地球之外的冰雪世界——行星冰冻圈

 太阳系外行星冰冻圈

1995 年，第一颗围绕类太阳恒星公转的太阳系外行星（简称“系外行星”）被确认。这是一个划时代的事件，其发现者 Michel Mayor 和 Didier Queloz 获得了 2019 年的诺贝尔物理学奖。在 1995 年之后，每年累计确认的系外行星数目呈指数增加，目前已经确认了 4 000 多颗系外行星。其中，有 10—20 颗可能是宜居行星。一颗行星是否宜居取决于诸多条件，如地表水、恒星辐射、行星轨道、大气成分、臭氧层、板块构造、磁场等，但液态水是生命存在的首要条件。行星的地表是否能够长期维持液态水的存在，主要取决于地表温度。如果一颗行星上的水常年都以固态的形式存在，完全被冻结，那么这类行星肯定是不宜居的。

在系外行星中，最有可能出现冰冻圈的是围绕着红矮星公转的行星。红矮星质量较小、大约只有太阳的 7.5%—60%，其辐射温度较低，大约在 2 300—3 800 K。相对而言，太阳的表面温度是 5 800 K。因为红矮星的质量较小，其核聚变反应速率比太阳的慢很多，其寿命也较类太阳恒星要长很多，所以银河系中 80% 以上的恒星是红矮星，而类太阳恒星或质量更大的恒星数量很少。目前，已发现的大部分系外行星是围绕着红矮星公转的。因为红矮星的辐射强度比太阳的小很多，所以其周围的宜居行星与母星距离较近，受到恒星的潮汐力很大，形成潮汐锁相。这些宜居行星的一面永远拥有阳光，另一面永远处于黑暗之中。月球就是被地球锁相；因此，我们只能看到月球的一面，而无法看到月球的另一面。

潮汐锁相行星的大气环流与地球的非常不同。它们的大气环流在朝阳面辐合上升，在背阳面辐合下沉，再通过边界层回到向阳面。这种大气环流可以将水汽和热空气从向阳面输送到背阳面，同时将冷空气从背阳面输送到向阳面。背阳面因为永远接收不到恒星辐射，温度很低，海洋有可能被冻结，水汽将凝结成冰雪，沉降到地表，并形成冰盖。因此，潮汐锁相行星背阳面是冰冻圈的发育区。

潮汐锁相行星背阳面冰川的厚度取决于诸多因素。首要因素是冰川底部地热通量的强度，地热通量越大，冰川越不容易变厚，被冻结在背阳面的水分就越少。其次，在重力作用下，背阳面冰川会发生自背阳面向朝阳面的流动，当冰川流回到朝阳面时，将被融化，形成湖泊或者海洋。如果行星的水分较少，水分很容易被冻结在背阳面，那么此类行星是不宜居的。如果行星的水分足够多，即使部分水分被冻结在背阳面，但朝阳面仍将保留海洋，因此将是宜居的。海洋环流也可以将热量从向阳面输送到背阳面，有效地加热背阳面，使得背阳面冰川和海冰的厚度不至于太厚。

图 6 是使用海-气耦合气候模式和冰川模式模拟的锁相行星背阳面陆地上的冰川厚度。在该模拟试验中，锁相行星的地热通量和重力加速度均与地球的相同，背阳面冰盖厚度最大可达到 2 km，冰川移动最大速度是每年 1.0 m。以地球的海洋平均深度 4 km 为例，如果一颗锁相行星背阳面的冰盖厚度为 2 km，其朝阳面还应该有 2 km 深的海洋。但如果整个海洋深度较浅，则很可能朝阳面没有液态水存在，该行星将是非宜居的。

地球早期的 2 次“冰雪地球”事件和行星冰冻圈，有 2 点需要特别强调：①在不同温度条件下，其他星体上的水冰物理特征与地球上水冰迥然不同；在极低温度条件下，易挥发分物质在其他星体上也可以形成冰冻圈，这在地球上是很难想象的。由于篇幅的关系，我们并没有详述其中的基本物理原理。实际上，任何一种物质的相态是温度和压力的函数，其中任何一个条件或两者的共同改变，都可以产生不同的相态。在高温高压下，水变成一种超级流体。在低温低压下，水冰坚硬无比，可以是星体的壳层。另一个例子是，在我们通常的概念中，氢（H₂）是一种气体，但在高压下，H₂ 具有金属的特征，甚至可以导电。人们甚至认为，在木星的核心，由于大气压力非常大，H₂ 具有金属属性。

如果把地球作为一颗行星来看待，其冰冻圈的演化历史不仅是我们认识其他行星冰冻圈的基础，也对理解地球水分的来源有重要意义。地球的水分是其形成之初就具有的，还是后期小行星带中星体撞击地球带来的？目前，我们对这一根本问题还没有答案。未来的小行星探测，尤其是氢同位素测量有可能回答这一基础问题。地球历史上 2 次“冰雪地球”事件的形成机理及相关的科学问题仍然是地球科学领域的一个研究热点。这些基础性问题是我们认识行星地球宜居性的根本。

行星冰冻圈丰富的多样性将极大地加深我们对冰冻圈的理解。例如，火星两极不仅存在水冰，还存在干冰；火星的次表层是否存在冻土和液态水是未来火星探测的目标之一。太阳系雪线之外众多矮行星和卫星均拥有丰富的水分，以水冰的形式存在，并构成这些星体的壳层。除此之外，其他易挥发组分如 CH₄、N₂、CO 也以固体形式存在，形成了与地球冰冻圈完全不同的行星冰冻圈。

深空探测是行星冰冻圈研究的主要手段。未来的深空探测，也将包括对行星冰冻圈的探测。在过去的 20 年，飞往土星系统的“卡西尼-惠更斯号”探测器和木星系统的“伽利略号”探测器为我们提供了许多关于冰卫星的观测数据。“信使号”探测器对水星的观测、“新视野号”探测器对冥王星及其卫星的观测、“黎明号”探测器对谷神星的观测，以及“罗塞塔号”探测器对“菲莱”彗星的探测，为研究太阳系冰冻圈提供了宝贵数据。我国的“嫦娥”系列探月卫星对月球的探测，也极大地丰富了我们对月球冰冻圈的知识。目前，正在木星轨道的“朱诺号”探测器和将在未来 10 年内发射的“Europa Clipper”“JUICE”探测器将对木星的卫星进行更多维度的密集观测，有望确定木星卫星冰层的厚度、成分和流变性质，并对冰壳层下是否存在液态海洋进行更准确的估计。这些探测计划为了解太阳系冰冻圈和探测地外生命的存在具有至关重要的意义。

太阳系外宜居行星冰冻圈是系外行星宜居性研究的一个热点。目前，所发现的可能宜居行星绝大多数是潮汐锁相行星，其背阳面冰冻圈发育的强弱直接影响到朝阳面是否有液态水存在，也影响到这些行星的宜居性。下一代太空望远镜也将观测宜居行星的冰冻圈，我们期待着更多激动人心的科学发现的到来。（作者：胡永云、杨  军、魏  强，北京大学 物理学院。《中国科学院院刊》供稿）

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