胡永云

北京大學(xué)物理學(xué)院大氣與海洋科學(xué)系氣候與?！?dú)鈱?shí)驗(yàn)室，北京100871

1 引言

盡管人們一直相信銀河系或宇宙其他恒星也像太陽(yáng)一樣擁有行星，但在20世紀(jì)90年代之前，人類并沒(méi)有太陽(yáng)系外行星的確切觀測(cè)證據(jù)。直到1995年10月6日，一顆圍繞類太陽(yáng)恒星的行星（被稱為51 Pegasi b）被發(fā)現(xiàn)（Mayor and Queloz, 1995），后來(lái)又被其他的觀測(cè)所證實(shí)，人類才真正確認(rèn)了太陽(yáng)系外有行星存在。太陽(yáng)系外行星通常被簡(jiǎn)稱“系外行星”（extra-solar planet，簡(jiǎn)稱 exoplanet），截至2012年12月1日，共有853顆系外行星被確認(rèn)，還有 2000～3000顆候選系外行星的信號(hào)已被初步觀測(cè)到，但還需要進(jìn)一步確認(rèn)。

尋找系外行星并不僅僅是由于科學(xué)的好奇心驅(qū)動(dòng)，還有一個(gè)非常重要的目的是試圖尋找地球之外是否有生命存在?！暗厍蛏欠袷枪陋?dú)的？”這是一個(gè)古老而迷人的話題。但到目前為止，太陽(yáng)系除地球之外，還沒(méi)有在其他行星發(fā)現(xiàn)有生命存在的跡象。木星、土星、天王星和海王星是氣態(tài)巨行星，不具備存在生命的條件，水星和金星表面溫度太高，也不可能有生命存在?；鹦窃缙谑欠裼猩拇嬖?，目前還沒(méi)有定論，但火星現(xiàn)在極其寒冷的氣候條件是不適合生命存在的。因此，尋找地球之外的生命只能寄希望于發(fā)現(xiàn)適合生命存在的太陽(yáng)系外行星?，F(xiàn)在，隨著愈來(lái)愈多的系外行星被發(fā)現(xiàn)，我們正愈來(lái)愈接近找到這一古老問(wèn)題的答案。大氣層是生命賴以存在的重要環(huán)境，也是確定行星表面氣候環(huán)境的關(guān)鍵因素之一，太陽(yáng)系外生命存在的信號(hào)最有可能最先從系外行星大氣層的探測(cè)中發(fā)現(xiàn)。因此，系外行星大氣和氣候的研究是系外行星科學(xué)一個(gè)重要方向。

如果說(shuō)觀測(cè)和發(fā)現(xiàn)系外行星主要是天文學(xué)界關(guān)心的問(wèn)題，那么認(rèn)識(shí)這些系外行星大氣層和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物理化學(xué)性質(zhì)以及他們是否適合生命存在則更多的是與大氣科學(xué)和整個(gè)地球科學(xué)聯(lián)系在一起的，因?yàn)槲覀儗?duì)太陽(yáng)系行星的理解通常以地球?yàn)閰⒄瘴铮鴮?duì)系外行星的認(rèn)識(shí)也是以太陽(yáng)系行星作為參照系。在這里，我們關(guān)于地球大氣的知識(shí)對(duì)認(rèn)識(shí)系外行星大氣在兩個(gè)方面起著非常重要的作用。第一，大氣成分在很大程度上決定了一顆行星的氣候環(huán)境。例如，一顆行星的地面溫度不僅取決于該行星與其恒星的距離和恒星的亮度，還取決于大氣層中溫室氣體的濃度，如果大氣層含有很高濃度的溫室氣體，其地面溫度將太高，反之，地面溫度將太低。第二，大氣層是探測(cè)生命跡象的窗口。地球大氣與相鄰的兩顆行星的大氣層最重要的差別是，地球大氣中有氧氣和臭氧，而金星和火星大氣主要以二氧化碳（CO2）為主。氧氣是生命存在的必要條件，如果能夠在一個(gè)系外行星的大氣層中探測(cè)到氧和臭氧，該行星適合生命存在的可能性就非常大。

本篇論文的目的是綜述近年來(lái)系外行星大氣的研究進(jìn)展。為了對(duì)照，我們將首先簡(jiǎn)要地介紹太陽(yáng)系行星大氣的基本知識(shí)。然后，我們介紹目前所發(fā)現(xiàn)的系外行星的基本特征和分類，所觀測(cè)到的行星大氣的成分、大氣環(huán)流及其物理化學(xué)性質(zhì)，以及一些類地行星的氣候環(huán)境。

2 太陽(yáng)系行星大氣

如圖1所示，太陽(yáng)系的8顆行星大致可以分為兩大類：靠近太陽(yáng)的4顆內(nèi)圍行星（水星、金星、地球、火星）是固態(tài)星球，它們的體積和質(zhì)量相對(duì)較小。外圍的4顆行星（木星、土星、天王星、海王星）是氣態(tài)星球，它們的體積和質(zhì)量都較內(nèi)側(cè)的固態(tài)星球大得多。如木星的質(zhì)量大約是地球的 318倍，而其體積是地球的 1300倍?，F(xiàn)有的模型可大致模擬出太陽(yáng)系行星的形成過(guò)程和固態(tài)以及氣態(tài)星球的分布（Raymond et al., 2006）。但隨著系外行星的發(fā)現(xiàn)，這些模擬的太陽(yáng)系行星形成的概念也將經(jīng)歷挑戰(zhàn)。

太陽(yáng)系固態(tài)星球和氣態(tài)星球大氣成分截然不同。在固態(tài)星球中，水星的大氣層非常稀薄，基本可以忽略不計(jì)，金星和火星的主要大氣成分都是CO2，而地球的主要大氣成分是氮?dú)猓∟2）和氧氣（O2）。外圍 4個(gè)氣態(tài)星球的主要大氣成分都是氫氣（H2）和氦氣（He）。為什么靠近太陽(yáng)的行星是固態(tài)星球，而外圍的是氣態(tài)星球？為什么固態(tài)星球與氣態(tài)星球的大氣成分截然不同？簡(jiǎn)單地講，在太陽(yáng)系形成之初，距離太陽(yáng)較近的范圍溫度較高，易氣化的物質(zhì)都在高溫下?lián)]發(fā)，僅留下巖石和金屬性的物質(zhì)，這些密度較大的物質(zhì)經(jīng)碰并逐步匯集形成了固態(tài)行星，一些分子量較大的氣態(tài)物質(zhì)也儲(chǔ)存在固態(tài)行星內(nèi)部，后來(lái)這些氣態(tài)物質(zhì)逐步從固態(tài)星球內(nèi)部通過(guò)板塊運(yùn)動(dòng)和火山爆發(fā)等地質(zhì)活動(dòng)釋放出來(lái)形成了固態(tài)星球的次生大氣層。固態(tài)星球最初的大氣層也是由H2和He組成，但在太陽(yáng)的早期，太陽(yáng)內(nèi)部核反應(yīng)非常劇烈，太陽(yáng)風(fēng)非常強(qiáng)，強(qiáng)勁的太陽(yáng)風(fēng)很快把這些原生大氣吹走。因此，上面所說(shuō)的通過(guò)固態(tài)星球內(nèi)部排氣過(guò)程而產(chǎn)生的大氣層被稱為次生大氣。在太陽(yáng)系外圍，溫度相對(duì)較低，水和其他氣體以固態(tài)存在，如冰或含冰的物質(zhì)，這些含冰的物質(zhì)和硅等金屬形成氣態(tài)星球的核。這些行星的質(zhì)量快速增長(zhǎng)到其引力足以吸引周?chē)肿恿枯^小的氣體（如H2和He），從而形成巨型氣態(tài)星球，因此，宇宙大爆炸形成的主要成分H2和He構(gòu)成了這些星球的大氣層。固態(tài)和氣態(tài)星球的范圍由位于火星和木星之間的所謂的“雪線”分離開(kāi)來(lái)（de Pater and Lissauer, 2010；Taylor, 2010）。

雖然同為固態(tài)行星，但地球大氣成分與金星和火星有顯著的不同，地球大氣以氮?dú)夂脱鯕鉃橹?，但金星和火星大氣均以CO2為主（CO2在兩顆行星大氣中的濃度大約都是 95%）。為什么地球大氣的化學(xué)成分與金星和火星如此不同？有兩個(gè)因素起著關(guān)鍵的作用：一個(gè)是地球有液態(tài)水，另一個(gè)是地球有生命存在。在液態(tài)水的作用下，固態(tài)星球大氣中的CO2可以形成弱的碳酸，并與地表巖石（如硅酸鹽巖石等）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（風(fēng)化反應(yīng)），最終形成碳酸鹽巖沉降到海底；地球內(nèi)部的碳酸鹽巖在高溫作用下分解出CO2，并通過(guò)地質(zhì)過(guò)程（火山、大洋中脊等）使得CO2重新進(jìn)入大氣中，這就是所謂的碳酸鹽—硅酸鹽負(fù)反饋循環(huán)。地球大氣正是由于這一負(fù)反饋機(jī)制的存在使目前大氣CO2的體積分?jǐn)?shù)維持在400 ppm的水平。圖2 是地球大氣演化示意圖。原始大氣 H2和 He在地球形成之后很短的時(shí)間內(nèi)就被劇烈的太陽(yáng)風(fēng)吹走了。在地球形成之初，表面還比較炎熱的環(huán)境下，內(nèi)部排氣過(guò)程產(chǎn)生的水汽是大氣的主要成分。隨著地表溫度的降低，水汽凝結(jié)通過(guò)降雨到地面，匯集成海洋，與此同時(shí)，劇烈的火山活動(dòng)釋放大量的 CO2，大氣成分變成以CO2為主。地球大氣層中豐富的氮?dú)庾畛鹾芸赡苁怯砂睔夥纸舛鴣?lái)，因?yàn)榘睔夂苋菀坠饨鉃榈蜌洌?dāng)氫逃逸向太空后，留下的氮?dú)獬蔀榈厍虼髿鈱拥闹饕煞?。在降水的作用下，大氣中的CO2濃度因風(fēng)化反應(yīng)而逐漸降低，N2的相對(duì)含量逐漸增加。在大約 23億年前，由于生命的光合作用，O2含量經(jīng)歷一次迅速的升高，在大約6億～7億年前，O2經(jīng)歷了第二次迅速的升高，達(dá)到目前的含量。

