想找可居住行星？科學(xué)家有套流程
現(xiàn)在每一則科學(xué)家聲稱找到一顆可能可居住行星的聲明，背后都有一套可簡化的既定流程：天文學(xué)家首先測量新發(fā)現(xiàn)行星的質(zhì)量，然后如果可行的話，也會測量它的半徑，因此估計(jì)出對該行星的密度，以及是否像地球一樣由巖石構(gòu)成的可能性估計(jì)。他們也會決定該巖石行星繞行恒星的軌道距離，以及該恒星光芒的強(qiáng)度和顏色。有了這些加起來可以寫在一只手掌上的數(shù)據(jù)，接下來就會透過數(shù)值建模來做轉(zhuǎn)譯。
特別的部分是，他們會求教于卡斯丁的論文〈主序星周圍的可居住范圍〉（HabitableZones around Main Sequence Stars），這是他最常被引用的論文，于 1993 年發(fā)表于期刊《伊卡洛斯》（Icarus）上。論文中，卡斯丁與丹．惠特麥爾（Dan Whitmire）、雷．雷諾斯（Ray Reynolds）兩位同事，使用一種由卡斯丁發(fā)明的氣候模型，來決定哪一條環(huán)繞恒星的軌道，最有可能讓巖石行星的表面擁有液態(tài)水。
一顆在適居范圍內(nèi)的行星，其表面有可能會被太陽烤得太干，以至于所有水分瞬間化為蒸氣，遍布在大氣層內(nèi)，最終慢慢逃逸至太空，如同金星的情況。至于在這范圍之外，行星表面的水可能會凍結(jié)，則如火星上所見。如果一個新發(fā)現(xiàn)的巖石行星確實(shí)是在卡斯丁所訂的適居范圍內(nèi)，不久后其發(fā)現(xiàn)者便會聯(lián)絡(luò)資助機(jī)構(gòu)的媒體辦公室，然后他們的名字就會出現(xiàn)在晚間新聞和《紐約時(shí)報(bào)》上。
2013 年一月，卡斯丁與他人聯(lián)合發(fā)表了一篇論文，稍微修正了他已有二十年歷史的計(jì)算結(jié)果，但這一點(diǎn)改進(jìn)并未大幅改變他早期成果的核心結(jié)論。
一顆在適居范圍內(nèi)的行星都不一定真的能形成合適生物發(fā)展的環(huán)境，像在地球內(nèi)側(cè)的金星會因?yàn)樘咏柖豢镜锰桑▓D中地球左側(cè)）；像在地球外側(cè)的火星則會因?yàn)樘h(yuǎn)而凍結(jié)（圖中地球右側(cè)）
生命？問題在空氣！
僅能憑借屈指可數(shù)的數(shù)據(jù)，來估算一顆遠(yuǎn)方行星的適居性，其實(shí)是充滿變數(shù)的；在那之中，大量的假設(shè)和深信不移，都不可避免地會成為常態(tài)。這種估計(jì)之所以能夠成立，只是因?yàn)樵谖覀兯姆秶鷥?nèi)和可見的宇宙中，物理法則都是一樣的，不管在太陽系還是某些遙遠(yuǎn)的外星球皆然。
不論在宇宙何處，只要星光照在行星上，就會把輻射能打入那行星的系統(tǒng)中。會有多少能量過濾進(jìn)去，要看那行星的大氣層以及星光的波長（或說顏色）。在1993 年那串經(jīng)典計(jì)算中，卡斯丁和同事為虛擬行星設(shè)定的大氣構(gòu)成條件，是他們認(rèn)為類地行星大氣構(gòu)成的最典型結(jié)果：極高量的惰性氮?dú)猓殡S大量二氧化碳及水汽。證據(jù)顯示，這可能是冥古宙地球的大氣結(jié)構(gòu)，但對于那些未經(jīng)測量且有大氣的巖石系外行星來說，任何組成方式目前都只能看做是某種可能的猜測。
