北大太阳系外行星宜居性研究在PNAS发表

http://scitech.people.com.cn/n/2014/0114/c1057-24116187.html
人民网北京1月14日电（熊旭）北大物理学院大气与海洋科学系教授胡永云与其研究生杨军博士（现在芝加哥大学做博士后）关于太阳系外行星适宜生命存在的研究成果于2013年12 月30日在美国科学院院刊（PNAS）发表（Early Edition），题目为“Role of ocean heat transport in climates of tidally locked exoplanets around M-dwarf Stars”。他们的研究结果表明海洋热量输送将能够有效地改变围绕红矮星运行的宜居行星的气候环境和宜居性，并能够极大地改变太阳系外行星适宜生命存在的空间模态。这些结果对认识系外行星适宜生命存在的可能性以及未来探测适宜生命存在的行星有着极为重要的理论意义。

地球生命在宇宙中是否是唯一的？太阳系外是否存在适宜生命存在的星球？一直是人类不断思考和探索的问题。自1995年第一颗太阳系外行星被发现到2013年12月28日为止，已有1056颗系外行星被确认，其中的12 颗被认为是有可能适宜生命存在的。这12颗行星都是质量略大于地球质量的固态星球，通常被称为“超级地球”。目前，公认的适宜类似地球生命存在的最关键的条件是液态水。因此，判断一颗行星是否是适宜的条件是其表面温度是否能够保证液态水的长期存在，其表面温度应介于大约0-70 °C之间，低于0 °C，水完全被冻结；高于70 °C（不需要达到100 °C），行星将进入温室逃逸状态，其表面液态水将完全被蒸发，并最终被光解（太阳系的金星很可能在早期经历了温室逃逸，现在没有液态水）。

胡永云教授和杨军博士的研究目标是红矮星附近的宜居行星。这是因为红矮星是宇宙中数量最多的恒星（占恒星总数量的大约80%），而且，因为红矮星的辐射温度较低（3500 K左右，远低于太阳的辐射温度6000 K），其宜居行星距离其母星较近，易于被探测到。因此，人类很可能首先在红矮星附近发现宜居行星。正是由于红矮星与其宜居行星太近，它们之间强的引力导致宜居行星被潮汐锁相，也就是行星的一面永远面对红矮星（永久白天），而另一面永远背对红矮星（永久黑夜）。这与我们只能看到月亮的一面而看不到其另一面是同样的道理。这一行星与其恒星之间特殊的运行方式势必造成行星的朝阳面和背阳面之间的加热不均匀，由此而产生的一个严重的问题是，尽管行星的朝阳面温度适于液态水存在，但其背阳面由于得不到恒星辐射而极端寒冷，以至于所有的大气和水分有可能都被冻结在背阳面，从而不适宜生命存在。

这可真是一个可喜可贺的好消息，中国人的重大发现研究得到国际承认和重视。好事啊！

                               
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图：上面两图是数值模式模拟的静止海洋条件下的海冰覆盖率（左）和温度分布（右）。下面两图是模拟的动态海洋条件下的海冰覆盖率和温度分布。左图中的蓝色表示开放海域，白色表示冰封海域。右图的彩色标尺单位是°C。恒星的直射点在图的中心。

针对这一问题，胡永云教授和杨军博士首次强调了海洋热量输送对锁相行星气候的影响。他们假定“超级地球”是一个“水世界”，该假设是基于目前对超级地球的理论认识，一个行星的质量愈大，其所包含的水分愈多，而且由于超级地球重力较大，山峰较低，因此，行星表面完全被海洋所覆盖。在此之前，所有对系外行星宜居性的研究都没有关注海洋的气候效应，但根据地球气候系统的知识，海洋热量输送对地球气候的重要性与大气热量输送同等重要。他们使用海-气耦合气候模式进行了两种不同的数值模拟试验：（1）静止的海洋，没有海洋热量输送；（2）流动的海洋，考虑了海洋热量输送、海冰运动以及海冰-反照率反馈等物理和动力过程。如图所示，在静止海洋情况下，行星朝阳面只有部分区域存在液态水（蓝色），其它区域均为海冰所覆盖（白色），背阳面地表温度在-70 °C以下。相反，如果考虑海洋流动（下面两图），开放海域不再是圆形，而是类似于“龙虾”状，两只“钳子”对称地位于赤道两侧，长长的“尾巴”一直延伸到背阳面。当CO2浓度足够高时，全球温度都高于0 °C，背阳面的海冰也能够全部融化。