雖然有證據(jù)表明，金星和火星在早期也曾有液態(tài)水存在，但通常認(rèn)為，金星后來(lái)出現(xiàn)了溫室逃逸，液態(tài)水被全部蒸發(fā)，并被光解，氫原子逐步逃逸。因此，金星至少在最近二、三十億年沒(méi)有液態(tài)水存在。由于沒(méi)有了水循環(huán)，金星內(nèi)部釋放的CO2便全部累積在大氣中，從而形成了很高濃度的CO2?；鹦且?yàn)闇囟忍?，也沒(méi)有液態(tài)水存在，所以，其大氣成分也以CO2為主。但因?yàn)榛鹦堑馁|(zhì)量較小，其引力不足以維持濃密的大氣層，其表面大氣壓力只是地球大氣壓力的 1%。綜上所述，地球大氣的成分之所以與金星和火星不同，是因?yàn)榈厍蛏嫌幸簯B(tài)水和生命的存在，水循環(huán)降低了地球大氣中的CO2含量，生物的光合作用產(chǎn)生氧氣。

圖1 太陽(yáng)系行星的體積對(duì)比Fig.1 Size comparison of solar planets

圖2 地球大氣成分的歷史演化Fig.2 Schematic plot of composition evolution of Earth’s atmosphere

除了行星具有大氣層，太陽(yáng)系的一些衛(wèi)星也具有大氣層，最典型的是土星的第六顆衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱土衛(wèi)六）。土衛(wèi)六是土星最大的衛(wèi)星，它的體積甚至比水星還要大（半徑大約是2500 km）。其地表大氣壓力為1.467個(gè)地球大氣壓，大氣的主要成分是氮?dú)?，占大氣總質(zhì)量的95%，其余為甲烷。為什么一個(gè)質(zhì)量比火星還小的衛(wèi)星能夠擁有比地球還厚重的大氣層，而火星只有很稀薄的大氣層，這至今還沒(méi)有確定的答案。土衛(wèi)六大氣層中豐富的氮?dú)庖埠芸赡苁怯砂睔夥纸舛鴣?lái)。土衛(wèi)六的自轉(zhuǎn)速度比較慢，自轉(zhuǎn)周期大約是 16個(gè)地球日，所以，在很多方面，土衛(wèi)六大氣的環(huán)流特征與金星可比較（Liu et al., 2008）。土衛(wèi)六大氣也具有超級(jí)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，即赤道上空盛行西風(fēng)氣流，但在某些層次也有東風(fēng)出現(xiàn)（Li et al., 2012）。土衛(wèi)六的對(duì)流層頂高達(dá)40 km，有利于垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)和豐富“天氣現(xiàn)象”以及風(fēng)暴的發(fā)生。伴隨著風(fēng)暴活動(dòng)，有兩種“降水”發(fā)生，一種是較緩慢和較重的有機(jī)氣溶膠粒子，另一種是液態(tài)甲烷等，“卡西尼”飛船甚至觀測(cè)到了閃電的發(fā)生。

3 系外行星

圖3所示的是近20年來(lái)每年所發(fā)現(xiàn)的系外行星數(shù)目的分布。在 1995年以前，雖然也有系外行星被發(fā)現(xiàn)，但當(dāng)時(shí)都沒(méi)得到很好的證實(shí)。自 1995年，51 Pegasi b被發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)之后，愈來(lái)愈多的系外行星被發(fā)現(xiàn)。目前所觀測(cè)到的853顆系外行星是從672顆恒星系統(tǒng)觀測(cè)到的，其中包括126個(gè)多恒星系統(tǒng)。初步估計(jì)表明，50%以上的類似太陽(yáng)的恒星至少擁有一顆行星。系外行星的發(fā)現(xiàn)得益于天文觀測(cè)技術(shù)精度的不斷提高。圖3也給出了各種不同的天文觀測(cè)方法所發(fā)現(xiàn)的系外行星數(shù)目。可以看出，視向速度和掩星方法是發(fā)現(xiàn)系外行星最多的兩種方法。視向速度方法是根據(jù)行星與其恒星在圍繞著它們共同的質(zhì)心旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的視向速度變化來(lái)間接推測(cè)行星的存在及其質(zhì)量的。通過(guò)測(cè)量恒星的視向速度變化，根據(jù)恒星的質(zhì)量即可推出行星的質(zhì)量（實(shí)際上是最小質(zhì)量，即Mpsini，i為行星軌道平面和視線的夾角）。該觀測(cè)方法的特點(diǎn)是行星的質(zhì)量必須比較大而且距離其恒星不能太遠(yuǎn)，否則行星通過(guò)引力對(duì)其恒星運(yùn)動(dòng)速度的擾動(dòng)將比較微弱，目前的觀測(cè)精度很難觀測(cè)到太弱的擾動(dòng)。例如，地球?qū)μ?yáng)視向速度的擾動(dòng)只有8.94 cm s-1，低于目前最好設(shè)備的最高精度（約1 m s-1）大約一個(gè)量級(jí)，因此，我們無(wú)法利用該方法探測(cè)到類似地球質(zhì)量和距離其恒星如此遠(yuǎn)的系外行星。相反，51 Pegasi b的質(zhì)量大約是木星質(zhì)量的0.45倍（地球的150倍），它圍繞一顆類太陽(yáng)恒星（51 Pegasi）公轉(zhuǎn)的軌道半徑約0.05 AU（天文距離單位，1 AU = 149 598 000 km，也就是地球與太陽(yáng)之間的距離），它所產(chǎn)生的視向速度振幅約為57 m s-1，因此，這樣的系外行星可以被視向速度方法所探測(cè)到。掩星方法的原理是，當(dāng)行星運(yùn)動(dòng)到恒星和觀測(cè)者之間時(shí)，行星會(huì)遮擋部分恒星視面，造成觀測(cè)到的恒星光度降低，呈現(xiàn)U型光度變化，通過(guò)對(duì)恒星光度變化的測(cè)量可以確定行星的存在及其體積。光度變化的大小取決于行星與恒星半徑比值的平方，木星對(duì)太陽(yáng)的掩食造成太陽(yáng)光度的變化大約為 1%，因此，這種方法可以用來(lái)探測(cè)類似木星這樣的系外行星。但如金星這樣體積的系外行星，其凌日造成的太陽(yáng)光度變化則非常小，因此，掩星方法很難觀測(cè)到體積較小的系外行星。利用掩星法可以測(cè)量行星的半徑，結(jié)合視向速度方法即可得行星的真實(shí)質(zhì)量。對(duì)系外行星探測(cè)方法的詳細(xì)介紹已超出了本文的范圍，有興趣的讀者可以參考王煒等（2012）的綜述文章。

圖3 每年所發(fā)現(xiàn)的系外行星數(shù)目分布圖。顏色對(duì)應(yīng)發(fā)現(xiàn)系外行星所使用的探測(cè)方法。圖中的紫色、黃色、暗紅、綠色和藍(lán)色分別表示使用精確計(jì)時(shí)、直接成像、微引力透鏡、掩星和視向速度方法觀測(cè)到的系外行星。數(shù)據(jù)來(lái)自行星百科網(wǎng)站：http://exoplanet.eu/index.php [2012-11-10]Fig.3 Exoplanets discovered, by years.Colors indicate exoplanets by discovery methods.Purple, yellow, dark red, green, and blue denote pulsar timing,direct imaging, microlensing, transit, and radial velocity methods, respectively.From http://exoplanet.eu/index.php [2012-11-10]