在選定特定的大氣層配方之后，卡斯丁的數(shù)值法就會生效，這些多半是他在NASA 那七年中開發(fā)的。在那段時(shí)間當(dāng)中，他全心致力于讓模型更完美，甚至以手工將每一種星光與大氣的重要相互作用進(jìn)行編碼。
在真實(shí)世界以及卡斯丁的模型中，某種特定波長的光子，可能會從大氣層頂端反彈回去，但其他波長的光子就有可能一路穿過大氣層，平安直達(dá)地表。至于大氣層內(nèi)，不論是真實(shí)還是虛擬的情況，光子都有可能被云層反射，或是被地表上明亮的積雪反射。它有可能被溫室氣體吸收，或是被海洋的深色海水吸收。當(dāng)一個光子特別有能量時(shí)──例如紫外線或在電磁光譜上更高頻率的光子──它甚至?xí)矒舴肿訉⑵浞纸?，而在空氣中與地表上產(chǎn)生全新的物質(zhì)──這種過程稱為「光解作用」（photolysis）。接著，光解產(chǎn)物又會在吸收或反射光子上產(chǎn)生獨(dú)有的二度效應(yīng)，這些全部都要算進(jìn)去。
多年來，卡斯丁累積所有他能找到的必要數(shù)據(jù)，建立起一個龐大的數(shù)據(jù)庫，包括輻射吸收表、光化學(xué)反應(yīng)速率、不同氣體的大氣層壽命，以及各類氣體從火山噴出或被巖石吸收的全球速度。所有這些各式各樣的交互作用和輸入，結(jié)合起來會對一顆行星的大氣成分和平均溫度──也就是氣候──產(chǎn)生巨大的影響。
氣候才沒你想的那么簡單！
如果你天真地只根據(jù)陽光吸收量和平均反射率（或稱「反照率」〔albedo〕），就計(jì)算當(dāng)代地球表面的平均溫度，那你會得到攝氏負(fù)十八度的數(shù)值，這個數(shù)字遠(yuǎn)低于水的冰點(diǎn)。但若你用卡斯丁其中一個氣候模型來計(jì)算，則會得到攝氏十五度的結(jié)果，而這當(dāng)然就是地球?qū)嶋H的平均表面溫度。不符之處絕大部分是因?yàn)閿?shù)種不同的溫室氣體所造成的暖化，其中每一種卡斯丁都得辛苦地詳加說明，好讓人容易理解。
舉例來說，水汽就必須謹(jǐn)慎處理，因?yàn)樗鼘?shí)際上是種比二氧化碳強(qiáng)上太多的溫室氣體；比起二氧化碳，水汽在光譜上能有效吸收的熱紅外范圍要大上太多。此外，它對氣候的影響在質(zhì)量上是不同的：不像二氧化碳在地球常溫下保持氣態(tài)，水汽密切受到地球溫度變化的影響。低溫可以讓水汽凝結(jié)成云并形成降雨、降雪或冰雹，從而移除了溫室效應(yīng)并使氣溫更冷；相反地，高溫會增加地表水的蒸散率，將更多水汽送入空氣，而讓氣溫進(jìn)一步上升。因此，水汽有放大其他氣候改變──例如大氣層二氧化碳水平提高所造成的穩(wěn)定加熱──的正回饋?zhàn)饔?。如果二氧化碳是支撐地球氣候變遷的支點(diǎn)，那么水汽可說是杠桿。
水汽實(shí)際上是種比二氧化碳強(qiáng)上太多的溫室氣體；比起二氧化碳，水汽在光譜上能有效吸收的熱紅外范圍要大上太多。在溫室效應(yīng)的反應(yīng)中，水汽可說是杠桿。
卡斯丁的氣候模型其中一個關(guān)鍵輸出，是所謂的「溫度壓力剖面圖」（temperature-pressureprofile）──這句科學(xué)行話，指的是照耀大氣層的星光，將如何影響該星球的溫度還有其垂直結(jié)構(gòu)。
