進化花了三四十億年才產生了智人。如果,氣候在那段時間內只要有一次完全崩潰,那麼進化就會崩潰停止,我們(人類)現在就不會在這裡了。因此,為了理解人類是如何在地球上生存的,我們就需要知道,地球是如何在數十億年內保持適合生命生存的。
這可不是一個微不足道的問題。當前的全球變暖向我們表明,即使是在短短几個世紀的過程中,氣候也可能發生重大變化。如果在地質時間尺度上,改變氣候甚至更容易。
計算表明,地球氣候有可能在短短數百萬年內惡化到冰點以下或沸點以上。
我們還知道,自從生命誕生以來,太陽的亮度提高了30%。從理論上講,這應該已經導致海洋沸騰、蒸發掉了,因為它們在早期地球上並沒有普遍凍結。這就是所謂的“微弱的年輕太陽悖論”。然而,不知何故,這一宜居性難題竟得以解決。
科學家們提出了兩種主要理論。首先,地球可能擁有類似於恆溫器的東西 —— 一種或多種反饋機制,可以防止氣候漂移到致命的溫度。
第二,在眾多的行星中,可能有一些完全是靠運氣才能挺過來的,地球就是其中之一。近幾十年來,太陽系外的許多行星(即所謂的系外行星)的發現,使得第二種情況變得更加可信。
對遙遠恆星的天文觀測告訴我們,許多恆星都有行星圍繞它們執行,有些恆星的大小、密度和軌道距離足以讓生命在理論上處於適宜的溫度。據估計,僅在我們的銀河系中就至少有20億顆這樣的候選行星。
科學家們很樂意前往這些系外行星,調查它們是否與地球數十億年來的氣候穩定性相匹配。但是,即使是最近的系外行星,那些圍繞比鄰星執行的行星,也有超過4光年遠。觀測或實驗的證據很難得到。
相反,科學家透過建模探索了同樣的問題。他們使用了一個用來模擬行星(不只是地球)氣候演變的計算機程式,首先生成了10萬個行星,每個行星都有隨機不同的氣候反饋。氣候反饋是可以放大或減少氣候變化的過程。例如,北極海冰融化,它用吸收陽光的海面取代了反射陽光的冰層,這反過來又導致更多的變暖和更多的融化。
為了研究這些不同的行星在巨大的(地質)時間尺度上保持適宜居住的可能性,科學家對每個行星進行了100次模擬。每一次行星從不同的初始溫度開始,暴露在隨機不同的氣候事件中。
這些事件代表著改變氣候的因素,例如超級火山爆發(像皮納圖博火山,但更大)和小行星撞擊(像是殺死恐龍的那一次)。 在每100次執行中,都會跟蹤行星的溫度,直到溫度變得太高或太低,或存活了30億年為止,這時它被認為可能是智慧生命的熔爐。
模擬結果給出了這個宜居性問題的明確答案,至少在反饋和運氣的重要性方面是這樣。一顆行星有如此強的穩定反饋,以致於無論隨機的氣候事件如何,它都能保持100次宜居,這是非常罕見的(事實上,只有十萬分之一)。
事實上,大多數至少保持過一次宜居的行星,100次模擬中宜居次數均不超過10次。在模擬中,當一顆行星在30億年的時間裡都保持適宜居住時,幾乎每一次都要部分歸因於運氣。
上圖:1000個不同的行星隨機生成並執行兩次。綠色圓圈表示可居住30億年。
同時,運氣肯定解決不了所有問題。那些被特別設計成完全沒有反饋的行星,從來就不適合居住;隨機遊走,受到氣候事件的衝擊,從來沒有持續過這個過程。
與此同時,運氣本身是不夠的。那些被特別設計成完全沒有反饋的行星,永遠不會適宜居住;由於受到氣候變化的影響,隨機行走的過程從未持續。
總體而言,模擬結果部分取決於反饋,部分取決於運氣,這一結論還是很穩健的。模型的各種變化都沒有影響到它。這也就表明,地球必須擁有一些穩定氣候的反饋,但與此同時,它保持適宜居住也必然與好運有關。
例如,如果一顆小行星或太陽耀斑比它原來的稍大,或者發生在一個稍有不同(更為關鍵)的時間,我們今天可能就不會在地球上了。
不管怎樣,這樣的模擬為我們提供了一個不同的視角,讓我們能夠回顧地球上生命進化、多樣化和變得更加複雜的歷史。