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地球是独一无二的吗?

2022年9月25日7:50 未解之谜网

    位置!位置!位置是好莱坞电影成功的秘诀,是卖出房地产的要件,也是生命散布宇宙的关键。

    宇宙中有许多地区明显不适合生物生存,只有少数地方可能成为生命赖以存活的绿洲。空旷的太空、恒星的核心、严冻的气体云和气体行星如木星的“表面”,必定都没有生命。我们无法明确掌握生命生存的环境限制,但观察地球生命的所需条件得以让人类有所根据,预测宇宙何处可能会有生命。此外,我们也明白自己怀有偏见,身为地球的居民会以地球的角度来看全宇宙,认为地球似乎是个近乎完美的栖息地。

    的确,地球的位置是生命出现的最基本条件之一,地球与太阳之间的距离看起来十分理想。任何行星系统中,与恒星有段间隔之处,都有可能出现类似地球现状的地表环境。所谓“适居区”,意指行星系统中的一个区域,在那里可能找到如地球般生物可以居住的行星;要决定何地为适居区,也就是天体生物学家所说的HZ,首先要看的就是该地和恒星间的距离是否恰当。适居区的观念自创始以来一直广为大家所接受,而且曾是数场重要科学会议的主题,其中一场就是大师沙根在退休前不久亲自举办的。

    适居区的特点为:在此区域中,来自中央恒星的热能维持行星的表面温度,让液态海洋不致完全冻结,也不会沸腾蒸发。适居区的实际宽度取决于我们的判定,端看行星到底要与地球多么相似,我们才会认定这颗行星是适居的。地球人快乐地生活在近理想的气候条件中,觉得在极端条件中,诸如没有海洋或行星被冰封的情况下,生命似乎绝不可能存活;但若地球稍微靠近或稍微远离太阳一点,上述极端情况就会出现。居住在适居区或行星的“宜人地区”中,有如在寒冷夜晚身处营火旁;试想:在阿拉斯加的育空地区待上一晚,当温度约摄氏零下七十三度时,你身旁有烧得很旺盛的营火,若睡得太近会着火,但太远又会冻僵。

    天文学家在一九六○年代开始讨论适居区的概念,当时认为适居区的范围是依外围的低温和内缘的高温来决定。我们在太空中最近的邻居提供了鲜明的例子,显示若行星接近适居区、但非位于其中会有何遭遇;行星若比适居区还接近太阳,会变得太热,金星就是一例。金星的表面热到几乎通红,如果上面曾有海洋早就已经蒸发,完全消散在太空中。

    适居区外,温度太低;如火星,自地表一直到向下数公里的深处都是结冻的。如果地球往适居区外围移动,或太阳释放的能量减少,地球的大气温度就会降低,全球因此而冰封,然后二氧化碳凝结成“干冰”微粒组成的反射云,最后在极冠固结。

    在一九七八年,天体物理学家哈特进行精密计算后得出令人惊异的结论,内容包括一项现在众所周知的事实,亦即随着时间流逝,太阳会变得愈来愈亮;大约四十亿年前的太阳比现在暗约百分之三十。太阳变亮,适居区的范围就会向外移,因此地球会愈来愈接近适居区内缘。在太阳系存在期间,地球自现在所在位置至离开适居区所经过的这个区域,哈特称之为继续适居区,又名CHZ。根据他的计算,若在历史中的某一刻,地球与太阳间的距离增加了百分之一,地球上就会出现失控的冰河作用;若减少了百分之五,就会发生失控的温室效应。这两种结果都是无法挽救的,一旦地球遭到冰冻或是温度急速上升变得有如热锅,都不可能有回头的机会。现在大众普遍认为,冰冻的行星可能会因中央恒星持续变亮,而变得适于居住。若地球的轨道较现在更为椭圆,转圜的余地甚至还会更小。哈特的研究结果显示,太阳四周的继续适居区惊人地窄;而在质量更小的恒星附近,甚至没有继续适居区。这意味着行星要拥有和地球一样的海洋和生命的确很困难。

    现在一般认为哈特的继续适居区范围太过狭窄,因为他并未考量到数种效应,其中之一为后来发现的重要化学作用,也就是所谓的二氧化碳-硅酸盐循环。在地球上,此循环有如温度调节器,让地球温度保持在“健康”的范围内。平常阳光会增加地球的热度,但这种作用能维持地球表面的适居温度。二氧化碳是少量气体,只占大气的百万分之三百五十,但二氧化碳也是“温室”气体,会吸收红外线,减缓热量逸回太空的速度。若无温室效应,地球表面温度会比现在低上大约摄氏四十度。二氧化碳-硅酸盐循环(又名:二氧化碳-岩石循环)的自动调温功能是因风化作用而发生,本书稍后会详加说明。假如地球变暖,风化作用会增加,移除大气中的二氧化碳,造成地球温度下降。在地球太冷时,风化作用和二氧化碳的流失量会减少,而火山继续释放二氧化碳,导致地球暖化。这种重要的反回馈系统加宽了继续适居区的范围,但因为科学家尚未完全了解整个行星上二氧化碳-岩石循环作用的成效,所以继续适居区的疆界难以理清。利用这项新资讯,天体生物学家凯斯丁和同僚将适居区定义为“恒星周围的一段区域,其中出现似地球的行星(具同等质量),行星具有含氮、水和二氧化碳的大气,气候适宜让居住在地表、以水维生的生命生存。”在一九九三年时,他们推测继续适居区的宽度非○.九五AU,而是一.一五天文单位(AU代表地球到太阳的距离,亦即一亿五千万公里左右);这项结果比哈特的估计宽了许多,但仍十分窄小。

    在天体生物学中,适居区的观念十分重要;但位于适居区内,并非生命出现的必要条件。生命能在恒星适居区以外的地方生存。若太空船的供给、动力和设计均十分“完善”,太空人几乎能在太阳系的任一地生活,并且(在这种情况下)在宽广、空旷的宇宙中任一角落存活。另外,发现嗜极生物让科学家开始采用全新的角度来研究适居区,和短短数年前完全不同。一般定义的适居区,其实是动物的适居区,而居住在地底、只需少许化学能量和水的嗜极生物,也许能在适居区外多种环境中生存,包括行星、卫星,甚至小行星的地表下。木卫二即是个好例子;这个隶属木星的卫星可能有个地下海洋。对微生物来说,即使木卫二和传统定义之适居区相差甚远,或许仍是个好居地。

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