这些结果表明：考虑了大气和海洋自朝阳面向背阳面输送热量，不仅大气层不会在背阳面坍塌，水也不会在背阳面冻结。相反，海洋热量输送能够有效地加热背阳面，不仅扩大了开放海域的面积（但背阳面因无光合作用仍不适宜生命长期存在），而且还极大地改变了宜居行星的气候空间模态。他们还进一步指出，如果红矮星附近的超级地球确实是一个海洋世界，那么只有位于红矮星附近相对狭窄的范围内才是宜居的。如果距离其母星太近，海洋热量输送将使其易于进入温室逃逸状态；如果太远，将很容易进入全冰封状态。换句话说，海洋的存在将使得传统上认为的红矮星周围的宜居带变窄。他们的研究不仅仅集中在海洋热量输送，还考虑了洋流、海冰运动以及海冰-反照率与恒星辐射之间的反馈作用对宜居行星气候的影响。图2所给出的气候空间模态将有助于识别系外行星是否是宜居的。虽然目前的观测技术还无法做到这一点，但计划中的太空望远镜将很有希望达到这一目标。

NICE
有全文就更好了

给红矮星宜居性提高了可能

国内只能用人家的观测数据绞尽脑汁从边边角的研究方向里面找点思路，实在是要到改变这种状态的时候了。
我们国家的系外行星研究论文只占全球系外行星研究论文的万分之一不到...
不过还是要鼓励下，毕竟国内还有人在关注这方面的事情。

索理客 发表于 2014-1-18 10:16
国内只能用人家的观测数据绞尽脑汁从边边角的研究方向里面找点思路，实在是要到改变这种状态的时候了。
我 ...

这个也不能这么说。
第一，由于近年来发现了大量的系外行星，现在发现系外行星已经渐渐不是系外行星领域的主要焦点了。而恰恰因为发现数量太多，很多样本在早先来不及仔细研究，因此对单个的系外行星进行仔细研究渐趋主流。
第二，目前由国家天文台牵头的STEP项目正在准备立项，这个项目目的是发射空间望远镜，通过观测恒星位置的微小变动来搜索可能存在智慧生命的系外行星。一旦付诸实现将会是地外行星搜索的一个新的利器
第三，全球系外行星恐怕想凑一万篇论文还不是很容易。目前来看arxiv上大概每天1-2篇exoplanet的文章，万分之一太夸张了，国内还是有不少人在做的。而且，由于目前系外行星研究的方向逐渐趋于行星科学，而国内的行星科学领域就呵呵了。。。包括这篇文章也基本上不是北大天文系的老师做的，而是大气和海洋科学系的系主任胡永云老师的团队做的，基本上是气象模拟，算行星科学多一点，做天文的肯定不如做气象的顺手
第四，中国的科研投入也就近几年经济危机下才刚刚让国外同行觉得不错。而相比于欧美几十年的设备积淀，在拼设备和技术的领域还是差着一大截

应该说，大气环流和海洋环流一样重要。当然，要模拟一个像地球这样的环境，有大洋还有大陆的，就更麻烦得多。

红矮星的寿命当然极长，但是它的发光不稳定是个巨大问题。太阳的重要一点就是发光极为稳定，增涨是极为缓慢的。

gohomeman1 发表于 2014-2-2 01:09
应该说，大气环流和海洋环流一样重要。当然，要模拟一个像地球这样的环境，有大洋还有大陆的，就更麻烦得多 ...

大陆和海洋的位置分布都会对气候产生相当的影响

yugang 发表于 2014-2-1 21:55
这个也不能这么说。
第一，由于近年来发现了大量的系外行星，现在发现系外行星已经渐渐不是系外行星领域 ...

我所知道的arxiv上来源于国内的研究系外行星的论文篇数不超过8篇，屈指可数，如果改称五百分之一还是不为过的。

还有南极DOME A的那几个观测项目已经好多年了，我从来没有看到一篇成果出来过。凌星法很难吗？用几个佳能镜头都可以搞定。
还是那句话，国外很多大学团队在大草原上架个活动板房都能发现几个系外行星，而我们在DOME A做了些神马？

不过，不可否认国内天文学正在得到政府的更多关注，我知道习总是很关心的。
比如和智利开展天文合作，我们国家现在的最大优势就是有钱，不过这些探测技术和手段还是要长期积累的。
这也是NASA不愿与中国国人分享探测经验的原因，因为道路是曲折的。

索理客 发表于 2014-2-2 10:09
我所知道的arxiv上来源于国内的研究系外行星的论文篇数不超过8篇，屈指可数，如果改称五百分之一还是不为 ...

