地球宜居了幾十億年，僅僅是因為幸運嗎

地球上最初的生命經(jīng)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(xiàn)一次大的差錯，都會導(dǎo)致進化徹底停止，而我們也將不復(fù)存在。因此，想要弄清楚我們?yōu)楹文軌蛟诘厍蛏仙妫托枰骄康厍蛟趲资畠|年間是如何保持宜居的。

這并不是什么小事。當(dāng)前的全球變暖告訴我們，氣候可以在短短幾個世紀(jì)里發(fā)生巨大的變化。在地質(zhì)時間尺度上，氣候的變化會更加容易。計算結(jié)果顯示，在未來幾百萬年內(nèi)，地球氣候可能會趨于惡化，地球氣溫會變得低于冰點或超過沸點。

依據(jù)目前的觀點，太陽的亮度相較于生命進化之初已提高了30%。按理來說，當(dāng)時的地球并沒有普遍結(jié)冰，那么到現(xiàn)在地球上的海水應(yīng)該已經(jīng)被燒干，但事實卻并非如此——這就是黯淡太陽悖論（faint young Sun paradox）。但不管怎樣，我們已經(jīng)解開了這個宜居性的謎團。

科學(xué)家們提出了兩個主要理論。第一個認(rèn)為地球可能擁有類似于恒溫器的功能，即擁有一種（或多種）預(yù)防地球氣溫滑向極值的反饋機制。第二個理論認(rèn)為，地球可能就是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(fā)現(xiàn)，第二個理論變得越來越合理。對于遙遠(yuǎn)恒星的天文觀測顯示，這些恒星大多都有行星環(huán)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?？茖W(xué)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(xué)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(wěn)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(jù)。

于是本文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，生成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(zhì)時間尺度上保持宜居的可能性，給它們各自設(shè)置了100次模擬。每次起始溫度都不同，經(jīng)歷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(fā)（類似皮納圖博火山噴發(fā)，但規(guī)模要大得多）和小行星撞擊（類似恐龍滅絕）。在這100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30億年后，可能是孕育智慧生命的搖籃。

這些模擬結(jié)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10萬顆行星中只有1顆）具有如此強大的穩(wěn)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(shù)行星在100次模擬中至少有1次保持宜居，但極少數(shù)保持宜居的次數(shù)會超過10次。如果一個行星保持30億年的宜居狀態(tài)，也就是通過了模擬中幾乎每一個情況，一定程度上要歸功于運氣，但光有運氣還不夠。一些設(shè)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。

氣候模擬結(jié)果顯示，行星的宜居性取決于反饋機制和運氣的共同作用。這一結(jié)論具有可靠性，不受任何模型的影響。同時這一結(jié)果間接表明，地球需要具有一定的氣候穩(wěn)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(fā)生在不同（更加關(guān)鍵）的時間點，我們也可能將不復(fù)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、繁榮并日趨復(fù)雜并最終進化出人類。