圖4是目前所觀測(cè)到的系外行星質(zhì)量相對(duì)于其公轉(zhuǎn)軌道半長(zhǎng)軸的散點(diǎn)圖?？梢钥闯?，目前所觀測(cè)到的系外行星大部分是質(zhì)量與木星相當(dāng)?shù)木扌托行牵|(zhì)量與地球相當(dāng)?shù)南低庑行莿t相當(dāng)少。這類巨型行星因?yàn)榫嚯x其恒星非常近，所以，其溫度非常高，通常稱為熱木星（hot Jupiter，太陽(yáng)系木星因距離太陽(yáng)比較遠(yuǎn)，其溫度相當(dāng)?shù)停Ｈ缟纤?，這一特征是因?yàn)楝F(xiàn)有的觀測(cè)方法所產(chǎn)生的偏差，并不表明系外行星都是質(zhì)量偏大的行星，隨著觀測(cè)技術(shù)精度的提高，將有更多的類地行星被發(fā)現(xiàn)。另外，圖4還顯示系外行星的分布相對(duì)集中在兩個(gè)區(qū)域：一個(gè)集中在小于0.1 AU，另一個(gè)集中在1 AU，這也是由于觀測(cè)方法所造成，因?yàn)橄鄬?duì)于視向速度方法，掩星方法更容易觀測(cè)到距離恒星較近的系外行星。大量的距離恒星很近的類木星系外行星的發(fā)現(xiàn)對(duì)我們?cè)械奶?yáng)系行星形成的模型是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。在太陽(yáng)系，木星距離太陽(yáng)的距離是 5.2 AU，為什么那么多的類木星系外行星距離其恒星這么近？現(xiàn)有的理論解釋是，行星形成后受其他因素的影響而發(fā)生軌道遷移，導(dǎo)致原本距離恒星較遠(yuǎn)的巨型星向其恒星靠近（Lin, 2008）。由此來(lái)看，行星系統(tǒng)是多樣性的，并非都像太陽(yáng)系行星那樣分布。而太陽(yáng)系行星是否曾發(fā)生過(guò)軌道遷移？其現(xiàn)在的公轉(zhuǎn)軌道是否是其形成時(shí)的軌道也需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。

圖4 系外行星質(zhì)量對(duì)軌道半長(zhǎng)軸分布散點(diǎn)圖?？v坐標(biāo)為系外行星相對(duì)于地球（右側(cè)）和木星（左側(cè)）的質(zhì)量（系外行星的質(zhì)量下限）。橫坐標(biāo)是行星公轉(zhuǎn)軌道半長(zhǎng)軸，單位是 AU。縱橫坐標(biāo)都是對(duì)數(shù)坐標(biāo)。圖中的綠色、藍(lán)色、暗紅、橘色、紫色等分別表示掩星、視向速度、直接成像、微引力透鏡、精確計(jì)時(shí)方法觀測(cè)到的系外行星。為了對(duì)比，太陽(yáng)系各行星也標(biāo)示在圖中。該圖摘自維基百科網(wǎng)站（http://en.wikipedia.org/wiki/Extrasolar_planet[2012-11-10]）Fig.4 Scatter plot of mass vs.orbital semi-axis of identified exoplanets.Solar planets are also marked in the plot.Horizontal axis is orbital semi-axis, and vertical axis is exoplanet mass relative to Jupiter’s mass.Green, blue, dark red, orange, and purple denote transit, radial velocity, direct imaging, microlensing,and pulsar timing methods.From http://en.wikipedia.org/wiki/Extrasolar_planet [2012-11-10]

雖然并沒(méi)有嚴(yán)格的界限，在系外行星研究中，人們通常把地球質(zhì)量的 10倍作為區(qū)分固態(tài)和氣態(tài)行星的界限，把質(zhì)量小于地球質(zhì)量 10倍的行星看作是固態(tài)星球，而把質(zhì)量大于地球 10倍的行星看作是氣態(tài)星球。需要指出的是，這一定義并沒(méi)有確切的觀測(cè)依據(jù)，因?yàn)榈侥壳盀橹?，還沒(méi)有觀測(cè)結(jié)果可以說(shuō)明氣態(tài)與固態(tài)行星之間是否存在嚴(yán)格的界限，或是逐漸過(guò)渡的。更具體地，天文學(xué)界把質(zhì)量與地球質(zhì)量相當(dāng)?shù)南低庑行欠Q為類地行星，把質(zhì)量介于地球質(zhì)量 2.0～10.0的行星稱為“超級(jí)地球”（Super-Earth），把質(zhì)量介于地球質(zhì)量10～30倍的系外行星稱為“系外海王星”（Exo-Neptune）（海王星的質(zhì)量大約是地球質(zhì)量的17倍），并認(rèn)為這類星球像海王星一樣屬于冰行星，而把質(zhì)量大于地球質(zhì)量 30倍的系外行星稱為類木行星（也就是與木星類似），這類行星是氣態(tài)行星。

4 恒星的宜居帶和行星的宜居性

一顆行星是否有生命的存在是由許多因素決定的，最關(guān)鍵的因素之一是該行星有液態(tài)水存在，因?yàn)樯膬?nèi)在物質(zhì)循環(huán)和光合作用都需要液態(tài)水。因此，目前被廣泛接受的觀點(diǎn)是，一顆行星是否是宜居星球主要取決于其表面溫度是否適合液態(tài)水的長(zhǎng)期存在。一顆恒星的宜居帶指的是距離該恒星的某一環(huán)狀區(qū)域，位于該區(qū)域的行星表面溫度能夠維持液態(tài)水的長(zhǎng)期存在。假定一顆恒星的亮度是L，在距離該恒星為d的行星溫度可由下面的方程式來(lái)確定，

這里，σ是斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)。因此，一顆行星的表面溫度取決于其恒星的亮度（輻射強(qiáng)度）以及該行星與其恒星的距離。因?yàn)橐簯B(tài)水可在273 K至373 K的溫度范圍內(nèi)存在，所以，恒星的宜居帶是一個(gè)帶狀區(qū)域。如圖5所示，對(duì)太陽(yáng)系而言，地球大致位于太陽(yáng)宜居帶的中心位置，而金星和火星分別位于太陽(yáng)宜居帶的內(nèi)外兩側(cè)（金星距離太陽(yáng)太近，溫度太高，而火星距離太陽(yáng)太遠(yuǎn)，溫度太低）。對(duì)于亮度比太陽(yáng)強(qiáng)的恒星，宜居帶距離恒星較遠(yuǎn)，而對(duì)于亮度最弱的恒星，例如紅矮星，其宜居帶距離恒星不到0.1 AU。

宜居帶的范圍受行星反照率的影響，因?yàn)樾行欠凑章式档土诵行俏盏暮阈禽椛?，所以，行星反照率有助于把宜居帶的?nèi)邊界向靠近恒星的一側(cè)擴(kuò)展。宜居帶的范圍也受行星大氣溫室效應(yīng)的影響，大氣的溫室效應(yīng)有助于升高地面溫度，所以，溫室效應(yīng)可以使宜居帶的外邊界向外擴(kuò)展。需要指出的是，宜居帶的內(nèi)側(cè)邊界并非由水的沸點(diǎn)溫度（373 K）所決定，而是由溫室逃逸的閾值溫度所確定。目前大致估計(jì)的溫室逃逸閾值溫度大約是340 K（Ingersoll, 1969）。也許有人會(huì)認(rèn)為，宜居帶的外邊界可以無(wú)限地向外延伸，只要溫室氣體的含量足夠高就可以。但實(shí)際情況是，任何溫室氣體在溫度較低的情況下都會(huì)達(dá)到飽和，超過(guò)該飽和點(diǎn)，溫室氣體將凝結(jié)或凝固并沉降到行星表面。例如，CO2的三相點(diǎn)溫度和大氣壓是－56.6°C和5.18個(gè)大氣壓，超過(guò)該壓力和溫度閾值，CO2將以干冰的形式沉降出大氣。Kasting et al.（1993）使用1維輻射—對(duì)流模式給出的太陽(yáng)宜居帶內(nèi)外邊界分別為0.95 AU和1.15 AU。

紅矮星的亮度很低，其表面輻射溫度大約是3200～3500 K。但紅矮星是銀河系中數(shù)目最多的恒星，占恒星總數(shù)的大約75%（Rodono, 1986）。因此，在紅矮星附近發(fā)現(xiàn)類地宜居行星的幾率遠(yuǎn)高于在類太陽(yáng)恒星附近發(fā)現(xiàn)宜居行星。紅矮星的質(zhì)量和直徑都比類太陽(yáng)恒星小將近一個(gè)量級(jí)，現(xiàn)有觀測(cè)技術(shù)能夠探測(cè)到紅矮星附近的行星質(zhì)量也比類太陽(yáng)恒星附近的行星質(zhì)量小一個(gè)量級(jí)，因此，在紅矮星附近更容易探測(cè)到類地系外行星。另外，紅矮星的宜居帶距離恒星較近，比太陽(yáng)宜居帶與太陽(yáng)的距離小一個(gè)量級(jí)，約0.07～0.1 AU。位于這個(gè)區(qū)域的同樣質(zhì)量的行星對(duì)紅矮星視向速度的影響是對(duì)類太陽(yáng)恒星影響的3倍左右?？偟膩?lái)說(shuō)，紅矮星附近的宜居星對(duì)其恒星視向速度的影響比類太陽(yáng)恒星的宜居行星的視向速度影響大 30倍，探測(cè)難度大大降低。對(duì)于掩星觀測(cè)來(lái)說(shuō)，測(cè)量難度也降低了大約10倍。因此，在紅矮星附近發(fā)現(xiàn)宜居行星的幾率比在類太陽(yáng)恒星系發(fā)現(xiàn)宜居行星的幾率要高得多。又因?yàn)榧t矮星的宜居帶距離紅矮星非常近，所以，宜居星球與其恒星之間的引力非常大，在強(qiáng)的引力力矩的作用下，行星的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)會(huì)出現(xiàn)潮汐鎖相現(xiàn)象，也就是，行星的公轉(zhuǎn)與其自轉(zhuǎn)周期相同，行星的一面總是永遠(yuǎn)對(duì)著恒星，而另一面永遠(yuǎn)背著恒星。這與我們永遠(yuǎn)只能看到月球的一面的道理是一樣的，因?yàn)樵虑蛴捎谝Τ毕淖饔靡彩怯肋h(yuǎn)一面對(duì)著地球，而另一面背著地球。其結(jié)果是，行星的朝陽(yáng)面一直被恒星照射而溫度比較高，背陽(yáng)面則因得不到輻射而溫度極低。那么，一個(gè)需要思考的問(wèn)題是，在紅矮星的宜居帶內(nèi)，宜居星球的背陽(yáng)面有可能因?yàn)闇囟葮O低而導(dǎo)致大氣凝結(jié)并完全沉降到地面（在一個(gè)大氣壓的條件下，氮?dú)夂脱鯕獾哪Y(jié)溫度分別是－195.79°C和－182.95°C，它們的凝固