实话实说，如果对于系外行星的研究只算搜寻系外行星或对已知系外行星案例的分析，且是纯粹的中国团队和纯粹的中国设备的话，那么确实很难找到8篇，当然，这种划法无论对于是不是中国做的，还是是不是系外行星都太狭窄了。如果算上受雇于中国科研院所的国外天文学家以及国际项目的话这个就多了。比如北大的KIAA就有三拨人在做系外行星，当然不是全部精力放在这上面，有做理论的，有做观测的。如果算上以前Doug Lin的话那就是4拨人了。
所以我觉得你这个1/500的比例还是低了很多。
另外有关CSTAR那摊事。我跟他们做exoplanet的那部分还算是有过一点交集。至少我知道的有一片文章已经到了最后的阶段，马上就发了，之前是什么情况我就不清楚了。要说CSTAR确实对于搜索地外行星有他的优势，但是毕竟是一个试验望远镜，包括Reduction啊什么的跟普通地基望远镜比还是遇到了一些麻烦。
我个人觉得，发现系外行星比如说国外那种小项目做的transit，现在真是多如牛毛，投入也不高。现在真是多一个也不多少一个也不少的状态。现在去拼样本数量真心过气了，要么想办法提高观测精度，逼近易居带类地行星；要么把已经发现的那一对和Kepler那么多Candidates挨个好好分析一下，发现一些有趣的事情；要么完善形成理论，解决现在观测上的很多困惑。我觉得这方面国内还是有不少人在做的，也发过不少文章。

宇宙中不存在和地球大小环境适合地球人类居住的一模一样的行星，这是首先最重要的一点。从我们拍摄观测到的N多的星系N千亿个亮晶晶的恒星也没有找到两个一模一样的太阳上看，两个一样的地球也是同样不存在。好像人类出现的时候最初的地球不是现在这个样子的。

其次，距离最近的目前假想的目的行星也都是以光年计算距离的，没有超光速的宇宙飞行地球人类的星际移民是不用想的了。现在到达38万公里之外都是比较困难的。

再有，中国人移民了美国人会吃醋，韩国人会来抢功，单单美国人移民了地球人类也都不会高兴，这是国家政治和民族的问题，这个问题是很重要的，解决的办法只有一个，呵呵，马克思恩格斯说过了，照做就行了。

回到第一点，没有和地球环境一模一样的行星也有解决的办法，呵呵，这个问题简单到极点又是复杂到极点，不能说，说出来会有极端出现，说简单么，不会有人相信，说复杂么，正在进行时的高科技。

不过，不管咋样，目前所研究的星际移民如果不首先找到地球人类是从何而来为何出现在地球上以及地球人类未来的方向是什么这个一系列问题的话，目前一切研究只能说走错了方向，白干，地球上的不管博士后硕士后还是皇太后都是在浪费时间。



别气馁，说这些，只想告诉大家，解决的方法有，不是没有，不讲主义，马克思恩格斯阐述过一段话，很重要的一段话。呵呵，上中学的时候我们都学过。我就记住那个了，其他的主义啥的我都忘记了。

看星空，其实星空啥都告诉我们地球人类了，70亿地球人类，呵呵，一个仙女座大星云就有4000亿个恒星，那片星云中N多个星球的70亿智慧生命也像我们这样盯着星空寻找他们自己的未来呢。NN多的大星云中都有着同样的思想。

七色银河 发表于 2014-2-3 01:45
宇宙中不存在和地球大小环境适合地球人类居住的一模一样的行星，这是首先最重要的一点。从我们拍摄观测到的 ...

放眼望去全是呵呵

yugang 发表于 2014-2-3 00:03
实话实说，如果对于系外行星的研究只算搜寻系外行星或对已知系外行星案例的分析，且是纯粹的中国团队和纯 ...

我觉得行星的形成机制是重中之重。
比如：在太阳系，为什么水金地火是一溜的类地行星？连小行星带上大大小小都是岩质外露的？(姑且称之为裸妆行星)
为什么木星以外是一溜的气体行星？(姑且称之为彩妆行星)
为什么木星以外一溜的气体行星都带着些草帽一样的环带？

别的恒星系统上面的裸妆行星和彩妆行星是不是分得这么清？
与太阳稍有差别的恒星系上裸妆行星与彩妆行星是怎样划地界的？

为什么红矮星系统上的行星都跑到0.0xAu了，还是超巨型热木星？(姑且称之为重妆行星)
小小的红矮星系统上到底有没有裸妆行星？
如果有，红矮星系统上的裸妆行星和彩妆/重妆行星是怎样划地界的？

