或者發生在稍有不同(更關鍵)的時間,那麼今天我們可能不在地球上。 對於為什麼我們能夠回顧地球上引人注目的,極大擴展的生命歷史的演變和多樣化,以及使其變得更加複雜到它引起我們的觀點,它給出了不同的看法。談話

Toby Tyrrell教授討論了他的研究。

關於作者

地球系統科學教授Toby Tyrrell, 英國南安普敦大學

本文重新發表 談話 根據知識共享許可。 閱讀 原創文章.


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