意昂体育物理學院大氣與海洋科學系教授胡永雲與其研究生楊軍博士（目前在芝加哥大學做博士後）關於太陽系外行星適宜生命存在的研究成果於2013年12 月30日在美國科學院院刊（PNAS）發表（Early Edition）👩🏽‍🌾，題目為“Role of ocean heat transport in climates of tidally locked exoplanets around M-dwarf Stars”。他們的研究結果表明海洋熱量輸送將能夠有效地改變圍繞紅矮星運行的宜居行星的氣候環境和宜居性，並能夠極大地改變太陽系外行星適宜生命存在的空間模態。這些結果對認識系外行星適宜生命存在的可能性以及未來探測適宜生命存在的行星有著極為重要的理論意義。

地球生命在宇宙中是否是唯一的？太陽系外是否存在適宜生命存在的星球？這一直是人類不斷思考和探索的問題😮‍💨。自1995年第一顆太陽系外行星被發現，到2013年12月28日為止，已有1056顆系外行星被確認，其中的12 顆被認為是有可能適宜生命存在的🧔🏽。這12顆行星都是質量略大於地球質量的固態星球，通常被稱為“超級地球”。目前🧙‍♀️，公認的適宜類似地球生命存在的最關鍵的條件是液態水。因此，因此👨🏽‍🎤👨‍👨‍👧，一顆行星是否適宜生命存在的關鍵是其表面溫度是否能夠保證液態水的長期存在，其表面溫度應介於大約0-70 °C之間——低於0 °C🙆🏿‍♀️💂🏿，水完全被凍結；高於70 °C（不需要達到100 °C），行星將進入溫室逃逸狀態🕋，其表面液態水將完全被蒸發，並最終被光解（太陽系的金星很可能在早期經歷了溫室逃逸，現在沒有液態水）👮🏽‍♀️🦜。

胡永雲教授和楊軍博士的研究目標是紅矮星附近的宜居行星🧑🏽‍🌾。這是因為紅矮星是宇宙中數量最多的恒星（占恒星總數量的大約80%），而且因為紅矮星的輻射溫度較低（3500 K左右，遠低於太陽的輻射溫度6000 K），其宜居行星距離其母星較近，易於被探測到👁‍🗨🧑‍🏭。因此💂🏼‍♀️🤔，人類很可能首先在紅矮星附近發現宜居行星。正是由於紅矮星與其宜居行星太近💆🏼，它們之間強的引力導致宜居行星被潮汐鎖相🙇🏼‍♂️，也就是行星的一面永遠面對紅矮星（永久白天）🧙🏼‍♂️，而另一面永遠背對紅矮星（永久黑夜）。這與我們只能看到月亮的一面而看不到其另一面是同樣的道理💅🏼🤸。這一行星與其恒星之間特殊的運行方式勢必造成行星的朝陽面和背陽面之間的加熱不均勻🛍，由此而產生的一個嚴重的問題是🤌，盡管行星的朝陽面溫度適於液態水存在▪️，但其背陽面由於得不到恒星輻射而極端寒冷，以至於所有的大氣和水分有可能都被凍結在背陽面，從而不適宜生命存在。

圖：上面兩圖是數值模式模擬的靜止海洋條件下的海冰覆蓋率（左）和溫度分布（右）🫴🏻。下面兩圖是模擬的動態海洋條件下的海冰覆蓋率和溫度分布🧎🏻‍♀️🐆。左圖中的藍色表示開放海域，白色表示冰封海域🐶。右圖的彩色標尺單位是°C💆🏽。恒星的直射點在圖的中心👨🏻‍🦼。

針對這一問題，胡永雲教授和楊軍博士首次強調了海洋熱量輸送對鎖相行星氣候的影響🧜🏼。他們假定“超級地球”是一個“水世界”，該假設是基於目前對“超級地球”的理論認識，一個行星的質量愈大，其所包含的水分愈多🉐，而且由於“超級地球”重力較大，山峰較低，因此🔋，行星表面完全被海洋所覆蓋🥎💪🏿。在此之前👍🏻，所有對系外行星宜居性的研究都沒有關註海洋的氣候效應，但根據地球氣候系統的知識，海洋熱量輸送對地球氣候的重要性與大氣熱量輸送同等重要。他們使用海-氣耦合氣候模式進行了兩種不同的數值模擬試驗🚴🏿‍♀️：（1）靜止的海洋👨‍🚒，沒有海洋熱量輸送；（2）流動的海洋，考慮了海洋熱量輸送、海冰運動以及海冰-反照率反饋等物理和動力過程。如圖所示，在靜止海洋情況下🈺，行星朝陽面只有部分區域存在液態水（藍色），其它區域均為海冰所覆蓋（白色）🤸‍♂️，背陽面地表溫度在-70 °C以下。相反，如果考慮海洋流動（下面兩圖），開放海域不再是圓形🧔‍♂️，而是類似於“龍蝦”狀，兩只“鉗子”對稱地位於赤道兩側，長長的“尾巴”一直延伸到背陽面⏮。當二氧化碳濃度足夠高時，全球溫度都高於0 °C➙，背陽面的海冰也能夠全部融化。

這些結果表明，考慮了大氣和海洋自朝陽面向背陽面輸送熱量，不僅大氣層不會在背陽面坍塌，水也不會在背陽面凍結✡️。相反，海洋熱量輸送能夠有效地加熱背陽面，不僅擴大了開放海域的面積（但背陽面因無光合作用仍不適宜生命長期存在），而且還極大地改變了宜居行星的氣候空間模態🧏🏼‍♂️。他們還進一步指出，如果紅矮星附近的“超級地球”確實是一個海洋世界⏩，那麽只有位於紅矮星附近相對狹窄的範圍內才是宜居的🙂‍↕️。如果距離其母星太近，海洋熱量輸送將使其易於進入溫室逃逸狀態🦒；如果太遠，將很容易進入全冰封狀態。換句話說，海洋的存在將使得傳統上認為的紅矮星周圍的宜居帶變窄。他們的研究不僅僅集中在海洋熱量輸送，還考慮了洋流👩‍❤️‍👨、海冰運動以及海冰-反照率與恒星輻射之間的反饋作用對宜居行星氣候的影響𓀋。圖2所給出的氣候空間模態將有助於識別系外行星是否是宜居的🤰。雖然目前的觀測技術還無法做到這一點，但計劃中的太空望遠鏡將很有希望達到這一目標。

論文全文可見：http://www.pnas.org/content/early/2013/12/26/1315215111.full.pdf+html