溫度分別是 －210.01°C 和－218.79°C），也就是出現(xiàn)大氣坍塌現(xiàn)象。如果確實(shí)是這樣的話，即使位于紅矮星宜居帶的行星仍有可能是不適于生命存在的。

圖5 太陽(yáng)系以及其他類型恒星的宜居帶（來(lái)自維基百科：http://en.wikipedia.org/[2012-11-10]）Fig.5 Distances of habitable zones around all types of stars.From Wikipedia: http://en.wikipedia.org/ [2012-11-10].

圖6 目前所發(fā)現(xiàn)的7顆有可能適合生命存在的宜居系外行星。圖中系外行星的排列順序是基于它們與地球的相似性指數(shù)。第一排數(shù)字是系外行星的排列序數(shù)，地二排是相似性指數(shù)，每顆系外行星下方的代碼是其名稱，下面的日期是系外行星所發(fā)現(xiàn)的日期。與地球的相似性指數(shù)是根據(jù)0至1來(lái)定義的，1表示與地球完全類似。一般認(rèn)為，相似性指數(shù)大于0.7的系外行星是可能的宜居行星，至少適宜原始生命存在，而只有相似性指數(shù)大于0.8的系外行星才有可能適宜較復(fù)雜的生命存在。地球和火星被標(biāo)在右上角（引自http://phl.upr.edu/ [2012-11-19]）Fig.6 Similarity of 7 potentially habitable exoplanets to Earth (From http://phl.upr.edu/ [2012-11-19])

圖6給出的是目前被認(rèn)為最有可能適宜生命存在的7顆宜居系外行星與地球的相似性對(duì)比，自左向右，與地球的相似性逐步降低。這些行星被發(fā)現(xiàn)的日期也在圖中給出。其中，Gl 581d是最早被認(rèn)為適合生命存在的系外行星之一（Udry et al.,2007），另一顆是Gl 581c。這兩顆行星都圍繞紅矮星Gliese 581運(yùn)行，分別位于Gliese 581宜居帶的外側(cè)和內(nèi)側(cè)邊沿，它們的最小預(yù)估質(zhì)量大約是地球的5和8倍，所以被認(rèn)為是宜居行星。但其實(shí)際質(zhì)量仍有可能超出地球質(zhì)量的 10倍以上，所以，也有可能是類似海王星那樣的冰行星，而非類地行星。Gl 581g是2010年9月發(fā)現(xiàn)的另外一顆圍繞Gliese 581的系外行星（Vogt et al., 2011），位于Gl 581c和 Gl 581d之間，正好位于 Gliese 581的宜居帶中間，而且它的質(zhì)量只有地球的3.5倍，所以，被認(rèn)為是比Gl 581c和Gl 581d 更適合生命存在的星球?？墒?，這顆行星是否真的存在還沒(méi)有得到完全確認(rèn)（Gregory, 2011）。Kepler-22b是迄今為止發(fā)現(xiàn)真正位于一顆類太陽(yáng)恒星的宜居帶中的行星，但其半徑是地球的2.4倍，其質(zhì)量還不清楚。如果其平均密度與地球相同，則其質(zhì)量將是地球質(zhì)量的14倍，超出了固態(tài)星球的質(zhì)量界限。因此，Kepler-22b很可能是一顆類似于海王星的冰行星，而非類地行星（http://exoplanet.eu/catalog/kepler-22_b/[2012-11-10]）。HD 85512b的質(zhì)量大約是地球的3～4倍，距離其恒星 0.26 AU，輻射平恒溫度大約是 300 K（Pepe et al., 2011）。Selsis et al.（2007）指出，如果一顆行星的輻射平衡溫度超過(guò)270 K，該行星將出現(xiàn)溫室逃逸，因?yàn)槠鋵?duì)流層頂?shù)臏囟龋ù蠹s等于其輻射平恒溫度）將允許大量的水汽進(jìn)入平流層，水汽將被紫外線光解而出現(xiàn) H逃逸。因此，除非HD 85512b有很厚的云層反射其恒星輻射，否則，將出現(xiàn)溫室逃逸現(xiàn)象。HD 40307 g 是一顆沒(méi)有完全被確認(rèn)的系外行星，其最小質(zhì)量大約是地球的7.1倍（Tuomi et al., 2012），也很可能是一顆小的海王星，而非類地形星。Gliese 163c是最近發(fā)現(xiàn)的(http://exoplanet.eu/catalog/gl_163c/ [2012-11-10])，是一顆圍繞紅矮星Gliese 163運(yùn)行的系外行星。它的最小質(zhì)量大約是地球的7倍，屬于超級(jí)地球范疇，而其實(shí)際質(zhì)量有可能超出超級(jí)地球的范疇。Gliese 667Cc（簡(jiǎn)稱GJ 667Cc）的情況與其他幾個(gè)星球不同，其恒星是一個(gè)三恒星系統(tǒng)中的一顆（Gliese 667C），也就是說(shuō)，GJ 667Cc有三個(gè)“太陽(yáng)”，另外兩顆恒星（Gliese 667A和Gliese 667B）不僅對(duì)GJ 667Cc的運(yùn)行軌道產(chǎn)生影響，而且也會(huì)有輻射能量的影響，但GJ 667Cc主要受Gliese 667C的影響(Bonfils et al., 2011)。GJ 667Cc的最小質(zhì)量大約是地球的4倍，而且正好位于Gliese 667C的宜居帶中間，所以，是最有希望的宜居星球。但一個(gè)共同的問(wèn)題是，上面這些系外行星的質(zhì)量都比地球質(zhì)量大得多，它們與地球是否具有類似性，其大氣成分如何，現(xiàn)在還不太清楚，這些都將影響到它們的宜居性。

5 系外行星大氣

由于距離的遙遠(yuǎn)，現(xiàn)有的天文觀測(cè)技術(shù)能夠提供給我們的關(guān)于系外行星大氣的化學(xué)成分、熱力結(jié)構(gòu)和大氣環(huán)流特征還非常有限（Seager and Deming,2010）。但根據(jù)第 2節(jié)所簡(jiǎn)述的太陽(yáng)系行星大氣的知識(shí)，可以推測(cè)系外行星大氣化學(xué)成分大致有以下幾種類型。

質(zhì)量遠(yuǎn)小于地球質(zhì)量的系外行星是固態(tài)星球，但很可能沒(méi)有大氣層。這是因?yàn)橘|(zhì)量較小的行星的引力也較小，其大氣層的氣體分子的熱力運(yùn)動(dòng)速度很容易達(dá)到行星的逃逸速度，導(dǎo)致氣體分子逃逸到太空。而且，太陽(yáng)風(fēng)也很容易侵蝕大氣層，并把氣體分子吹向太空。如水星的質(zhì)量大約是地球質(zhì)量的5.5%，水星的大氣壓力大約是 10-13個(gè)大氣壓，基本沒(méi)有大氣層；火星的質(zhì)量大約是地球質(zhì)量的10%，其表面大氣壓不到地球的百分之一。但如果質(zhì)量較小的系外行星距離恒星較遠(yuǎn)，大氣層溫度較低，氣體分子的熱力速度較慢，不易發(fā)生氣體分子逃逸，這些小行星仍有可能擁有大氣層，如土星的第六顆衛(wèi)星（通常簡(jiǎn)稱土衛(wèi)六）和冥王星的質(zhì)量均比地球質(zhì)量小得多，但仍有大氣層存在，土衛(wèi)六的大氣壓甚至比地球大氣壓還稍高一些，主要以氮?dú)鉃橹鳌?/p>

