太陽系外行星冰凍圈

1995?年，第一顆圍繞類太陽恒星公轉(zhuǎn)的太陽系外行星（簡稱“系外行星”）被確認。這是一個劃時代的事件，其發(fā)現(xiàn)者?Michel Mayor?和?Didier Queloz?獲得了?2019?年的諾貝爾物理學獎。在?1995?年之后，每年累計確認的系外行星數(shù)目呈指數(shù)增加，目前已經(jīng)確認了?4?000?多顆系外行星。其中，有?10—20?顆可能是宜居行星。一顆行星是否宜居取決于諸多條件，如地表水、恒星輻射、行星軌道、大氣成分、臭氧層、板塊構(gòu)造、磁場等，但液態(tài)水是生命存在的首要條件。行星的地表是否能夠長期維持液態(tài)水的存在，主要取決于地表溫度。如果一顆行星上的水常年都以固態(tài)的形式存在，完全被凍結(jié)，那么這類行星肯定是不宜居的。

在系外行星中，最有可能出現(xiàn)冰凍圈的是圍繞著紅矮星公轉(zhuǎn)的行星。紅矮星質(zhì)量較小、大約只有太陽的?7.5%—60%，其輻射溫度較低，大約在?2?300—3?800?K。相對而言，太陽的表面溫度是?5?800?K。因為紅矮星的質(zhì)量較小，其核聚變反應速率比太陽的慢很多，其壽命也較類太陽恒星要長很多，所以銀河系中?80%?以上的恒星是紅矮星，而類太陽恒星或質(zhì)量更大的恒星數(shù)量很少。目前，已發(fā)現(xiàn)的大部分系外行星是圍繞著紅矮星公轉(zhuǎn)的。因為紅矮星的輻射強度比太陽的小很多，所以其周圍的宜居行星與母星距離較近，受到恒星的潮汐力很大，形成潮汐鎖相。這些宜居行星的一面永遠擁有陽光，另一面永遠處于黑暗之中。月球就是被地球鎖相；因此，我們只能看到月球的一面，而無法看到月球的另一面。

潮汐鎖相行星的大氣環(huán)流與地球的非常不同。它們的大氣環(huán)流在朝陽面輻合上升，在背陽面輻合下沉，再通過邊界層回到向陽面。這種大氣環(huán)流可以將水汽和熱空氣從向陽面輸送到背陽面，同時將冷空氣從背陽面輸送到向陽面。背陽面因為永遠接收不到恒星輻射，溫度很低，海洋有可能被凍結(jié)，水汽將凝結(jié)成冰雪，沉降到地表，并形成冰蓋。因此，潮汐鎖相行星背陽面是冰凍圈的發(fā)育區(qū)。

潮汐鎖相行星背陽面冰川的厚度取決于諸多因素。首要因素是冰川底部地熱通量的強度，地熱通量越大，冰川越不容易變厚，被凍結(jié)在背陽面的水分就越少。其次，在重力作用下，背陽面冰川會發(fā)生自背陽面向朝陽面的流動，當冰川流回到朝陽面時，將被融化，形成湖泊或者海洋。如果行星的水分較少，水分很容易被凍結(jié)在背陽面，那么此類行星是不宜居的。如果行星的水分足夠多，即使部分水分被凍結(jié)在背陽面，但朝陽面仍將保留海洋，因此將是宜居的。海洋環(huán)流也可以將熱量從向陽面輸送到背陽面，有效地加熱背陽面，使得背陽面冰川和海冰的厚度不至于太厚。

圖?6?是使用海-氣耦合氣候模式和冰川模式模擬的鎖相行星背陽面陸地上的冰川厚度。在該模擬試驗中，鎖相行星的地熱通量和重力加速度均與地球的相同，背陽面冰蓋厚度最大可達到?2?km，冰川移動最大速度是每年?1.0?m。以地球的海洋平均深度?4?km?為例，如果一顆鎖相行星背陽面的冰蓋厚度為?2?km，其朝陽面還應該有?2?km?深的海洋。但如果整個海洋深度較淺，則很可能朝陽面沒有液態(tài)水存在，該行星將是非宜居的。

