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北京大学太阳系外行星宜居性研究取得新进展

  • 时间:2014-12-18 13:54
  • 来源:未知
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  北京大学物理学院大气与海洋科学系胡永云教授与其芝加哥大学和普林斯顿大学的合作者在太阳系外行星气候和宜居性方面的研究取得新进展。他们的论文已发表在arXiv(http://arxiv.org/pdf/1411.0540v1.pdf),并被《天体物理通讯》(The Astrophysics Journal Letter)接收,题目为“Water trapping on tidally locked terrestrial planets requires special conditions”。他们的研究结果表明水几乎不可能被完全冻结在潮汐锁相行星的背阳面,该结果对确认系潮汐锁相行星的气候、宜居性和探测适宜生命存在的行星有着极为重要的意义。

  胡永云教授等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(占宇宙恒星总数量的大约80%),而且红矮星的宜居行星距离其母星较近,易于被探测到。因此,宜居行星很可能首先在红矮星附近被发现。这类宜居行星的特征是它们被引力锁相,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)。这类行星的特殊运行方式势必造成其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问题是,尽管它们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都被冻结在背阳面,从而不适宜生命存在。

  图:数值模拟结果表明,背阳面陆地冰盖的最大厚度只有大约2000米。图右侧彩色标尺的单位是米,箭头长度表示陆地冰盖每年移动的速度,背星点在图中央,图两端为恒星直射点。

  胡永云教授先前的研究结果已表明,对于一个海洋世界的行星来说,大气和海洋自朝阳面向背阳面输送的热量,足以温暖背阳面,不仅大气层不会在背阳面冻结,水分也不会在背阳面冻结。在本项研究中,他们考虑了在陆地存在的情况下液态水是否完全被冻结在背阳面。假定背阳面完全是陆地,而朝阳面完全是海洋,他们使用海-气耦合气候模式和冰川模式给出了背阳面陆地上的冰川厚度,如图所示,陆地最大冰盖厚度只有大约2公里。如果朝阳面海洋深度与地球海洋的平均深度相当(4公里),那么,朝阳面仍将有2公里深的海洋,足以维持生命的存在。与此相反的情况是,如果朝阳面完全是陆地,而背阳面是海洋,则背阳面的海洋才有可能完全被冻结。考虑到陆地板块是运动的(如地球),其它类地行星的大陆也应该是不断运动的,陆地永久性地集中在朝阳面的可能性极低。因此,液态水完全被冻结在背阳面的情况是很难发生的。

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