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天王星的自转轴倾角达到97度,也就是说,这颗行星几乎是躺倒在轨道上

  有地质学证据显示曾有一段时期冰川主要在低纬度地区形成,显示当时地球具有比现在大得多的黄赤交角数值,这一状况一直维持到大约6亿年前才最终结束,此后地球出现生命大爆发,这是一种巧合吗?  北京时间2月11日消息,据物理学家组织网站报道,黄赤交角是指地球公转轨道面(黄道面)与地球赤道面(天赤道面)的交角。(注:一般黄赤交角一词仅用于地球,但为方便起见,并强化对比意义,在不引起歧义的情况下在本文中默认将其它天体的自转轴倾角也称为黄赤交角)黄赤交角数值较大的行星会反复经历高温炙烤和严重冰冻的折磨,这种环境让生命的生存倍加艰难。

  如果你抱怨夏天太热,冬天又太冷,那么你可以感到安慰的是,在久远的过去,地球上的四季气候可能还远比现在极端。但是科学家们指出,我们所享受的相对温和的气候,其意义并不仅仅在于让人感到舒服惬意而已。在大约6亿年前,地球上较为适宜的气候可能导致了复杂生命的出现。科学家们认为,在其它星球之上,这种气候的变动程度或许也将决定生命究竟能否出现,生存或是灭亡。

  当一颗行星的自转轴相对于其公转轨道平面出现倾斜时会产生季节现象,这一倾斜角度称作“黄赤交角”。研究显示,具有极大季节温差的行星将可能让任何复杂生命的诞生和发展变得困难重重。

  莱茵·希勒(René Heller)是位于德国波茨坦的莱布尼茨天体物理学研究所的一名博士后研究员,他也是去年发表的两篇有关围绕红矮星运行的宜居行星体由于潮汐作用引发倾角损失的论文的第一作者。

  季节失调

  在行星的一生中,会有很多因素对其黄赤交角造成影响。其中主要考虑的方面有大型天体的撞击,以及来自其它行星和中央恒星的引力摄动作用。在一颗具有自转轴倾角的行星的一年中,其南北半球的大气层会接受到不等量的太阳光照。目前地球的这一倾角值大约是23.5度。加上地球的自转,所有这些因素一起,确保了地球上即使是在最寒冷的极地和最炎热的沙漠之间也不会存在太过极端的气温差。

  和地球不同,在那些黄赤交角值较小的星球上,季节现象就不那么明显。如果极地太冷,寒区范围太大,这将相应导致可居住区范围的缩小;而如果与此同时它的赤道带又太热,热区范围太广的话,就将进一步压缩宜居环境,让复杂生命体难以适应。而对于那些位于宜居带却具有高倾角的行星体,情况就更加糟糕了,所谓的宜居带是指恒星周围距离适中,让液态水可以在其表面存在的区域。

  举个例子,假设有一颗和地球相似的行星,但是其黄赤交角和天王星相近,接近90度。在这种情况下,行星的极地在一年中会有1/4的时间正对它的太阳,而在另外1/4的时间内背离太阳。

  希勒说:“这样的结果是,当北极正对太阳时,这里将被炙烤到沸腾,而赤道地区则光照甚少,而此时的南极地区则处于彻底的黑暗之中,一切陷入冰冻。”这将是真正的冰火两重天。更加糟糕的是,这两座冰与火的地狱每个半年就会对调一次。希勒说:“这样一来就相当于每隔半年时间就把两个半球都‘消毒’一遍,要么用高温和剧烈的辐射,或者就用超低温。”

  但是即便如此,顽强的生命或许仍然可以找到生存下去的方法:它们或许会随着快速变化的气候带迁徙,或者就干脆在环境较为稳定的赤道地区生活。当然或许也有一些生命力极其顽强的生命体可以抵抗住这种极端的环境条件而照样生存繁衍。这种生命体的形式在地球上就存在着,被称为“嗜极生物”,其成员大多数是细菌一类。

  在这类生命体中,有一种被称为“嗜热生物”,它们在热喷泉和完全没有光照的大洋洋底热泉喷口附近生活繁衍。如甲烷嗜热菌(Methanopyrus kandleri)可以在水温超过250华氏度(约合120摄氏度)的高压热水中繁殖。而与之相反,嗜冷菌(psychrophiles)可以在高盐度,且被冰层覆盖的海水空隙中生长,这里的水温低于5华氏度(约合-15摄氏度)。

  当环境变得太热或太冷时,一些细菌会停止生命活动转入休眠状态,它们将自己包裹进一层坚固的,称为“内生孢子”的结构之内。在这种状态下,某些细菌甚至可以在冰层中就这样休眠数百万年之久,当冰雪终于消融,它们又会重新恢复活动。

