首頁 / 科學 / 正文

    如果金星與火星交換位置,它們是否都宜居?

    如果金星與火星交換位置,它們是否都宜居?

    美國宇航局戈達德太空研究所(NASA Goddard Institute For Space Studies)的氣候學家克里斯·科羅斯(Chris Colose)說,「當我提出這個話題時,我想知道,如果火星和金星形成在相反的位置,是否會存在兩個有生命居住的行星(地球和金星)。在火星的軌道上可以避開失控的溫室,金星大小的行星也不會像火星那樣容易地剝離大氣層。」

    如果你改變火星和金星的軌道會發生什麼?我們的太陽系會有更適合居住的星球嗎?

    這是在8月底在休斯敦舉行的「類地行星比較氣候學III」上提出的一個問題。匯集了來自包括天文學家、氣候科學、地球物理學和生物學在內的學科的科學家,以構建一幅關於太陽系及更遠地區岩石星球上環境影響的圖畫。

    有關金星和火星的問題是作為一個「思想實驗」提出來的。地球的軌道夾在金星和火星之間,金星的軌道更靠近太陽,而火星的軌道則離太陽更遠。雖然我們的鄰居都是動盪的世界,但都不是度假勝地地的首選。

    如果金星與火星交換位置,它們是否都宜居?

    火星的質量只有地球的十分之一,稀薄的大氣層正在被太陽風(從太陽流出的高能粒子流)吹散。如果沒有大量的氣體來捕獲熱量,火星表面的平均溫度為-80°F(-60°C)。值得注意的是,火星運行在傳統的宜居帶的邊界內(類似地球的行星可以維持地表水),但這顆微小的行星不能像地球在同一位置那樣調節其溫度。

    與火星不同,金星的質量與地球幾乎相同。然而,這顆行星被主要由二氧化碳組成的厚厚的大氣層所包裹。這些氣體的吸熱能力將表面溫度提高到860°F(460°C)以上。

    但是,如果我們可以改變這些行星的軌道,讓火星走上一條溫暖的軌道,金星走上一條更冷的軌道呢?我們會發現地球不再是太陽系中唯一的可居住的世界嗎?

    科羅斯說:「按照地球的標準,金星軌道上的現代火星相當溫暖。將當前的火星拖入金星軌道會增加陽光照射到這顆紅色星球上的量。由於稀薄的大氣對地表溫度影響不大,平均溫度應上升到大約90°F(32°C),類似於地球的熱帶地區。然而,火星稀薄的大氣層仍然是一個問題。」

    科羅斯指出,如果沒有更厚的大氣或海洋,熱量將無法有效地在火星周圍傳輸。這將導致極端的季節和白天夜晚之間的溫度梯度。火星稀薄的大氣產生的表面氣壓只有6毫巴,而地球則為1巴。在如此低的壓力下,水的沸點驟然下降,使所有純表面水凍結或汽化。

    火星確實有由冰凍的二氧化碳組成的冰蓋,更多的溫室氣體沉入到土壤中。在討論中,這個小世界出現了一絲希望,暗示在金星軌道較高的溫度下釋放出來,為火星提供了更厚的大氣層。

    然而,最近的研究表明,在火星上沒有足夠的被捕獲的二氧化碳來提供足夠的大氣。在「自然天文學」上發表的一篇文章中,科羅拉多大學的布魯斯·雅各斯基和北亞利桑那大學的克里斯托弗·愛德華茲估計,融化冰蓋最多能提供15毫巴的大氣。

    困在火星岩石中的二氧化碳將需要超過300攝氏度的溫度才能釋放出來,即使在金星軌道上,這一數值對火星來說也太高了。15毫巴是火星上目前大氣壓力的兩倍,超過了所謂的水的「三態點」,即允許液態水存在。然而,雅各斯基和愛德華茲指出,在乾燥的火星空氣中,蒸發會很快。然後,我們遇到了另一個問題:火星不擅長控制大氣層。

    環繞火星運行的是美國宇航局的火星大氣和揮發性演化任務(MAVEN)。來自MAVEN的數據顯示,火星的大氣層已經被太陽風吹走了。在金星的軌道上,這個問題會更加嚴重。在金星目前的位置上,由於太陽風動力壓力的增加,大氣損失會更快。

    這個「動態壓力」是太陽風粒子的密度和它們的速度的組合。火星和金星之間的速度變化不大,但金星與太陽的距離更近,使密度增加了近4.5倍。這意味着火星上的大氣層會比目前的位置更快地消失。

    科羅斯認為,變化軌道的火星只是一塊溫度更高的岩石。

    雖然火星在金星的位置似乎並沒有好到哪裡去,但是如果金星被拖向火星當前的軌道,會怎樣呢?位於宜居帶,這個地球大小的行星會冷卻成為第二個可居住的世界嗎?