質(zhì)量遠(yuǎn)大于地球質(zhì)量的系外行星，尤其是質(zhì)量大于地球質(zhì)量 30倍以上的類木行星，其大氣主要成分應(yīng)該與太陽(yáng)系木星和土星的大氣成分類似，H2和 He的質(zhì)量占大氣總質(zhì)量的99%以上（H2和He所占的比例大約是 89%和 10%），這兩種成分是宇宙大爆炸后留下的原始星云的主要成分，也是宇宙中豐度最高的物質(zhì)（胡永云和田豐，2012）。質(zhì)量介于地球質(zhì)量 10～30倍的系外行星，其大氣成分也應(yīng)該是以H2和He為主，類似于太陽(yáng)系的天王星和海王星。但在天王星和海王星大氣層中，H2所占的比例較木星和土星的要低一些，大約是80%，而He所占的比例則相對(duì)高一些，大約是 18%。冰質(zhì)行星大氣中甲烷和氨等成分的含量較巨型氣態(tài)星球的要高（胡永云和田豐，2012）。但即使是氣態(tài)系外行星的大氣成分，也可能具有多樣性，如WASP-43b是一顆熱木星類型的氣態(tài)行星，它的質(zhì)量是木星質(zhì)量的1.78倍，但其半徑與木星的半徑接近，說(shuō)明其密度是木星1.78倍（Hellier et al., 2011）。與WASP-43b相反，WASP-17b的半徑大約是木星半徑的2.0倍，但其質(zhì)量卻只有木星的一半，也就是說(shuō)其平均密度不到木星的十分之一（Anderson et al., 2010）。這兩顆系外熱木星與太陽(yáng)系木星密度之間的差異，一方面有可能反映了它們內(nèi)部成分的差異，另一方面也反映了它們大氣成分的差異。

固態(tài)系外行星的大氣成分是由很多因素決定的。首先，一個(gè)固態(tài)星球的大氣成分與其固態(tài)成分密切相關(guān)，因?yàn)楣虘B(tài)行星的大氣成分主要來(lái)源于星球內(nèi)部的排氣過(guò)程。如第二節(jié)所述，太陽(yáng)系固態(tài)行星的大氣層的主要成分基本都是這些行星內(nèi)部排氣產(chǎn)生的次生大氣。其次，固態(tài)行星的大氣成分還與其表面溫度有關(guān)。有理論認(rèn)為，如果固態(tài)系外行星的表面溫度高于1500 K，那么行星所包含的一些較輕的化學(xué)成分如H、C、N和S等都有可能逃逸掉，因此，這些較熱的系外行星的大氣成分則很可能主要是氣態(tài)的硅酸鹽等金屬成分以及氧化硅分解生成的氧分子和硅原子（Léger et al., 2009）。一個(gè)典型的例子是系外行星 CoRoT-7b（Léger et al.,2009），該行星的質(zhì)量大約是地球的2～8倍，距離其母星（一顆類太陽(yáng)的恒星）非常近，大約0.017AU，圍繞其恒星的公轉(zhuǎn)周期不足1個(gè)地球天（0.85地球天），其表面溫度高達(dá)1300～1800 K。理論模擬表明，CoRoT-7b的大氣成分很可能是Na、O2、O和SiO（Schaefer and Fegley, 2009）。但到目前為止，還沒(méi)有這方面的觀測(cè)證據(jù)。如果固態(tài)系外行星的表面溫度比較低，則這些行星的大氣成分有可能類似于金星和火星的大氣成分。

現(xiàn)有的理論認(rèn)為，固態(tài)星球的質(zhì)量愈大，其含水量也愈多，所以，超級(jí)地球的整個(gè)表面都很可能被深厚的海洋所覆蓋（Lissauer, 1999），有學(xué)者甚至認(rèn)為一些超級(jí)地球的含水量可以達(dá)到整個(gè)行星質(zhì)量的50%（Rogers and Seager, 2010）。圖7所示的是兩個(gè)與地球化學(xué)組成類似，但質(zhì)量不同的行星與地球?qū)Ρ仁疽鈭D（Lissauer, 1999），中間的星球是地球。假定這些星球有同樣的化學(xué)組成成分，那么體積較地球小的星球擁有較小的密度，因?yàn)樾乔騼?nèi)部承受的壓力也較地球內(nèi)部的壓力小。又因?yàn)槠渲亓^地球的重力弱，所以，其山峰比地球的山峰要高，例如，金星的最高山峰高達(dá)11 km，而火星最高山峰高達(dá)22 km（胡永云和田豐，2012）。加上這樣的星球含水量較少，所以，其表面陸地與海洋的面積之比要比地球大得多。相反，星球的體積越大，密度越高，在重力作用下，山峰越低，加上其含水量較多，整個(gè)星球表面都有可能被深厚的海洋所覆蓋，被稱為水球或海洋世界。例如，GJ 1214b的質(zhì)量大約是地球的6.5倍，半徑是地球的2.7倍，它的平均密度大約是1870 kg m-3，比地球的平均密度小得多（地球的平均密度是 5515 kg m-3）（Charbonneau et al., 2009）。因此，GJ 1214b很可能擁有一層深厚的海洋，而不可能是像地球那樣完全由巖石成分組成。它的核心很可能與地球類似，由巖石組成，而巖石物質(zhì)的外層是由冰相物質(zhì)（水在巨大壓下形成的具有超級(jí)流體性質(zhì)的水冰，狀態(tài)形式是固體，但又具有流體的力學(xué)特性），所以，其平均密度較小。

圖7 類地系外行星的體積和表層水覆蓋率示意圖。中間是地球，左側(cè)的星球比地球的質(zhì)量和體積小，右側(cè)的星球是所謂的超級(jí)地球。引自Lissauer (1999)Fig.7 Environments of Earth-like planets.Earth is in the middle.A smaller planet (left) made of the same material as Earth would have lower ocean coverage, but larger areas of continents, and a larger planets could be an ocean world.From Lissauer (1999)

對(duì)于類似GJ 1214b這樣的超級(jí)地球來(lái)講，如果其溫度在水的沸點(diǎn)以上和1000 K以下，其大氣的主要成分很可能是水汽（steam atmosphere）。例如，GJ 1214b的恒星是一顆紅矮星，兩者之間的距離只有0.014 AU，GJ 1214b的公轉(zhuǎn)周期只有1.58個(gè)地球天，它的輻射平衡溫度大約是 400～500 K（Charbonneau et al., 2009）。在這樣的溫度下，將有大量的液態(tài)水蒸發(fā)而進(jìn)入到大氣層中，所以，其大氣主要是由水汽構(gòu)成的很厚的大氣包層。根據(jù)現(xiàn)有的觀測(cè)結(jié)果，GJ 1214b很可能有較厚的云層，所以，它的大氣層更可能是主要由水汽組成（Bean et al., 2010）。另一方面，因?yàn)槌?jí)地球的質(zhì)量較大，其引力足以吸附 H2等較輕的氣體分子，因此，超級(jí)地球的大氣層包含有H2。氫氣也可以來(lái)源于固態(tài)行星的內(nèi)部排氣，因?yàn)镠2可以通過(guò)H2O或CH4光解產(chǎn)生，而水汽和甲烷在行星形成時(shí)有可能包含在固態(tài)行星內(nèi)部。但排氣不可能產(chǎn)生He，因?yàn)楣虘B(tài)行星在形成時(shí)，He不可能存在于固態(tài)巖石中。

目前，對(duì)系外行星大氣的精確觀測(cè)仍然是相當(dāng)困難的，主要是因?yàn)橄低庑行蔷嚯x我們太遙遠(yuǎn)。目前所觀測(cè)到的距離我們最近的系外行星是 Alpha Centauri Bb（Dumusque et al., 2012），它距離太陽(yáng)系也在 15光年之外。盡管如此，現(xiàn)在還是得到了一些系外行星大氣成分的初步結(jié)果。例如，現(xiàn)有的觀測(cè)很好地證實(shí)了熱木星HD 189733b大氣中含有水汽和甲烷。HD 189733b的質(zhì)量和半徑均與太陽(yáng)系的木星類似，但它距離其恒星（HD 189733）非常近，大約是0.03 AU，所以，HD 189733b是一顆潮汐鎖相的熱木星，其向陽(yáng)面的表面溫度超過(guò)1000 K（Bouchy et al., 2005）（太陽(yáng)系木星在1個(gè)大氣壓處的溫度大約是165 K）。圖8是使用哈勃天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的HD 189733b大氣成分與輻射傳輸模式模擬結(jié)果的對(duì)比（Swain et al., 2008）。模擬的水汽在1.9 μm和1.5 μm附近的吸收帶（藍(lán)色譜線）與觀測(cè)結(jié)果十分接近，但在2.2 μm附近，模擬的單純水汽吸收帶與觀測(cè)結(jié)果并不一致，當(dāng)在模式中增加一定濃度的甲烷之后（橘黃色譜線），2.2 μm附近的吸收譜與觀測(cè)的結(jié)果非常接近。但該觀測(cè)和模擬結(jié)果還不能很好地區(qū)分氨和一氧化碳的含量。

需要指出的是，目前對(duì)于行星大氣成分的觀測(cè)還僅限于熱木星一類的巨型氣態(tài)星球，還很難對(duì)超級(jí)地球等體積較小或溫度較低的行星大氣進(jìn)行觀測(cè)。因?yàn)槟壳皩?duì)系外行星大氣的觀測(cè)方法是掩星法（Ehrenreich et al., 2006），也就是當(dāng)行星運(yùn)行到與地球和其恒星在一條直線上并且遮擋恒星時(shí)（“凌日”），使用地基或太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)恒星輻射的透過(guò)譜（或者是行星大氣的吸收譜）。這需要行星的大氣層足夠濃密并且有較大標(biāo)高（H=kT/(Mg)，這里H是大氣層的標(biāo)高，k、T、M和g分別是波爾茲曼常數(shù)、大氣溫度、平均分子質(zhì)量和重力加速度），濃密的大氣意味著大氣層對(duì)恒星輻射有較大的光學(xué)厚度，而較大的標(biāo)高意味著大氣分子分布在較大的垂直尺度上，這樣才能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的吸收/透過(guò)譜信號(hào)。熱木星的大氣成分以H2和He為主，分子量較小，但溫度較高（超過(guò)1000 K），因此其大氣標(biāo)高超過(guò)100 km，滿足現(xiàn)有觀測(cè)精度的要求。相對(duì)而言，太陽(yáng)系木星的標(biāo)高大約是27 km（因?yàn)榇髿鉁囟容^低），而地球大氣的標(biāo)高大約是8 km?，F(xiàn)有的觀測(cè)技術(shù)還不能使用“凌日”法對(duì)類地行星的大氣成分進(jìn)行觀測(cè)。

