行星是不是轉得越快越有活力?沒有自轉的行星是什麼下場?

2020-12-14 酋知魚

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

在某問答平臺上,看到一個有意思的問題——是不是自轉速度越快的行星其內部的能量越多?生命力更旺盛?

如果將生命力定義為「與生命活動關係更密切」的話,這句話是對的,生命離不開光,離不開水,當然也離不開自轉;其實在這簡單的表象之下還暗藏著一個令人驚異的事實:有活力的行星更有機會誕生生命,而生命同樣可以反哺行星,讓它保持活力

首先我們得知道一個可悲的事實,任何一個恆星系統都像一個不可充電的電池,包括恆星的壽命在內,恆星系統內可支配的資源在恆星系統誕生的那一天起就已經定好了,剩下的就只有消耗。如果恰好條件合適,就可能趕在恆星膨脹前進化出智慧生命,逃離這枯竭的世界。

沒有自轉的行星

生命是如此的脆弱,需要很多很多條件的支持——恆星的壽命要足夠長但也不能太長、行星的距離要足夠近但也不能太近、行星的個頭要足夠大但也不能太大……

當然,還有切題的一個條件——行星的自轉速度不能太慢

為什麼?一個最生動的例子就在我們的太陽系中——金星

金星曾經是人類美好幻想中的姊妹行星,生命的搖籃。在上個世紀初的文學作品中,金星人也是經常登場的明星。這不僅僅是因為金星離地球最近,同時也是因為它是太陽系中最接近地球的行星,它的體積是地球的0.88倍,質量為地球的80%,是太陽系中第二大的巖石行星。與太陽的距離適中,理論中金星的行星平衡溫度(Planetary equilibrium temperature)為4℃,正是生命的好家園。

然而隨著蘇聯對金星持續的探索,我們卻完全失望了,金星的表面溫度最高可達642℃,沒有什麼有機分子可以承受這樣恐怖的高溫,是絕對的生命禁區。

而更可怕的是,金星可能曾擁有超過20億年「伊甸園」時光,那時的金星表面或擁有廣闊的海洋,甚至有可能也曾是一個生機盎然的世界,但是現在只是一個真實的地獄。

沒有磁場的行星

金星怎麼了?它是如何成為太陽系中平均溫度最高行星的?

最重要的原因之一是金星沒有磁場,它是太陽系中唯一完全沒有磁場的行星

磁場對行星的意義十分重大,太陽活動活躍的時刻會不斷地向宇宙中噴射帶電粒子,主要是氫核與氦核,這些粒子最可怕的地方是擁有極高的電子能級,而化學反應的本質就是電子的躍遷與能量的轉移,如果這些帶電粒子長驅直入打在行星表面,化學性質不夠穩定的物質就會因為獲得超高的能量而直接分解,這個機制被稱為電荷交換。

不幸的是,水與多數氣體分子都是如此,而被分解並由高能光子或帶電粒子賦能的原子會變得更容易逃逸。就這樣,金星失去了所有的水,表面只留下了地質活動噴發出的二氧化碳,金星的大氣壓是地球的93倍,但大氣厚度只有地球的35%,超量的溫室氣體是溫室效應失控的元兇。

產生磁場的重要條件之一就是行星必須要有足夠速度的自轉,但是金星正是反例中的反例,它是太陽系中唯二倒著轉的行星且慢得出奇,金星的一天有243個地球日,比它的一年——224個地球日還要多。

金星相對於太陽很類似月亮相對地球,幾乎總是一個面朝著更大的引力體,這被稱為潮汐鎖定,是小天體表面在引力作用下形變產生熱能導致自轉動能被耗盡後的結果。潮汐鎖定的天體幾乎可以肯定已經失去了活力,金星沒有類似地球的板塊構造。它的液態內核幾乎沒有流動。

金星是地球的未來

那……是不是因為金星被潮汐鎖定才導致了這一系列悲劇的發生呢?

不,如果要從最根本的原因來說,還是因為金星離太陽太近了,太陽比30億年要更亮10%,這勢不可擋地導致了溫室效應失控並將這枚星球連同表面或許存在的生命一起烤焦。更令人吃驚的是,根據最新的研究成果,金星的黏稠二氧化碳大氣是其倒轉的原因,這些流動的大質量在太陽引力的牽引下如同一塊制動剎皮在十幾億年內對金星反方向力。在過去的某個時刻金星可能曾到達過自轉停止,如今越過了零點線在緩緩反射轉動。

現在我們再看看地球,會發現一些令人細極恐的事,地球所接收的能量雖然比金星少,但按金星的節奏,也是時候溫室效應失控了;然而事實上並沒有,在漫長的時間裡生命的光合作用將二氧化碳化為單質碳固定在了巖石圈中,我們的大氣主要由無溫室效應的氮氣與氧氣組成,二氧化碳只佔0.031%。

想像一下,如果當初沒有誕生生命,地球可能也是一枚灼熱的地獄、二氧化碳的天堂、被潮汐鎖定的死寂世界。

生命守護著地球

我們甚至發現了一些更令人吃驚的事情:紐約哥倫比亞大學天體生物學主任卡萊布·沙夫(Caleb Scharf)的研究成果表明,雖然地球的自轉速度也在不斷減慢,但我們特殊的大氣地到了與金星大氣完全相反的作用,它可以在一定程度上抵消太陽月球的引力作用。大約在地球一日延長到21個小時左右時,大氣就已經開始維護地球的自轉速度了。

於是,現在我們知道了一些讓人有些自豪又有些震撼的事實——生命並不僅僅是寄生在這枚巨大流心巖石球體表面的、無足輕重的塵埃。它們確實地改變了地球的生命周期與活力,讓它成為太陽系中唯一一枚擁有豐富地質活動,生機盎然的行星

最後說一句題外話吧,有人說人類是地球之癌,這是不對的。人類其實是地球歷史的結晶和最高傑作,雖然生命讓地球的繁榮比金星多延續了數十億年,但太陽的老化變熱勢不可擋,地球還剩下十億年不到的時間,之後亦會步金星後塵。而能帶著全體地球生命逃離毀滅,在宇宙中散播種子的,唯有我們人類與科學的力量。

金星很有可能也曾出現過生命,如果它們真的存在過,那麼當氣溫逐漸失控的時候,這些小生靈也必然在沸騰的大海中陪著金星殉葬。如果地球上沒有出現智慧生命,無論生態環境有多麼繁榮,最終也必然化為灰塵,永遠沉寂……

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