    令人驚訝的是,冷卻金星可能不像減少陽光那麼簡單。金星有一個非常高的反照率,這意味着這顆行星大約反射了它接收到的輻射的75%。行星表面令人窒息的溫度並不是由於高強度的陽光,而是由於大氣層的厚度。因此,如果金星在火星較冷的位置運行,行星上的情況可能不會立即受到影響。

    如果金星與火星交換位置,它們是否都宜居?

    「金星的大氣層處於平衡狀態。」科羅拉多大學的凱文·麥克古爾德里克(Kevin McGouldrick)指出。他也是日本破曉號探測金星大氣層任務的一名科學家。「這意味着它目前的結構依賴於來自太陽的輻射。如果你改變輻射,那麼大氣最終會調整,但不太可能很快。「

    從長遠來看,金星的90巴大氣到底會發生什麼並不明顯。也許行星會慢慢冷卻到更溫和的環境。另一種情況是,隨着高層大氣變冷,這顆行星的反照率可能會下降。這將允許金星吸收更大一部分到達新軌道的輻射,並幫助維持令人窒息的表面狀況。要真正使這顆行星降溫,金星可能不得不被拖出宜居帶之外。

    東京地球生命科學研究所(ELSI)的拉美西斯·拉米雷斯說:「過了約1.3 Au,二氧化碳將開始凝結成雲,也會凝結成冰。」他專門對宜居帶的邊緣進行建模。(「Au」是一個天文單位,它是從我們的太陽到地球的距離。)

    一旦二氧化碳凝結,它就不能再充當溫室氣體並捕獲熱量。相反,冰和雲通常會反射出地表的熱量。這界定了經典可居住區的外緣,此時二氧化碳本應主要以約1.7Au冷凝出大氣。其結果應該是金星的迅速降溫。然而,這一宜居帶的外部界限是為類似地球的大氣層計算的。

    拉米雷斯說:「與地球相比,金星在大氣中還有其他活動,如硫酸雲。而且它要乾燥得多,所以二氧化碳凝結對於金星來說可能是不同的。」

    如果金星不斷地向外拖曳,即使是行星上相當可觀的熱量供應也會耗盡。如果你把金星作為一顆流氓行星拋出太陽系,它最終會冷卻下來!

    看來,僅僅改變目前金星和火星的軌道不會產生第二個適合居住的世界。但是,如果這兩個行星形成在相反的位置呢?火星不太可能有更好的表現,但是金星會不會避免形成融鉛的大氣層,成為第二個地球?

    乍一看,這似乎很有可能。如果地球被推到金星的軌道上,那麼水就會開始迅速蒸發。和二氧化碳一樣,水蒸氣也是一種溫室氣體,有助於吸收熱量。因此,在失控的循環中,地球的溫度將持續上升,直到所有的水都蒸發掉。這種「失控的溫室效應」可能是金星的歷史,解釋了它可怕的表面狀況。如果這顆行星是在宜居帶內形成的,那麼這個失控的過程就應該像地球那樣被避免。

    但小組內部的討論表明,很難保證一顆行星最終將成為可居住的星球。由此產生的一個例子是行星地殼。金星的地殼是一個連續的蓋子,而不是地球上的一系列碎裂的板塊。我們的板塊允許一種被稱為板塊構造的過程,即營養物質通過地球表面和地幔循環以幫助維持生命。然而,現在還不清楚為什麼地球形成了這樣的方式,但金星沒有。

    有一種理論認為金星地殼癒合的速度很快,阻止了分離板塊的形成。然而,德克薩斯大學的馬特·韋勒(Matt Weller)的研究表明,板塊構造的形成可能主要是運氣使然。小的、隨機的波動可能會使兩個原本相同的行星沿着不同的進化道路前進,其中一個是正在形成的板塊構造,另一個則處於停滯狀態。如果是這樣的話,即使是在完全相同的位置上形成行星,也可能會形成一個無構造的行星。

    具有以青色線表示的構造板塊邊界的旋轉球體。金星較溫暖的軌道可能縮短了板塊構造發展的時間,但是將行星移動到火星的軌道並不能保證有營養物質移動的地殼。

    如果金星與火星交換位置,它們是否都宜居?

    具有以藍色線表示的構造板塊邊界的地球

    然而,板塊構造是否確實是宜居性所必需的,也還不得而知。有人指出,火星和金星都顯示出過去火山活動的跡象,這可能足以在適當的條件下形成一個可居住的表面。

    當然,移動行星的軌道超出了我們的技術能力。還有其他一些技術可以嘗試,比如人為地保護火星大氣不受太陽風的影響。

    相關推薦