太陽(yáng)系外行星冰凍圈

1995?年，第一顆圍繞類太陽(yáng)恒星公轉(zhuǎn)的太陽(yáng)系外行星（簡(jiǎn)稱“系外行星”）被確認(rèn)。這是一個(gè)劃時(shí)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(xué)獎(jiǎng)。在?1995?年之后，每年累計(jì)確認(rèn)的系外行星數(shù)目呈指數(shù)增加，目前已經(jīng)確認(rèn)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(chǎng)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(zhǎng)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(yáng)的?7.5%—60%，其輻射溫度較低，大約在?2?300—3?800?K。相對(duì)而言，太陽(yáng)的表面溫度是?5?800?K。因?yàn)榧t矮星的質(zhì)量較小，其核聚變反應(yīng)速率比太陽(yáng)的慢很多，其壽命也較類太陽(yáng)恒星要長(zhǎng)很多，所以銀河系中?80%?以上的恒星是紅矮星，而類太陽(yáng)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?yàn)榧t矮星的輻射強(qiáng)度比太陽(yáng)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(yuǎn)擁有陽(yáng)光，另一面永遠(yuǎn)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(wú)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(yáng)面輻合上升，在背陽(yáng)面輻合下沉，再通過(guò)邊界層回到向陽(yáng)面。這種大氣環(huán)流可以將水汽和熱空氣從向陽(yáng)面輸送到背陽(yáng)面，同時(shí)將冷空氣從背陽(yáng)面輸送到向陽(yáng)面。背陽(yáng)面因?yàn)橛肋h(yuǎn)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(yáng)面是冰凍圈的發(fā)育區(qū)。

潮汐鎖相行星背陽(yáng)面冰川的厚度取決于諸多因素。首要因素是冰川底部地?zé)嵬康膹?qiáng)度，地?zé)嵬吭酱?，冰川越不容易變厚，被凍結(jié)在背陽(yáng)面的水分就越少。其次，在重力作用下，背陽(yáng)面冰川會(huì)發(fā)生自背陽(yáng)面向朝陽(yáng)面的流動(dòng)，當(dāng)冰川流回到朝陽(yáng)面時(shí)，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(yáng)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(yáng)面，但朝陽(yáng)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(yáng)面輸送到背陽(yáng)面，有效地加熱背陽(yáng)面，使得背陽(yáng)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(yáng)面陸地上的冰川厚度。在該模擬試驗(yàn)中，鎖相行星的地?zé)嵬亢椭亓铀俣染c地球的相同，背陽(yáng)面冰蓋厚度最大可達(dá)到?2?km，冰川移動(dòng)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(yáng)面的冰蓋厚度為?2?km，其朝陽(yáng)面還應(yīng)該有?2?km?深的海洋。但如果整個(gè)海洋深度較淺，則很可能朝陽(yáng)面沒(méi)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(diǎn)需要特別強(qiáng)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(méi)有詳述其中的基本物理原理。實(shí)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(gè)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(jí)流體。在低溫低壓下，水冰堅(jiān)硬無(wú)比，可以是星體的殼層。另一個(gè)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(dǎo)電。人們甚至認(rèn)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(lái)看待，其冰凍圈的演化歷史不僅是我們認(rèn)識(shí)其他行星冰凍圈的基礎(chǔ)，也對(duì)理解地球水分的來(lái)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(lái)的？目前，我們對(duì)這一根本問(wèn)題還沒(méi)有答案。未來(lái)的小行星探測(cè)，尤其是氫同位素測(cè)量有可能回答這一基礎(chǔ)問(wèn)題。地球歷史上?2?次“冰雪地球”事件的形成機(jī)理及相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題仍然是地球科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。這些基礎(chǔ)性問(wèn)題是我們認(rèn)識(shí)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(duì)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(lái)火星探測(cè)的目標(biāo)之一。太陽(yáng)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(cè)是行星冰凍圈研究的主要手段。未來(lái)的深空探測(cè)，也將包括對(duì)行星冰凍圈的探測(cè)。在過(guò)去的?20?年，飛往土星系統(tǒng)的“卡西尼-惠更斯號(hào)”探測(cè)器和木星系統(tǒng)的“伽利略號(hào)”探測(cè)器為我們提供了許多關(guān)于冰衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)?！靶攀固?hào)”探測(cè)器對(duì)水星的觀測(cè)、“新視野號(hào)”探測(cè)器對(duì)冥王星及其衛(wèi)星的觀測(cè)、“黎明號(hào)”探測(cè)器對(duì)谷神星的觀測(cè)，以及“羅塞塔號(hào)”探測(cè)器對(duì)“菲萊”彗星的探測(cè)，為研究太陽(yáng)系冰凍圈提供了寶貴數(shù)據(jù)。我國(guó)的“嫦娥”系列探月衛(wèi)星對(duì)月球的探測(cè)，也極大地豐富了我們對(duì)月球冰凍圈的知識(shí)。目前，正在木星軌道的“朱諾號(hào)”探測(cè)器和將在未來(lái)?10?年內(nèi)發(fā)射的“Europa Clipper”“JUICE”探測(cè)器將對(duì)木星的衛(wèi)星進(jìn)行更多維度的密集觀測(cè)，有望確定木星衛(wèi)星冰層的厚度、成分和流變性質(zhì)，并對(duì)冰殼層下是否存在液態(tài)海洋進(jìn)行更準(zhǔn)確的估計(jì)。這些探測(cè)計(jì)劃為了解太陽(yáng)系冰凍圈和探測(cè)地外生命的存在具有至關(guān)重要的意義。

太陽(yáng)系外宜居行星冰凍圈是系外行星宜居性研究的一個(gè)熱點(diǎn)。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(yáng)面冰凍圈發(fā)育的強(qiáng)弱直接影響到朝陽(yáng)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(yuǎn)鏡也將觀測(cè)宜居行星的冰凍圈，我們期待著更多激動(dòng)人心的科學(xué)發(fā)現(xiàn)的到來(lái)。（作者：胡永云、楊  軍、魏  強(qiáng)，北京大學(xué) 物理學(xué)院。《中國(guó)科學(xué)院院刊》供稿）

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