地球宜居了幾十億年，僅僅是因為幸運嗎？

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圖片來源：Pixabay

撰文 | Toby Tyrrell

翻譯 | 張乃欣

審校 | 曾小歡

地球上最初的生命經過了三四十億年才進化出智人（Homo sapiens）。但在此期間，即使地球氣候只出現一次大的差錯，都會導致進化徹底停止，而我們也將不複存在。因此，想要弄清楚我們為何能夠在地球上生存，就需要探究地球在幾十億年間是如何保持宜居的。

這並不是什麼小事。當前的全球變暖告訴我們，氣候可以在短短幾個世紀裏發生巨大的變化。在地質時間尺度上，氣候的變化會更加容易。計算結果顯示，在未來幾百萬年內，地球氣候可能會趨於惡化，地球氣溫會變得低於冰點或超過沸點。

依據目前的觀點，太陽的亮度相較於生命進化之初已提高了30%。按理來說，當時的地球並沒有普遍結冰，那麼到現在地球上的海水應該已經被燒幹，但事實卻並非如此——這就是黯淡太陽悖論（faint young Sun paradox）。但不管怎樣，我們已經解開了這個宜居性的謎團。

科學家們提出了兩個主要理論。第一個認為地球可能擁有類似於恒溫器的功能，即擁有一種（或多種）預防地球氣溫滑向極值的反饋機制。第二個理論認為，地球可能就是從眾多星球中幸運的一顆，走到今天全憑運氣。隨著近幾十年對太陽系以外的許多行星（即系外行星）的發現，第二個理論變得越來越合理。對於遙遠恒星的天文觀測顯示，這些恒星大多都有行星環繞，其中一部分行星擁有合適的大小、密度和軌道距離，其表面的溫度在理論上適合生命存活。科學家們估計，單單銀河系至少就有20億個類似的候選行星。

科學家們很樂意前往這些系外行星，以考察它們是否和地球一樣，能保持幾十億年的氣候穩定。但就算是離我們最近的系外行星（圍繞比鄰星運行的行星）也在4光年之外，因此很難獲得觀測和實驗證據。

圖片來源：Pixabay

於是我通過建模探究了相同的問題。通過利用電腦程序模擬一般行星（不只是地球）氣候演變的過程，我生成了10萬顆隨機具有不同氣候反饋的行星。氣候反饋過程（Climate feedbacks）可以增強或減弱氣候變化，以北極的海冰融化為例，吸收陽光的海水會逐漸取代反射陽光的海冰，進而加速海洋暖化和海冰融化。

為了探究這些不同的星球在地質時間尺度上保持宜居的可能性，我給它們各自設置了100次模擬。每次起始溫度都不同，經曆的氣候事件也完全隨機。這些事件代表改變氣候的不同因素，比如超級火山爆發（類似皮納圖博火山噴發，但規模要大得多）和小行星撞擊（類似恐龍滅絕那次）。在這一百次模擬中，我們會追蹤各行星的溫度，直到它們變得過熱或過冷，或者還有一些星球堅持了三十億年後，可能是孕育智慧生命的搖籃。

這些模擬結果至少明確指出了氣候反饋和運氣對行星宜居性的重要性。但是，極少行星（實際上十萬顆行星中只有一顆）具有如此強大的穩定性反饋，能在100次隨機的氣候試驗中始終保持宜居。

實際上，大多數行星在100次模擬中至少有一次保持宜居，但極少數保持宜居的次數會超過10次。如果一個行星保持30億年的宜居狀態，也就是通過了模擬中幾乎每一個情況，一定程度上要歸功於運氣，但光有運氣還不夠。一些設置沒有氣候反饋或隨機受氣候事件任意擺布的行星，一次都沒有成功過。

模擬中的重複運行並不完全相同：隨機生成1000顆行星，每顆運行兩次。（a）第一次運行結果，（b）第二次運行結果。綠色代表成功（保持30億年宜居），黑色代表失敗。圖片來源：Toby Tyrrell

氣候模擬結果顯示，行星的宜居性取決於反饋機制和運氣的共同作用。這一結論具有可靠性，不受任何模型的影響。同時這一結果間接表明，地球需要具有一定的氣候穩定反饋機制，但“好運氣”是必不可少的。例如，假使撞擊地球的小行星或影響地球的太陽耀斑比原來的稍大一些，或者發生在不同（更加關鍵）的時間點，我們也可能將不複存在。這些研究，也為我們考慮一些問題提供了不同的視角，例如為何人類有機會回望地球非凡且極其漫長的生命史，看它不斷演化、繁榮並日趨複雜並最終進化出人類。