舉例來說，地球的大氣層反射了四分之一的入射陽光，另有四分之一被大氣中的溫室氣體吸收，最后大約有一半的陽光透入地表。這代表，地球的大氣層一般來說比地表更冷，是藉由對流從底端加溫，就像爐上燒開水一樣。地球上大部分的表面加熱和對流，發(fā)生在赤道一帶；在那里，就像檢視任何球體時(shí)會發(fā)現(xiàn)的一樣，從頭頂直接打下來的光會被更多的表面地區(qū)所吸收。濕潤空氣的對流從溫暖表面開始起伏波動，在升高和擴(kuò)大后溫度下降，最終冷到足以凝結(jié)水汽，而將水霧卸除──也就是形成云和雨。大氣對流足以解釋為何熱帶比極地?zé)?；為何山頂高處附近的空氣雖然比較接近太陽輻射，卻比海平面的平原空氣來得稀薄且干冷；為何大雷雨通常在熱天正午過后幾小時(shí)的午后或傍晚才發(fā)生。
地球的溫度壓力剖面圖在大氣中產(chǎn)生的特征，叫做對流層頂（tropopause）。這是一條區(qū)分下方溫暖、充滿天氣變化的對流層，以及上方較冷、較稀薄平流層的區(qū)隔線。因?yàn)樗佑|低溫時(shí)會凝結(jié)，所以它會被迭在上頭較冷的大氣層有效地困在對流層頂下。1980年代，透過卡斯丁、同事詹姆士．波拉克（JamesPollack）以及一些在NASA 阿姆斯研究中心同行的一系列研究，人們明了了這個「冷圈套」效應(yīng)，對地球長期保有水分的狀態(tài)有多么重要。當(dāng)時(shí)他們很想知道，為何地球鄰近的孿生行星金星，盡管證據(jù)顯示它最初也曾溫和宜人，并且濕潤一如此刻的地球，但后來卻發(fā)展出和地球如此天差地別的氣候。
對流層頂是一條區(qū)分下方溫暖、充滿天氣變化的對流層，以及上方較冷、較稀薄平流層的區(qū)隔線。
如果這世界海消失了
「對我們這類人來說，金星最有趣的地方在于，它在適居范圍的內(nèi)在限制上所代表的意義。」我們在他的辦公室閑聊時(shí)，他這么說。
「它對『我們應(yīng)該對太陽系外另一顆行星有什么期待』，設(shè)下一個合理的經(jīng)驗(yàn)限制──我們不需要建立太多模型，就能猜到是什么讓金星接收的陽光量變得不宜人居。所以，若想知道一顆本來跟地球條件相似的行星，若形成時(shí)太靠近恒星，會變得怎么樣；或是想知道當(dāng)一顆可居住行星的恒星隨時(shí)間變亮?xí)r，那行星會發(fā)生什么事，金星全都會告訴你?！?/span>
卡斯丁以多位行星科學(xué)家（其中最有名的是加州理工學(xué)院的安德魯．英格索〔AndrewIngersoll〕）的過往成果為基礎(chǔ)，建立了當(dāng)?shù)厍蜍壍老騼?nèi)靠近太陽，而比較接近金星軌道時(shí)，以及太陽隨地質(zhì)時(shí)間慢慢增加其亮度，地球大氣結(jié)構(gòu)（地球的溫度壓力剖面圖）因應(yīng)陽光強(qiáng)度增加的預(yù)測模型。他發(fā)現(xiàn)，若陽光強(qiáng)度以相對和緩的百分之十增加，或把地球軌道向內(nèi)移個0.95 天文單位，也就是向太陽靠近百分之五的話，溫度增加會讓對流層充滿水汽，而使得對流層頂加高至九十英哩（一百四十五公里）的高度，甚至更高。
當(dāng)卡斯丁看到對流層頂在數(shù)據(jù)模型中會如何飆高，便知道他見證了那個虛擬世界走向終結(jié)，且有一天那也會是我們的終結(jié)：抬到那種高度的水汽，大部分會飄到臭氧層的保護(hù)之上，并在那里被太陽的紫外線光解；小比例放出的氫原子，會完全逸入外層空間，與地球氧氣結(jié)合產(chǎn)生水的可能性也隨之從此消失。