對(duì)太陽(yáng)系外生命的探索是系外行星科學(xué)的重要目標(biāo)之一。鑒于直接探索系外行星表面是否存在生命是極為困難的，太陽(yáng)系外生命跡象的信號(hào)需要首先從探測(cè)系外行星大氣中包含有生命跡象的氣體成分開(kāi)始。O2、O3、N2O和CH4通常被認(rèn)為是表征生命存在的氣體，因?yàn)楦鶕?jù)地球生命的知識(shí)，這些氣體是與生命的存在直接聯(lián)系在一起。O2是生命存在的必要條件，也是光合作用的產(chǎn)物，但單純的O2并不意味著生命的存在，因?yàn)槿绻活w行星發(fā)生溫室逃逸，在水汽光解后，H逃逸向太空，而 O2則累積在大氣中，所以，在發(fā)生溫室逃逸的行星大氣層中雖然含有豐富的O2，但不可能有生命存在。O3在9.6 μm波段有一個(gè)強(qiáng)的吸收帶，因此，O3比較容易被觀測(cè)到。但O3和O2一起也不能被作為生命存在的證據(jù)，因?yàn)橹灰蠴2存在，就有O3存在?？傊?，需要與其他氣體成分如N2O等綜合考慮來(lái)確定生命的存在。

圖8 觀測(cè)和模擬的熱木星HD 189733b大氣的吸收譜。黑色三角表示的是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡近紅外相機(jī)和多目標(biāo)光譜儀觀測(cè)的熱木星HD 189733b大氣在不同波段上的吸收率。其他是使用輻射傳輸模式模擬的水汽、甲烷、氨和一氧化碳的吸收譜。其中藍(lán)色和橘黃色分別是使用線積分輻射傳輸模式模擬的水汽以及水汽和甲烷的吸收譜，三種不同顏色的十字符號(hào)分別是使用帶積分模式模擬的水汽+甲烷（H2O+CH4）、水汽+甲烷+氨（H2O＋CH4＋NH3），水汽+甲烷+一氧化碳（H2O＋CH4＋CO）的吸收譜。橫坐標(biāo)是波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)是吸收率。引自Swain et al.（2008）Fig.8 Comparison of observed and simulated transmission spectra of transit planet HD 189733b.Hubble Space Telescope observations are shown by the white triangles.Two different models highlight the presence of methane in the planetary atmosphere.From Swain et al.(2008)

6 系外行星氣候

一顆行星的氣候環(huán)境是由多方面因素確定的，包括恒星的輻射強(qiáng)度、行星與恒星之間的距離、行星的內(nèi)部組成和大氣化學(xué)成分、恒星—行星系統(tǒng)的歷史演化進(jìn)程等等。全面論述系外行星多樣性的氣候特征已超出了本節(jié)的范圍，我們?cè)谶@里的討論僅集中在宜居帶內(nèi)固態(tài)系外行星的氣候特征，在諸多因素中，我們尤其關(guān)注大氣成分對(duì)行星氣候的影響，我們也將特別強(qiáng)調(diào)紅矮星恒星宜居帶內(nèi)固態(tài)行星的氣候環(huán)境以及這些行星的氣候環(huán)境是否適于生命存在。

最早被認(rèn)為適于生命存在的系外行星是 Gliese 581c 和 Gliese 581d（簡(jiǎn)稱 Gl 581c 和 Gl 581d）（Udry et al., 2007）。Gl 581c和Gl 581d的恒星是一顆紅矮星，它們與其恒星之間的距離分別是 0.073 AU和0.21 AU，其質(zhì)量都在超級(jí)地球的范疇。Udry et al.（2007）通過(guò)簡(jiǎn)單的輻射平衡計(jì)算認(rèn)為這兩顆系外行星分別位于紅矮星Gliese 581的宜居帶的內(nèi)側(cè)和外側(cè)邊沿，因此，他們認(rèn)為這兩顆系外行星為宜居行星。當(dāng)時(shí)，這一發(fā)現(xiàn)在學(xué)術(shù)界和媒體曾引起了巨大的反應(yīng)。Selsis et al.（2007）根據(jù)太陽(yáng)系固態(tài)行星（尤其是金星和火星的氣候特征和歷史演化）針對(duì)這兩顆系外行星的宜居性進(jìn)行了全面的評(píng)估，他們認(rèn)為Gl 581c是一顆炎熱的星球，很可能類似太陽(yáng)系的金星，而Gl 581d則有可能是一顆宜居星球。von Bloh et al.（2007）從另外的角度研究了這兩顆行星的宜居性，他們關(guān)注的是行星大氣中CO2循環(huán)以及CO2是否足以維持行星表面生命的光合作用。他們的模擬結(jié)果也表明，Gl 581c不適宜生命的存在，而Gl 581d則有可能適宜于某種形式的生命存在。

但以上兩項(xiàng)研究都沒(méi)有使用真實(shí)的輻射—對(duì)流模式計(jì)算這兩顆超級(jí)地球的可能表面溫度。Huand Ding（2011）使用輻射—對(duì)流模式分別計(jì)算了這兩顆行星的可能表面溫度，他們假設(shè)這兩顆系外行星與太陽(yáng)系固態(tài)星球有著類似的大氣成分（或類似的內(nèi)部排氣過(guò)程），也就是 CO2是大氣中的溫室氣體。圖 9所示的是他們的模擬結(jié)果。對(duì)于 Gl 581c，即使是干大氣中包含50 ppm 的CO2，其全球平均地表溫度也高達(dá) 310.6 K。如果加入與地球大氣相同的水汽含量，其表面溫度升至332 K，接近溫室逃逸的極限 340 K，但地表相對(duì)濕度只有3.4%，不足以維持地表液態(tài)水的存在。如果設(shè)置與地球大氣相同的相對(duì)濕度，則水汽的正反饋很快使模式崩潰，即使很厚的云層也不足以避免溫室逃逸的出現(xiàn)。這說(shuō)明Gl 581c并不適合生命存在，相反，它很像太陽(yáng)系金星一樣已經(jīng)歷了溫室逃逸。如果Gl 581c的含水量足夠多，則其大氣將主要由水蒸氣組成，水汽的溫室效應(yīng)將使得該星球溫度極高。如果它的含水量不足以抵消水光解后產(chǎn)生的氫逃逸量，其很可能類似于金星，大氣主要成分是以CO2為主，并包含大量的硫酸云和二氧化硫氣溶膠。

圖9b是Gl 581d的模擬結(jié)果。當(dāng)CO2的分壓是5個(gè)大氣壓時(shí)，地表溫度大約是258 K，當(dāng)CO2分壓達(dá)到10個(gè)大氣壓時(shí)，地表溫度升高到292 K。二者的差分表明大約需要7個(gè)大氣壓的CO2才能夠使Gl 581d的表面溫度升高到273 K。其他學(xué)者使用不同的模式也得到了類似的結(jié)果（Wordsworth et al.,2010; von Paris et al., 2010）。一個(gè)重要的問(wèn)題是，Gl 581d如何保持如此高濃度的 CO2? 我們可以想象，既然金星大氣中有將近 90個(gè)大氣壓的CO2（胡永云和田豐，2012），那么Gl 581d大氣擁有7個(gè)大氣壓的CO2并非沒(méi)有可能性。但金星大氣高濃度的 CO2是因?yàn)橐簯B(tài)水存在，大氣中的 CO2只有源，而沒(méi)有匯。因此，Gl 581d 在液態(tài)水存在的情況下并擁有高濃度CO2的前提條件是，CO2的源大于其匯，或者二者之間的平衡足以讓大氣中的CO2維持7個(gè)大氣壓之上。一個(gè)可能的情形是，Gl 581d完全被海洋所覆蓋，或者說(shuō)只有很少部分的陸地（或島嶼），而大部分是海洋，只有這樣，CO2與陸地表面硅酸鹽巖石之間的風(fēng)化反應(yīng)才能被切斷或很微弱，而行星內(nèi)部排放的 CO2得以在大氣中累積。另一種可能是，Gl 581d表面有大面積的陸地存在，但其氣候態(tài)在冰雪地球和溫暖氣候之間振蕩 (Selsis et al., 2007; Hu and Ding, 2011)。這是因?yàn)橐坏┯写竺娣e的陸地存在，風(fēng)化反應(yīng)將降低大氣中的CO2含量，而一旦CO2含量低于某一閾值，將出現(xiàn)類似地球在6億～7億年前新元古代時(shí)期的冰雪地球（胡永云和聞新宇，2005）；而當(dāng)冰雪星球形成之后，CO2在大氣中累積，經(jīng)過(guò)百萬(wàn)年甚至千萬(wàn)年時(shí)間尺度的積累，將達(dá)到融化冰雪星球的閾值，導(dǎo)致星球進(jìn)入溫暖氣候。

