作者:华盛顿大学詹姆斯·乌尔顿
一位艺术家对开普勒-186f的描绘，开普勒-186 f是一颗地球大小的系外行星，展示了一个假想的表面，包括两极的部分冰覆盖
信用:美国宇航局艾姆斯/SETI研究所/JPL-加州理工学院 系外行星正在经历平流层上升
自从第一颗被证实围绕另一颗恒星运行的行星以来的三十年里，科学家们已经记录了4000多颗恒星
随着名单的增加，寻找类地系外行星的愿望也在增加——并确定它们是否能像我们的地球一样成为维持生命的绿洲
未来几十年将会出现新的任务，可以收集越来越多的系外行星数据
华盛顿大学和伯尔尼大学的一个团队预测了这些未来的努力，他们通过计算模拟了20多万个假想的类地世界——这些行星与现代地球具有相同的大小、质量、大气成分和地理位置——它们都在像太阳这样的恒星轨道上
他们的目标是模拟天文学家可以期望在真实的类地系外行星上发现的环境类型
正如他们在《行星科学杂志》上发表的一篇论文中所报道的那样，这篇论文于12月提交
6在这些模拟系外行星上的预印本网站arXiv上，当今地球的一个共同特征常常是缺乏的:部分冰覆盖
合著者、UW虚拟行星实验室的科学家、UW天文学教授罗里·巴恩斯(Rory Barnes)说:“我们基本上模拟了不同类型恒星周围世界的地球气候，我们发现，在90%的表面有液态水的情况下，没有冰盖，就像极地冰盖一样。”
“当冰存在时，我们看到冰带——沿着赤道的永久冰——实际上比冰盖更有可能存在
" 该研究的主要作者凯特琳·威廉是UW大学天文系的一名本科生，她说，这些发现揭示了类地世界中液态水和冰之间复杂的相互作用
“观察类地行星上的冰覆盖可以告诉你很多关于它是否适合居住的信息，”威廉说，他现在是虚拟行星实验室的研究科学家
“我们想了解影响表面是否有冰的所有参数——轨道的形状、轴向倾斜、恒星的类型，如果有，在哪里
" 2018年4月12日，NOAA-20极轨道卫星在我们星球上方512英里处拍摄的覆盖地球北极地区(包括北极)的冰盖合成图像
信用:美国国家海洋和大气管理局 该团队使用了一个一维能量平衡模型，该模型在计算上模拟了行星赤道和两极之间的能量流动，以模拟成千上万个假设的系外行星在围绕F型、G型或K型恒星的各种轨道配置中的气候
这些类别的恒星，包括我们自己的G型太阳，是有希望在它们的宜居带，也就是众所周知的“金发女孩”带，托管生命友好型世界的候选者
f型恒星比我们的太阳热一点，大一点；k型恒星稍微冷一些，也小一些
在他们的模拟中，系外行星的轨道从圆形到明显的椭圆形不等
该团队还考虑了0到90度的轴向倾斜
地球的轴向倾角是中等的23°
5度
一颗倾斜90度的行星会“侧坐”，经历极端的气候季节变化，就像天王星一样
根据包含每个世界100万年时间跨度的模拟，类地世界显示的气候从全球范围的“雪球”气候——所有纬度都有冰——到热气腾腾的“潮湿温室”，这可能类似于失控的温室效应使金星表面热到足以融化铅之前的气候
但是，即使模拟中的大多数环境介于这两个极端之间，只有大约10%的假设的可居住系外行星存在部分表面冰
该模型包括每个世界轴向倾斜和轨道随时间的自然变化，这在一定程度上解释了可居住系外行星普遍缺乏冰的原因，共同作者之一、伯尔尼大学博士后科学家、虚拟行星实验室研究员拉塞尔·戴特里克说
“轨道和轴向倾斜总是在变化，”戴特里克说
“在地球上，这些变化被称为米兰科维奇周期，振幅非常小
但是对于系外行星来说，这些变化可能相当大，可以完全消除冰或触发“雪球”状态
" 当部分冰存在时，其分布因恒星而异
在F型恒星周围，发现极地冰帽的频率是冰带的三倍，而G型和K型恒星周围行星冰帽的频率是冰带的两倍
威廉认为，冰带在轴向倾斜极端的世界中也更常见，这可能是因为季节性极端使得极地气候比赤道地区更加不稳定
一位艺术家对雪球状态下的古代地球的描绘
信用:美国宇航局 该团队关于这些模拟的类地世界上的冰的发现应该有助于寻找潜在的宜居世界，向天文学家展示他们能找到什么，尤其是关于冰的分布和气候类型
威廉说:“表面的冰具有很强的反射性，可以通过我们的仪器塑造一颗系外行星的‘样子’。”
“冰的存在与否也能决定气候将如何长期变化，无论是走向极端——如‘雪球地球’或失控的温室——还是更温和的方式
" 然而，冰的存在与否并不能决定是否适合居住
威廉说:“可居住性包括许多移动的部分，而不仅仅是有没有冰。”
根据巴恩斯的说法，地球上的生命经历了雪球时期，以及数亿年的无冰期
巴恩斯说:“我们自己的星球在它自己的历史上已经看到了其中的一些极端。”
“我们希望这项研究通过展示什么是可能的，什么是常见的，什么是罕见的，为即将到来的在系外行星大气中寻找可居住特征的任务奠定基础，甚至直接对系外行星成像。”
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