一句话，什么样的恒星/在怎么样的位置/会形成哪类型的行星？！
搞清楚这一点，找宜居裸妆行星就不会那么废时废事了。

gliese581 发表于 2014-2-2 06:18
大陆和海洋的位置分布都会对气候产生相当的影响

红矮星近身处的超巨热木星，以木星为例：
大气层厚近千公里，液化气海洋深上万公里，把高温高压下的金属化氢当陆地(地壳和地幔)，
不能把地球物理的大陆和海洋理论搬上去吧？！

yugang 发表于 2014-2-1 21:55
这个也不能这么说。
第一，由于近年来发现了大量的系外行星，现在发现系外行星已经渐渐不是系外行星领域 ...

用地球物理的气象、海洋理论往热木星套，也是太呵呵呵了吧?

SamuelHan 发表于 2014-2-8 02:05
红矮星近身处的超巨热木星，以木星为例：
大气层厚近千公里，液化气海洋深上万公里，把高温高压下的金属 ...

自己看原文,人家研究的对象明明是红矮星附近的类地行星

gliese581 发表于 2014-2-9 06:22
自己看原文,人家研究的对象明明是红矮星附近的类地行星

你粉的“人家”(简称人家1)只不过和你我这些“民科”一样，拿着另外一些“人家”(简称人家2)——国外拿着cannonEOS的民科玩家的数据丫丫。
只不过你粉的“人家1”们丫完了可以拿纳税人的钱做报酬，而你我丫完了已后还要自已挣钱过话。
如果你也是拿报酬的话，那就失敬了。

言归正传，越小的红矮星越不可能形成类地行星！

SamuelHan 发表于 2014-2-8 01:52
我觉得行星的形成机制是重中之重。
比如：在太阳系，为什么水金地火是一溜的类地行星？连小行星带上大大 ...

形成红矮星的星云物质一定比形成太阳的要小，红矮星第一次引发核火的辐射波也只能将气体和尘埃推出到很小的范围外。

因此，红矮星的行星系会比太阳系小得多，木星的卫星系统不也是如此吗？最小的红矮星不比木星大多少的。
另外热木星问题不是红矮星系统的特殊属性，各种类型的恒星都有热木星，一般认为这些热木星都是在远轨道形成后逐步内迁到极近轨道上的。
最后提醒，纯粹是爱好讨论，请不要说不合时宜的话！

索理客 发表于 2014-2-9 11:17
形成红矮星的星云物质一定比形成太阳的要小，红矮星第一次引发核火的辐射波也只能将气体和尘埃推出到很小 ...

很对不起，那一贴确实用语不当，
以后会注意不使用那些有歧义性的简略音译用语，
也不使用那些有负面感情色彩的描述，
谢谢提醒。

言归正传
行星在恒星系里面的迁移，
不论是类地行星还是类木行星的迁移，
不论是内迁还是外移，
不论是改变轨道倾角、长轴指向还是扁心率，
我比较相信的是有具体物理机制的理论，而不是名家假说。

大型行星清除轨道区域残余物质，
包括吸纳在轨道近日点附近的外侧物质（运行比行星快，行星吸纳此类物质会加速升轨，外迁），以及吸纳在轨道远日点附近的内侧物质（运行比行星慢，行星吸纳此类物质会减速降轨，内移），这两种情况（除非在恒星系的最内层和最外层）机会均等，总体上不会造成恒星的内迁外移；
另外，行星吸纳大倾角运行的轨道区域残余物质，各个方向的机会也是均等的，总体上也不会改变轨道倾角、长轴指向和扁心率。

能改变行星轨道的，只有恒星原始星云吸积盘气体尘埃的长期作用，
这个作用是微小的，但却是长期的，会延续到行星把吸积盘气体尘埃完全吸纳，或恒星风将吸积盘气体尘埃完全吹除到远处，
......

地热的传播呢？
潮汐锁定后，背面的永久冻土层更厚，温度更低；而正面地壳很可能很薄；总的情况是地心最热点可能不在星球中心！
因为地热分布不均匀，地幔会有和大气和海洋环流类似的地幔环流，这个地幔环流会造成恐怖的地壳运动！地狱一样的地震频发区！

而且这个“研究”有点哗从取宠，根本不用那个美式的等温图，一个展开截面图就可以把大气、海洋和地下情况表现出来了：

这个情况下还要找“宜居”，我是中国人，反正我就觉得不好意思了！