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哥倫比亞大學天體生物學主任Caleb Scharf的一項新研究表明，由重力潮汐和恒星加熱引起的行星大氣共振可能會阻止行星的自轉隨時間穩(wěn)步減慢。發(fā)現表明：對于一個大氣被生命氧化的行星來說，這種效應會增強，由此產生的“大氣潮汐”甚至可以作為生物特征。潮汐會扭曲行星的質量，從而影響其自轉。我們最熟悉的是引力潮汐，在地球上我們通過月球和太陽的引力來感受它。當地球自轉時，這些引力潮汐會產生膨脹，而月球和太陽會拖曳這些膨脹，從而減慢自轉速度。

博科園-科學科普：相比之下，大氣潮汐，有時稱為熱潮汐或太陽潮汐，發(fā)生在陽光加熱表面和地球白天一側的空氣。這種加熱將大氣質量從地球上最熱的地方轉移到較冷的地方。就像引力潮汐一樣，大氣潮汐也會引起凸起，而這些凸起很容易受到引力的影響。這些凸起微妙地改變了地球大氣的形狀，把它從一個球體拉伸成略不對稱、更橢圓的形狀。Scharf建議設想在地球上有一個“手柄”，拉著大氣手柄的力量可以幫助加速或減慢地球的自轉。

共振頻率

通常這些熱潮汐力產生的影響相對較小，但在某些情況下，如在共振中，影響可以增加。這些是自然振動頻率，用來描述橋梁在風中的波動運動，或在秋千上被推得越來越高。當行星的自轉速率與大氣振蕩的自然頻率相匹配時，大氣再分布就會被放大。沙夫用另一個比喻來解釋共振：“這就像拉小提琴”。大氣就像一根小提琴弦纏繞著地球，如果你以適當的速度在琴弦上拉弓，就會得到正確的音調和最響亮的聲音。

科學家認為當地球的日長約21小時時，就會產生共振。這一天的長度會在大氣運動中產生一個峰值，這意味著它會感受到來自太陽和月亮的最強的潮汐引力，產生一個特別大的“手柄”和最大的扭矩。在這種共振狀態(tài)下，恒星對行星大氣的影響最大，對行星自轉的影響也最大。當施加在大氣手柄上的反作用力和行星通常的引力潮汐達到平衡時，就會出現一種被稱為“共振俘獲”的現象，鎖定了行星的自轉速度。

跳出陷阱

研究表明地球可能在“數億年”的時間里，以21小時的白天長度被共振地困住，也許是在5億年前的前寒武紀時期。共振俘獲的影響本身很難衡量，但總的來說，Scharf注意到旋轉較快的行星有較熱的均衡器和較冷的兩極。共振捕獲可能會影響地球的氣候，但更重要的是共振捕獲在氣候進化中的作用。溫度波動可能會(就地球而言，必然會)打破共振，比如在深度凍結之后迅速變暖，這將在數百萬年里重新啟動白天長度的增加，因為行星的自轉恢復減慢。例如可能在30到40億年前，地球有12小時的一天，隨著時間的推移，它延長到24小時。在遙遠的將來，地球日可能會超過24小時。

一個常見的現象

由于大多數行星都經歷過可能會影響其自轉的引力潮汐，Scharf相信其他巖石行星最終會經歷共振俘獲，導致一天的長度被保持不變很長一段時間。華盛頓大學NASA虛擬行星實驗室的教授羅里·巴恩斯(Rory Barnes)也認為，這一過程可能很普遍。雖然沙夫復制了過去地球的結果，但他對這種復雜現象的模型是簡單而優(yōu)雅的，然而考慮到氣候、大氣條件、大小等因素的復雜影響，很難說這對任何特定的行星會有什么影響。但沙夫的一階嘗試解開這些因素，為進一步完善提供了思路。

Scharf工作的一個特別有趣的暗示是，生物活動也可能影響行星的自轉。臭氧等分子使大氣變暖，使熱潮變強，使共振時間縮短。如果一個行星上的生命產生氧氣，這個行星將積累臭氧，促進共振捕獲在一個行星的歷史上更快。這些可能性“都取決于事件的順序。如果地球處于共振之中，臭氧的增加會破壞它，如果地球已經經歷了共振，它可以再次進入那個狀態(tài)。

對生命有積極的反饋？

一個價值百萬美元的問題是，氧化或臭氧產生的旋轉變化是否有益于生命。這是一個積極的反饋過程，幫助生命以這種方式影響它的行星環(huán)境，幫助傳播生命嗎？Scharf說現在還不能確定，但是如果生物活動能幫助鎖定共振狀態(tài)，生命的存在可能會產生一個反饋循環(huán)。如果科學家能在過去的40億年里獲得更多地球自轉的進化數據，他們就可以將其與我們的大氣氧化數據進行比對并尋找相關的相關性，這可能會表明，在共振捕獲的共振效應中，這是相當驚人的，但很有可能。巴恩斯對此表示贊同，稱這是一個“值得進一步研究的具有挑釁性的想法”。

未來研究的另一個想法是，行星的自轉速度能否為行星的潛在宜居性提供間接支持。探測行星的旋轉速度是非常困難的，但是考慮到外行星科學的進步，也許有一種方法可以做到這一點。即使科學家能夠找到測量巖石行星旋轉速度的方法，Scharf也懷疑他們是否能找到與生物存在因果關系的“確鑿證據”。然而旋轉速率計算可能是天體生物學家用來尋找支持生命存在的行星的眾多工具之一。巴恩斯很想看到“一項將生物學在行星旋轉速率和潛在宜居性之間的作用分離開來的實驗”，但與此同時，他將在他的地外清單中加入旋轉速率觀測。

博科園-科學科普｜文：Joelle Renstrom/astrobio/天體生物學期刊

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