在幾億年內(nèi)，以此方法損失到太空的氫，已足以讓地球海洋干涸，讓行星生命消失，并且干燥無比，因?yàn)榈乇砘蚩諝庵卸荚僖膊皇Ｒ坏嗡?。十億年過后，太陽遠(yuǎn)在會膨脹成紅巨星，并在物理上吞噬地球之前，亮度就會先增強(qiáng)那關(guān)鍵的百分之十，而地球?qū)㈤_始快速失去水分及生命。現(xiàn)在已有共識認(rèn)為，金星就是在這個「水霧平流層」機(jī)制下，在太陽系早期階段就失去其海洋。至于其0.95 天文單位的門坎，則接近卡斯丁1993 年那篇權(quán)威論文中適居范圍的內(nèi)側(cè)邊緣。
隨著金星失去海洋，升高的氣溫把二氧化碳逼出行星的地殼，而由這些氣體填滿大氣層。因此，金星的大氣層現(xiàn)在大約是地球的九十倍濃，而且?guī)缀醵际羌兌趸?，產(chǎn)生的溫室效應(yīng)強(qiáng)到讓行星表面的溫度甚至可以把鉛熔化。在第二系列的研究中，卡斯丁和同事調(diào)整了地球大氣層的二氧化碳含量，來檢驗(yàn)二氧化碳增加是不是比陽光增加，會更快導(dǎo)致平流層潮濕，而使海洋消失。
出乎卡斯丁意料之外，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)二氧化碳水平增加而使氣溫飆升時(shí)，釋放的大量水汽起了高壓鍋鍋蓋的作用，將低處的大氣層加壓到海洋無法沸騰的程度，使地球的平流層維持相對干燥。
數(shù)據(jù)模型指出，要讓平流層浸滿水霧，且讓海洋蒸發(fā)并逃逸至太空，地球大氣層的二氧化碳得要達(dá)到目前濃度的二十五倍以上，不過，就算把整個地球已知的「常規(guī)」石油煤炭等化石燃料全部燒光，釋放的二氧化碳也沒那么多。但如果把整顆行星的非常規(guī)資源，如馬塞盧斯的頁巖天然氣也都燒光的話，這樣就有可能?；蛟S人類可以輕松讓地球發(fā)一場毀滅社會并嚴(yán)重消滅既有生物多樣性的高燒，但卡斯丁的計(jì)算主張，人類要產(chǎn)生上述的濕潤平流層，其實(shí)非常困難──但并非絕對不可能。
在他的計(jì)算中，光靠燃燒化石燃料，就讓行星把海洋送到太空，顯然超過現(xiàn)代文明的能耐。
要讓平流層浸滿水霧，且讓海洋蒸發(fā)并逃逸至太空，地球大氣層的二氧化碳得要達(dá)到目前濃度的二十五倍以上，不過就算把整個地球已知的「常規(guī)」石油煤炭等化石燃料全部燒光，釋放的二氧化碳也沒那么多。
天邊一朵云的美妙
然而，在卡斯丁的思考中仍有些明顯的不確定性，例如科學(xué)還不能徹底不理會人造水霧平流層，會導(dǎo)致地球過早出現(xiàn)失控溫室的可能性。此外，二氧化碳和水汽以外的溫室氣體，對地球氣候也會起作用，并有可能成為卡斯丁模型中未計(jì)算到的顯著未來效應(yīng)。而且，目前沒人知道地球內(nèi)確切的化石燃料封存量，也不知道根據(jù)未來市場條件和可能的技術(shù)發(fā)展，這個粗估量有多少比例能有效地提取并燃燒。更基本的是，沒人完全了解溫度和壓力的變化，會怎么影響水汽吸收紅外熱輻射。這部分沒有一處是明顯的，跟觀察云的難度可說不相上下。
對一般人來說，云是很簡單的東西，不過是藍(lán)天中的幾片棉花，或是預(yù)告壞天氣的不祥灰幕。然而，對卡斯丁這樣的氣候建模者來說，云是水汽最多變且迷人的形式，其極端的復(fù)雜性彷佛變幻莫測的活物。根據(jù)云層的大小、高度和組成方式，它有可能讓地球暖化，也可能讓地球降溫。一整面濃密而低的云層，可以把一大部分的陽光反射回勝博發(fā)太空，潛在地降低了氣溫。但若在低而濃密的云層上方高處放一層薄云，那么就會因?yàn)榘胪该鞯纳戏皆茖訒岅柟馍淙?，但把其后要散逸的熱困住，冷卻效應(yīng)就會大打折扣。每個人都同意的是，當(dāng)?shù)厍蜻@樣的行星加溫時(shí)，會有更多水汽蒸散至空中，形成更多云。