在前面我們已經(jīng)提到，位于宜居帶內(nèi)的系外行星，其氣候特征在很大程度上是由其大氣成分決定的，地球歷史氣候的演化也很好地說(shuō)明了這一點(diǎn)。在第5節(jié)，我們介紹了系外行星大氣成分的多樣性，如此多樣性的大氣成分必將對(duì)系外行星氣候產(chǎn)生重要的影響。在地球大氣中，N2雖然含量很高，但并不是溫室氣體，N2對(duì)地球氣候的影響可以忽略不計(jì)（但氮是生命的重要組成成分）。但對(duì)系外行星而言，N2則有可能是重要的溫室氣體（Pierrehumbert,2011）。N2由于分子碰撞在波長(zhǎng)大于40 μm的波段有連續(xù)性的吸收帶，在低氣壓的情況下，該吸收帶非常微弱。但當(dāng)大氣壓力高過(guò)5個(gè)大氣壓時(shí)，該吸收帶所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)就會(huì)變得非常明顯（Courtin,1988）。考慮到超級(jí)地球的引力比地球大，其大氣層也有可能超出5個(gè)大氣壓，因此，N2的溫室效應(yīng)也有可能非常重要。在第5節(jié)，我們?cè)岬竭^(guò)超級(jí)地球的大氣層有可能包含H2。在大氣壓力較大的情況下，分子碰撞可以使 H2在紅外波段也具有顯著的連續(xù)吸收帶（Borysow, 2002），所以，H2在壓力較大時(shí)也是溫室氣體。例如，H2對(duì)紅外波段的吸收決定了木星或土星大氣的熱力結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)于超級(jí)地球來(lái)講，H2的溫室效應(yīng)也將對(duì)氣候有著重要的影響（Pierrehumbert and Gaidos, 2011）。SiO2的結(jié)構(gòu)與 CO2類似，所以，氣態(tài)的 SiO2也是一種溫室氣體。一些溫度極高的固態(tài)星球如 CoRot-7b的大氣層有可能擁有SiO2成分，因?yàn)槠浔砻娴墓杷猁}巖石在高溫下?lián)]發(fā)成為氣態(tài)。以上所述的溫室氣體都是地球大氣中不存在的。

大氣環(huán)流對(duì)系外行星氣候也有著重要的影響，就像地球大氣環(huán)流對(duì)地球氣候系統(tǒng)的能量輸送和再分布起著關(guān)鍵的作用是一樣的。目前對(duì)系外行星大氣環(huán)流的研究主要集中在潮汐鎖相行星的大氣運(yùn)動(dòng)。如前面所述，這一方面是因?yàn)槟壳八l(fā)現(xiàn)的系外行星有相當(dāng)一部分都距離其恒星比較近，位于潮汐鎖相的范圍內(nèi)，所以，研究其大氣環(huán)流對(duì)更好地觀測(cè)這些系外行星有很重要的意義。另一方面，潮汐鎖相行星接收其恒星的輻射極端不均勻，一面永久性地接受恒星輻射，而另一面永遠(yuǎn)得不到恒星輻射，背陽(yáng)的一面是否會(huì)因?yàn)闃O低的溫度產(chǎn)生大氣坍塌現(xiàn)象？在如此極端的加熱不均勻的情況下，行星大氣的環(huán)流特征是什么？這些問(wèn)題都是太陽(yáng)系行星大氣所沒(méi)有的，因此是很重要的科學(xué)問(wèn)題。另外，因?yàn)樵诩t矮星附近發(fā)現(xiàn)宜居行星的幾率要高于其他恒星，而位于紅矮星宜居帶內(nèi)的行星基本是潮汐鎖相的。

雖然潮汐鎖相行星的背陽(yáng)面永遠(yuǎn)無(wú)法得到恒星輻射，但大氣運(yùn)動(dòng)將熱量從向陽(yáng)面輸送到背陽(yáng)面，從而加熱背陽(yáng)面的地面和大氣。另一方面，背陽(yáng)面地面和大氣向外輻射紅外輻射。因此，背陽(yáng)面的溫度取決于來(lái)自向陽(yáng)面大氣的熱量輸送和背陽(yáng)面向外的紅外輻射冷卻之間的平衡。為了研究大氣熱量輸送是否足以使潮汐鎖相行星的背陽(yáng)面不出現(xiàn)大氣坍塌現(xiàn)象，Joshi et al.（1997）使用一個(gè)簡(jiǎn)單的三維大氣環(huán)流模式（輻射部分采用的是灰體大氣）計(jì)算了在不同大氣壓力的情況下潮汐鎖相行星背陽(yáng)面的溫度。他們的模擬結(jié)果表明，只要地表大氣壓大于 100 hPa，大氣的經(jīng)向熱量輸送將足以使背陽(yáng)面的溫度高于CO2的凝結(jié)溫度，也就是說(shuō)，只要潮汐鎖相行星的大氣層不太稀薄，就能夠輸送足夠熱量到背陽(yáng)面，使大氣成分在背陽(yáng)面的溫室氣體不至于凝結(jié)或凝固而沉降到地面。因此，位于紅矮星宜居帶內(nèi)的行星仍有可能是宜居星球。

因?yàn)檫€沒(méi)有系外固態(tài)行星大氣的真實(shí)成分的觀測(cè)資料，對(duì)這些行星的氣候模擬只能根據(jù)太陽(yáng)系固態(tài)行星大氣成分的現(xiàn)有知識(shí)來(lái)做出假設(shè)，通常假定其大氣成分與地球大氣類似，來(lái)檢驗(yàn)在不同溫室氣體(主要是CO2) 含量情況下的地表溫度。Pierrehumbert（2011）使用一個(gè)修改的地球氣候模式與平板海洋相耦合，模擬了Gl 581g的表面氣候特征。其模擬結(jié)果表明，在CO2濃度足夠高的情況下，向陽(yáng)面可以維持一個(gè)以恒星輻射直射點(diǎn)為中心的開(kāi)放海洋區(qū)域（也就是該區(qū)域的溫度高于273 K），而極區(qū)和背陽(yáng)面則是冰封，但不會(huì)出現(xiàn)大氣坍塌現(xiàn)象。

平板海洋模式并沒(méi)有考慮海洋的熱量輸送。根據(jù)海洋熱量輸送對(duì)地球氣候的重要性，我們知道海洋在向陽(yáng)和背陽(yáng)面之間的熱量輸送也同等重要，尤其是對(duì)如超級(jí)地球那樣可能完全被海洋覆蓋的水世界。另外，冰雪—反照率反饋對(duì)于紅矮星宜居帶內(nèi)的宜居行星也有特殊的意義。這一方面是因?yàn)樵诩t矮星的宜居帶內(nèi)，即使宜居行星的背陽(yáng)面溫度沒(méi)有低到可以產(chǎn)生大氣坍塌的程度，但足以低到水的冰點(diǎn)之下，所以，其背陽(yáng)面以及向陽(yáng)面的部分區(qū)域很可能是冰封的，那么冰雪—反照率反饋仍有可能使宜居帶內(nèi)的行星進(jìn)入冰雪地球的狀態(tài)而不適宜生命存在。另一方面，與類太陽(yáng)恒星將近 6000 K的輻射溫度相比，紅矮星的輻射溫度較低，一般在3500 K左右，因此，紅矮星的輻射峰值波長(zhǎng)是在0.9 μm附近（相對(duì)于太陽(yáng)的輻射峰值波長(zhǎng)0.55 μm），更靠近近紅外波段（Hu and Ding, 2011）。而冰和雪對(duì)近紅外的反照率遠(yuǎn)小于對(duì)可見(jiàn)光波段的反照率，所以，冰雪—反照率正反饋機(jī)制對(duì)紅矮星輻射應(yīng)該較弱。同樣是因?yàn)榧t矮星的主要輻射能量靠近近紅外波段，當(dāng)紅矮星輻射在大氣中傳輸時(shí)，將有相當(dāng)一部分被大氣中的水汽所吸收（水汽在近紅外波段（1.0～3.5 μm）有很強(qiáng)的吸收帶），相應(yīng)地，地表接收的紅矮星輻射將減少。正是由于這些原因，我們使用包含真實(shí)大氣輻射傳輸和動(dòng)力海冰模塊的?！?dú)怦詈蠚夂蚰Ｊ剑–CSM3）對(duì)Gl 581g的氣候進(jìn)行了模擬，假定Gl 581g是一個(gè)海洋世界。圖10所示的是當(dāng)大氣中CO2濃度在355 ppm的條件下，Gl 581g表面的海冰分布、海表面溫度、海冰和表層海水的運(yùn)動(dòng)速度（Hu et al., 2013）。在恒星輻射直射點(diǎn)周?chē)虚_(kāi)放的海洋（藍(lán)色），開(kāi)放海域并非是一個(gè)圓形的區(qū)域，而是類似“龍蝦”型的（圖10a）。強(qiáng)赤道洋流把溫暖的海水吹向直射點(diǎn)的東側(cè)，把背陽(yáng)面的海冰輸送到直射點(diǎn)附近。在圖10b中，最高溫度中心并非在恒星直射點(diǎn)，而是位于赤道的兩側(cè)，溫度最高值大約是5°C，溫度高于0°C的范圍大約在南北緯30°和經(jīng)度150°和250°之間，背陽(yáng)面溫度相當(dāng)均勻，最低溫度位于兩個(gè)半球的副極區(qū)，最低溫度值高于－60°C，遠(yuǎn)高于CO2的凝結(jié)（凝固）溫度閾值。這些說(shuō)明冰雪—反照率正反饋機(jī)制不足以使潮汐鎖相行星進(jìn)入冰雪地球的氣候狀態(tài)，而且海洋對(duì)潮汐鎖相行星的熱量輸送是非常重要的。洋流的波動(dòng)特征很類似 Gill（1980）所給出熱帶波動(dòng)形狀，在直射點(diǎn)南北兩側(cè)是兩個(gè)氣旋性Rossby波動(dòng)，沿赤道的長(zhǎng)尾巴是Kelvin波動(dòng)。赤道附近的洋流較中高緯度洋流速度大得多，形成一支赤道急流。雖然Gl 581g的自轉(zhuǎn)速度（自轉(zhuǎn)周期大約是37個(gè)地球日）較地球自轉(zhuǎn)慢得多，但洋流速度遠(yuǎn)大于地球的洋流速度，這是因?yàn)闆](méi)有陸地阻擋洋流的結(jié)果，很像地球上的繞南極洋流。

