首次将3-D气候模型与化学提炼相结合的研究

为了寻找外太空的生命，天文学家首先需要知道在哪里寻找。西北大学的一项新研究将帮助天文学家缩小搜索范围。

该研究小组是第一个将3-D气候模拟与大气化学结合起来以研究M矮星周围行星的宜居性的行星，这些矮星约占银河总人口的70%。通过使用该工具，研究人员通过考虑恒星的辐射和行星的自转速率，重新定义了使行星适合居住的条件。

在调查结果中，西北研究小组与科罗拉多大学博尔德分校，美国宇航局虚拟星球实验室和麻省理工学院的研究人员合作，发现只有绕动恒星运行的行星，这些恒星会发出大量的紫外线(UV)辐射，蒸发掉大量水。不活跃或安静的恒星周围的行星更有可能维持维持生命的液态水。

研究人员还发现，具有薄臭氧层的行星，其原本就可以适应的表面温度，会受到危险的紫外线剂量，这对复杂的表面生命是有害的。

该研究的第一作者西北大学的霍华德·陈说：“对于人类的大多数历史而言，生命是否存在于其他地方的问题仅属于哲学领域。”“只是近年来，我们才有了建模工具和观测技术来解决这个问题。”

研究的资深作者丹尼尔·霍顿补充说：“仍然有很多恒星和行星，这意味着有很多目标。”“我们的研究可以帮助限制我们必须指向望远镜的地方数量。”

这项研究将于11月14日在线发表在《天体物理学杂志》上。

霍顿(Horton)是西北大学温伯格文理学院的地球与行星科学助理教授。陈博士西北气候变化研究小组的候选人和美国宇航局的未来调查员。

“金发姑娘区”

为了维持复杂的生命，行星需要能够保持液态水。如果行星离恒星太近，那么水将完全蒸发。如果行星离恒星太远，则水将冻结，并且温室效应将无法使表面保持足够的生命。这个Goldilocks地区称为“恒星宜居区”，这是宾夕法尼亚州立大学的James Kasting教授创造的一个术语。

研究人员一直在努力弄清楚，对于一个星球来说，要维持液态水太近了。换句话说，他们正在寻找可居住区域的“内部边缘”。

陈说：“我们太阳系的内缘在金星和地球之间。”“金星不可居住;地球可居住。”

Horton和Chen正在寻找我们太阳系以外的地方，以查明M矮星体系统中的可居住区域。由于M矮行星数量众多且更易于查找和调查，因此它们已成为寻找宜居行星的先行者。它们的名字来自它们绕其绕行的小型，凉爽，昏暗的恒星，称为M矮星或“红矮星”。

关键化学

其他研究人员通过使用1D和3D全球气候模型对M矮行星的大气特征进行了描述。这些模型还用于地球上，以更好地了解气候和气候变化。但是，以前的岩石系外行星3D研究遗漏了重要的东西：化学。

通过将3-D气候建模与光化学和大气化学相结合，霍顿和Chen绘制了一张更完整的图景，说明恒星的紫外线辐射如何与行星大气中的气体(包括水蒸气和臭氧)相互作用。

在他们的模拟中，霍顿和陈发现恒星的辐射是决定行星是否宜居的决定性因素。具体来说，他们发现绕着活跃恒星运行的行星很容易因蒸发而损失大量的水。这与以前使用无活性光化学的气候模型的研究形成了鲜明的对比。

研究小组还发现，由于其薄薄的臭氧层，许多位于宜居区域的行星无法维持生命。尽管具有其他宜居的表面温度，但这些行星的臭氧层仍允许过多的紫外线辐射穿过并渗透到地面。辐射水平会危害表面寿命。

Chen说：“ 3-D光化学起着巨大的作用，因为它提供加热或冷却，这会影响行星系统的热力学以及大气成分。”“在系外行星研究岩石行星的文献中，这些模型实际上并没有真正使用过，因为它们的计算量非常大。其他研究更大行星的光化学模型，例如气体巨人和热木星，已经表明人们不能忽视化学反应。调查气候。”

霍顿说：“修改这些模型也很困难，因为它们最初是为地球环境设计的。”“修改边界条件并仍然使模型成功运行一直是一个挑战。”

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