但這些云到底會在大氣層何處形成并逗留，其回饋效應(yīng)的極限又是什么？人們則沒有共識。
全球暖化的否定者和渴望鎂光燈的行星獵人，都在這個朦朧之處找到庇護(hù)所：水汽云，理論上可以讓一個可居住行星避免失控的全球暖化，不管這暖化是過多溫室氣體，還是鄰近恒星過量的光線所引起的。倘若行星更遠(yuǎn)離恒星，且溫度降到二氧化碳能凝結(jié)成冰時(shí)，在某些情況下，一層絕緣的干冰云毯可讓一顆行星保持溫暖，而能在表面保存液態(tài)水。1993年卡斯丁保守估計(jì)，太陽系適居范圍的外部邊緣，恰好落在稍稍超過火星軌道的1.65 天文單位；但實(shí)際上，根據(jù)與二氧化碳云相關(guān)的不確定性，這距離還有可能再向外延伸。
對卡斯丁這樣的氣候建模者來說，云是水汽最多變且迷人的形式，其極端的復(fù)雜性彷佛變幻莫測的活物。
想看懂云？簡單一維最快速
要以數(shù)值仿真云朵有兩種分歧的策略。一種是在極度詳細(xì)的3D 模擬中，建立盡可能準(zhǔn)確的模型。這方法需要大量來自地球觀測衛(wèi)星以及頂尖超級計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)，并要在一陣變項(xiàng)與回饋中，冒著失去因果差異的風(fēng)險(xiǎn)。另一種策略，是用較少的維度簡化建立云的模型，其風(fēng)險(xiǎn)在于，會忽略掉那些只有透過超乎模型范疇的復(fù)雜互動才會出現(xiàn)的重要運(yùn)動。
卡斯丁偏好后者的簡易性。他的模型是單維的，用單一線性探測來仿真整個星球的大氣，有點(diǎn)像是透過一根從海床到海面的超長吸管，來取樣海水，如此測量海洋的平均溫度與鹽度。
「云在一維狀態(tài)是相當(dāng)隨性的──在一維模型中，任意擺布呈現(xiàn)的方式，能得到任何你想要的效應(yīng)。一維模型的理想情況是無云的天空，這明顯是個大弱點(diǎn)，」當(dāng)我們討論他的模型時(shí)，他這么承認(rèn)?！肝冶荛_這弱點(diǎn)的方式是，我把云畫在地上，借著調(diào)整表面反照率來接近它們可能產(chǎn)生的效應(yīng)，直到它產(chǎn)生我想觀察的那顆行星的平均氣溫──不管是地球或是火星。有些人基于『真實(shí)的云朵很復(fù)雜』這點(diǎn)，不喜歡我這樣弄，也不喜歡我的方法實(shí)際上代表的意思；但我這么做，是把行星溫度改變帶來的任何云朵回饋都最小化。要做的比這個更好，你得使用3D，這可是很大的一步；而且，即便到了那一步，云朵還是維持著最大的不確定性──搞3D 的那群人，也不會知道該怎么辦?！?/span>
由于其簡易性，一維模型也比任何三維模型都要快得多。頂尖技術(shù)的三維氣候模型，可能要在非常昂貴的專用計(jì)算機(jī)叢集上花一個星期，才能達(dá)到「將地球現(xiàn)有大氣中的二氧化碳水平加倍，能提高平均氣溫?cái)z氏二至五度」的結(jié)論。要算出二氧化碳加倍的結(jié)果，卡斯丁的一維模型只需在普通的桌面計(jì)算機(jī)跑不到一分鐘，就能得出二點(diǎn)五度的答案?！敢痪S模型，讓我只受限于自己思考的速度，而非受限于計(jì)算機(jī)的速度，」卡斯丁說。