  更加宜居的地球

  而对于那些比细菌高级的生命体而言,这种超长的休眠能力就显得望尘莫及了。即便是在一颗具有比地球更大倾角,但完全没有天王星倾角那么大的行星上,它们的生存都将面临巨大的挑战。

  乔治·威廉姆斯(George Williams)是澳大利亚阿德莱德大学的地质学家,他说:“或许倾角达到40度的行星对于复杂生命体而言就将太过艰难,因为它的夏季将会太热,而冬季将会太冷,这种影响将是全球性的。”

  威廉姆斯指出,这种气候环境条件或许也曾经阻碍过地球上体型较大,更多样生命体的出现和生存。科学家们认为在大约5.8亿年前,地球上的生命形式几乎全部由微生物的藻类和细菌组成。更加高级的生命体,如水母等的出现时间要晚一些。然后在大约5.4亿年前,发生了“寒武纪大爆发”,几乎是在一瞬间,生命奇迹般的大规模出现了,并且它们具有着惊人的物种多样性。有些生命体开始具备精致的身体结构——甲壳,眼睛,四肢,这些特征都开始出现在这一时期的化石记录当中。

  地球在此之前是否曾经经历过高倾角的时期?计算机模型计算的结果对此给出了肯定的回答。在大约45亿年前,地球曾经和一颗火星大小的天体发生猛烈碰撞,这场碰撞的结果据信导致了月球的诞生。与此同时,这一次的撞击也改变了地球的黄赤交角数值。有意思的是,有一些地质证据显示地球确实曾经长期维持着一个高倾角数值,直到大约6亿年前。

  在这一方面,冰川为我们提供了重要的线索。正如以设在澳大利亚的英联邦科学与工业研究组织的菲利普·施密特(Phil Schmidt)教授为首地球物理学家们所证明的那样,地球上的古冰川似乎曾经倾向于形成于低纬度地区。这可能看起来有点违背常理,但是却恰恰很说明问题:要知道当黄赤交角超过54度左右时,平均而言赤道地区的温度相比将低于两极地区。保存在冰川沉积物种的古磁场特征揭示了这一异常的古冰川活动。与此相对应的沙楔结构,就像存在于现代南北极区的沙楔结构一样,同样可以显示出当时巨大的季节性温差。在当时的赤道地区,冬夏两季的温差可达100华氏度(约合37摄氏度)以上。如果现在也和当时的气候情况一样,那么当冬天来临时巴西的亚马逊雨林就会遭遇猛烈的暴风雪袭击。

  所有这些表明地球处于高倾角状态的线索在所谓“前寒武纪-显生宙界限”附近逐渐消失。在这一时期往后,大规模的冰川只在高纬度地区出现,而地球上的生命也开始出现大爆发。

  对此,威廉姆斯说:“在这一界限附近,地球的环境似乎出现了重大改善。我认为地球黄赤交角的减小是造成这种改善的主要原因。”美国哈佛大学大气物理学家格里高利·耶金斯(Gregory Jenkins)对地球气候模型进行的计算机模拟也支持了这一观点。

  当然,对于寒武纪出现的生命大爆发还有很多其他的解释,尽管每一种都有各自的缺陷。这些解释包括地球大气中氧含量的大幅上升,甚至有人提出是眼睛的出现和演化推动了生物多样性的爆发。

  当然,威廉姆斯自己提出的这一理论本身也存在着它自己的重大缺陷,那就是他提出在地球上最早被确认的大规模极地冰川出现之前的大约1亿年间,有某种机制让地球的黄赤交角减小了大约30度。那么这种机制究竟是什么?该如何解释这种机制的出现?对于地球板块的历史运动以及对于地球和月球之间的相互引力作用的研究或许将有希望帮助我们回答这一问题。

  宜居角度?

  到目前为止,在系外行星的研究方面,除了它们的大小,质量和轨道周期之外我们对于这些遥远的世界几乎一无所知。在未来的数十年间,考察这些星球的倾角数值以及这一数值对于生命宜居程度的影响无疑将成为一项重要的工作。或许我们将会证明,地球的黄赤交角数值——23.5度,就和地球到太阳的距离——1.5亿公里一样,都是“宜居数值”——给予我们适宜的温度环境,不会太热也不会太冷,从而让复杂生命形式的出现和演化成为可能。

  希勒说:“对于太阳系内天体黄赤交角的研究已经进行的非常彻底。但是对于系外行星来说,这还仍然是一片完全陌生的领域。”(晨风)

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channelId 1 1 行星自转轴倾角高或降低生命存在可能性(图) 1 有地质学证据显示曾有一段时期冰川主要在低纬度地区形成,显示当时地球具有比现在大得多的黄赤交角数值,这一状况一直维持到大约6亿年前才最终结束