紅矮星附近的熱木星也是潮汐鎖相行星，其大氣環(huán)流特征也是目前的研究熱點(diǎn)。Showman et al.（2010, 2011）使用淺水方程從理論上研究了熱木星的大氣環(huán)流特征和波動(dòng)。他們發(fā)現(xiàn)熱木星赤道上空大氣盛行超級(jí)旋轉(zhuǎn)氣流，也就是西風(fēng)氣流，而赤道附近的準(zhǔn)定常行星波動(dòng)呈Gill型特征，也就是兩個(gè)對(duì)稱氣旋分別位于赤道的兩側(cè)，赤道附近有一Kelvin波動(dòng)。潮汐鎖相行星的大氣環(huán)流之所以具有超級(jí)旋轉(zhuǎn)氣流和Gill型準(zhǔn)定常熱帶波動(dòng)與其固定的熱源有關(guān)，向陽(yáng)一面始終被加熱，這一定常熱源類似于地球熱帶西太平洋的暖池。潮汐鎖相行星的大氣環(huán)流特征也被其他三維大氣環(huán)流模式和觀測(cè)所證實(shí)（Hengand Vogt, 2011; Merlis and Schneider,2010; Knutson et al., 2007）。

圖9 輻射—對(duì)流模式模擬的Gl 581c（a）和Gl 581d（b）的大氣垂直溫度廓線。在圖（a）中，CO2體積分?jǐn)?shù)均為50 ppm，藍(lán)色線代表干大氣（僅考慮輻射平衡），綠色線代表濕大氣（水氣混合比與地球大氣相同），紅色線代表固定相對(duì)濕度的模擬結(jié)果（模式無(wú)法達(dá)到平衡）。在圖（b）中，對(duì)流調(diào)整使用的是干絕熱大氣遞減率，地表反照率是0.15，不同地表溫度所對(duì)應(yīng)的大氣CO2 含量均標(biāo)示在圖中。引自Hu and Ding（2011）Fig.9 Simulated vertical temperature profiles for Gl 581c (a) and Gl 581d (b).From Hu and Ding (2011)

圖10 ?！?dú)怦詈蠚夂蚰Ｊ侥M的Gl 581g的海冰覆蓋率和海冰運(yùn)動(dòng)速度（a）以及海表氣溫和洋流速度（b）。在圖（a）中，箭頭代表海冰運(yùn)動(dòng)速度，色彩表示海冰的覆蓋率。在圖（b）中，箭頭代表表層海水的運(yùn)動(dòng)速度，彩色背景表示表層海水的溫度，彩色標(biāo)尺不是線性的。引自Hu et al.（2013）Fig.10 Simulated sea-ice coverage and sea-ice velocity (a) and surface air temperature and ocean velocity (b).In plot (a), colors indicate sea-ice coverage,and arrows indicate sea-ice velocity.In plot (b), colors indicate sea surface temperatures, and arrows indicate ocean water velocity.From Hu et al.(2013)

即使位于宜居帶內(nèi)的行星的氣候條件類似于地球的氣候條件，但并不能保證有生命存在，因?yàn)檫@些行星的宜居性還受許多其他因素的影響。紅矮星的輻射溫度雖然比類太陽(yáng)恒星的輻射溫度低得多，但其紫外輻射和更高能的射線都比類太陽(yáng)恒星在這些波段的輻射強(qiáng)得多。實(shí)際上，類太陽(yáng)恒星在早期的活躍期雖然總體輻射強(qiáng)度較弱，但其紫外和高能輻射比現(xiàn)在強(qiáng)。紅矮星的活躍期可以持續(xù)數(shù)10億年（West et al., 2008）。這些高能射線對(duì)有機(jī)體的殺傷力很大，不適宜生命的存在，這些高能射線也有可能加速大氣逃逸（Lammer et al., 2007）。另外，如前所述，紅矮星周?chē)囊司有行堑淖赞D(zhuǎn)速度很慢，其磁場(chǎng)很可能很弱。這是因?yàn)樾行堑拇艌?chǎng)強(qiáng)度與其自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)，如果自轉(zhuǎn)較慢，其磁場(chǎng)通常較弱。例如，金星幾乎沒(méi)有磁場(chǎng)，一般認(rèn)為這與其極慢的自轉(zhuǎn)速度有關(guān)（其內(nèi)部是否具有類似地球那樣的液態(tài)鐵核也是一個(gè)問(wèn)題）。如果磁場(chǎng)太弱，類似太陽(yáng)風(fēng)那樣的恒星高能粒子流很容易侵蝕大氣層，并導(dǎo)致大氣逃逸。這些因素都將對(duì)系外行星的宜居性產(chǎn)生重要影響。

7 總結(jié)

隨著愈來(lái)愈多的系外行星的發(fā)現(xiàn)，系外行星大氣和氣候的研究正在成為系外行星科學(xué)的一個(gè)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。一方面，我們目前對(duì)系外行星大氣的理解在很大程度上都是基于太陽(yáng)系行星大氣的知識(shí)。另一方面，對(duì)系外行星大氣和氣候的研究也大大地加深和擴(kuò)展了我們對(duì)太陽(yáng)系行星大氣和氣候的認(rèn)識(shí)。從目前有限的觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，系外氣態(tài)行星的大氣成分與太陽(yáng)系氣態(tài)巨行星的大氣成分沒(méi)有本質(zhì)上的差別，其主要成分是H2和He，但痕量氣體成分的比例有可能有很大的差別，尤其是熱木星的痕量氣體成分與太陽(yáng)系木星和土星的成分應(yīng)該有顯著的差異。對(duì)于固態(tài)系外行星的大氣成分，目前還沒(méi)有可靠的觀測(cè)結(jié)果。因此，對(duì)系外固態(tài)星球大氣成分的認(rèn)識(shí)主要是根據(jù)太陽(yáng)系固態(tài)星球大氣成分、演化的知識(shí)，還有基于固態(tài)系外行星的溫度和可能固態(tài)組成成分的推測(cè)。在短時(shí)期內(nèi)，人們關(guān)于氣態(tài)系外行星大氣成分的觀測(cè)將會(huì)進(jìn)一步加深，尤其是在更高分辨率的James Webb太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射之后（計(jì)劃于2014年發(fā)射），但對(duì)體積較小、大氣標(biāo)高較小的固態(tài)系外行星大氣成分的觀測(cè)還比較困難。

目前對(duì)于系外行星其后的研究還處于剛開(kāi)始的階段，主要是因?yàn)槲覀冞€沒(méi)有系外行星大氣成分和固體成分的觀測(cè)結(jié)果?，F(xiàn)階段的研究主要集中在紅矮星宜居帶內(nèi)、潮汐鎖相超級(jí)地球的可能氣候環(huán)境，因?yàn)槟壳八l(fā)現(xiàn)的最有可能適合生命存在的超級(jí)地球大多位于紅矮星周?chē)ㄈ鐖D 6所示）。這些研究工作主要是基于假定超級(jí)地球的大氣成分與地球大氣成分類似的模擬研究，在這樣的假設(shè)條件下，模擬結(jié)果表明，這些超級(jí)地球的氣候環(huán)境是適合生命存在的。

需要指出的是，宇宙的生命很可能是多樣化的，而我們這里所指的生命僅僅是與地球上生命相類似的，主要以碳和水為主要組成成分的有機(jī)體，所以，這里所說(shuō)的適合生命存在的氣候環(huán)境是指與地球氣候環(huán)境類似的。另外，即使是類地固態(tài)行星，生命也只能在行星形成后一定的時(shí)期內(nèi)才能夠出現(xiàn)。例如，地球最初生命的出現(xiàn)是在其形成將近10億年之后（大約35億年前），在大約40億年后才出現(xiàn)動(dòng)物（動(dòng)物出現(xiàn)在寒武紀(jì)之后，大約5.4億年前），而人類的出現(xiàn)是在 300萬(wàn)年前。因此，即使是類地球系外行星，生命也可能只存在于行星歷史中的某一時(shí)期。

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