地球早期的?2?次“冰雪地球”事件和行星冰凍圈，有?2?點需要特別強調(diào)：①在不同溫度條件下，其他星體上的水冰物理特征與地球上水冰迥然不同；在極低溫度條件下，易揮發(fā)分物質(zhì)在其他星體上也可以形成冰凍圈，這在地球上是很難想象的。由于篇幅的關(guān)系，我們并沒有詳述其中的基本物理原理。實際上，任何一種物質(zhì)的相態(tài)是溫度和壓力的函數(shù)，其中任何一個條件或兩者的共同改變，都可以產(chǎn)生不同的相態(tài)。在高溫高壓下，水變成一種超級流體。在低溫低壓下，水冰堅硬無比，可以是星體的殼層。另一個例子是，在我們通常的概念中，氫（H₂）是一種氣體，但在高壓下，H₂?具有金屬的特征，甚至可以導電。人們甚至認為，在木星的核心，由于大氣壓力非常大，H₂?具有金屬屬性。

如果把地球作為一顆行星來看待，其冰凍圈的演化歷史不僅是我們認識其他行星冰凍圈的基礎(chǔ)，也對理解地球水分的來源有重要意義。地球的水分是其形成之初就具有的，還是后期小行星帶中星體撞擊地球帶來的？目前，我們對這一根本問題還沒有答案。未來的小行星探測，尤其是氫同位素測量有可能回答這一基礎(chǔ)問題。地球歷史上?2?次“冰雪地球”事件的形成機理及相關(guān)的科學問題仍然是地球科學領(lǐng)域的一個研究熱點。這些基礎(chǔ)性問題是我們認識行星地球宜居性的根本。

行星冰凍圈豐富的多樣性將極大地加深我們對冰凍圈的理解。例如，火星兩極不僅存在水冰，還存在干冰；火星的次表層是否存在凍土和液態(tài)水是未來火星探測的目標之一。太陽系雪線之外眾多矮行星和衛(wèi)星均擁有豐富的水分，以水冰的形式存在，并構(gòu)成這些星體的殼層。除此之外，其他易揮發(fā)組分如?CH₄、N₂、CO?也以固體形式存在，形成了與地球冰凍圈完全不同的行星冰凍圈。

深空探測是行星冰凍圈研究的主要手段。未來的深空探測，也將包括對行星冰凍圈的探測。在過去的?20?年，飛往土星系統(tǒng)的“卡西尼-惠更斯號”探測器和木星系統(tǒng)的“伽利略號”探測器為我們提供了許多關(guān)于冰衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)?！靶攀固枴碧綔y器對水星的觀測、“新視野號”探測器對冥王星及其衛(wèi)星的觀測、“黎明號”探測器對谷神星的觀測，以及“羅塞塔號”探測器對“菲萊”彗星的探測，為研究太陽系冰凍圈提供了寶貴數(shù)據(jù)。我國的“嫦娥”系列探月衛(wèi)星對月球的探測，也極大地豐富了我們對月球冰凍圈的知識。目前，正在木星軌道的“朱諾號”探測器和將在未來?10?年內(nèi)發(fā)射的“Europa Clipper”“JUICE”探測器將對木星的衛(wèi)星進行更多維度的密集觀測，有望確定木星衛(wèi)星冰層的厚度、成分和流變性質(zhì)，并對冰殼層下是否存在液態(tài)海洋進行更準確的估計。這些探測計劃為了解太陽系冰凍圈和探測地外生命的存在具有至關(guān)重要的意義。

太陽系外宜居行星冰凍圈是系外行星宜居性研究的一個熱點。目前，所發(fā)現(xiàn)的可能宜居行星絕大多數(shù)是潮汐鎖相行星，其背陽面冰凍圈發(fā)育的強弱直接影響到朝陽面是否有液態(tài)水存在，也影響到這些行星的宜居性。下一代太空望遠鏡也將觀測宜居行星的冰凍圈，我們期待著更多激動人心的科學發(fā)現(xiàn)的到來。（作者：胡永云、楊  軍、魏  強，北京大學 物理學院。《中國科學院院刊》供稿）

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