行星永夜面的大气层会塌陷吗？
轨道靠近恒星的行星可能会失去大气层和生命的机会，但新的模型显示了这些行星可能保留大气层和宜居性的一种方法。
当科学家在宇宙中寻找可能宜居的行星或外星生命时，他们会寻找类地行星。许多岩石行星，可能类似地球，围绕着M型主序星运行，M型主序星是一种比太阳小的恒星。这些系外行星似乎是寻找外星生命的好机会，但由于M型主序星的体积小，行星的轨道靠近恒星，可能会被潮汐锁定。这可能会导致行星的大气层完全崩溃，使它们无法宜居。
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芝加哥大学的研究生丹尼尔·科尔（Daniel Koll）说，目前没有人知道潮汐锁定的系外行星是否宜居。为了尝试回答这个问题，科尔研究了潮汐锁定行星上的大气行为，以及什么条件可以防止大气崩溃。
“总的来说，我们并不真正了解大气物理”，科尔在加州旧金山举行的美国地球物理联盟2015年秋季会议上的海报展示中说。事实上，我们并不完全了解我们自己星球的大气物理，他说。因此，他的工作不仅可以帮助科学家了解他们可以在哪里寻找生命，还可以帮助他们了解我们自己星球的大气动力学。
其他研究人员已经对这些类型的潮汐锁定系外行星运行了一般的循环模型，科学家用它来模拟我们自己不断变化的气候。科尔所做的是根据可能发生的各种基本物理条件设计模型，看看哪种模型最符合这些循环模型。科尔说，潮汐锁定行星的大气层有两种可能：大气崩溃或全球大气循环。
整个大气的塌陷
第一种选择是大气层完全崩溃。潮汐锁定的行星总是以同一面面对恒星，就像月球的一面总是面对地球一样，因为强大的引力梯度导致行星的轨道和旋转周期同步。科尔说，一颗被锁定的行星的夜晚会变得非常寒冷，温度可以低至30开尔文。
科尔说，这样低的温度低于大气的凝结点。当这种情况发生时，大气会结冰，在行星表面形成冰川或氮冰川，不留下气体大气。但这颗行星并不是只有一半没有大气层。当气体从永昼面移动到永夜面时，大气层试图达到压力平衡，但却再次冻结。这个过程会不断重复，直到行星两侧都没有大气层。
全球环流可以维持大气
科尔研究的另一种潮汐锁定大气的选择是，行星可以有效地将其大气重新分配到其夜面，而不会凝结。为了了解控制这些大气的物理原理，科尔在他的模型中建立了不同的属性。
第一个原因很简单：永夜一侧的温度并不均匀。这种不均匀性使他的模型的结果更接近一般循环模型的基线，但还不够接近。接下来，他将该系统视为一个热引擎，其工作原理类似于地球上的飓风。永昼一侧的大气升温并移至永夜一侧，随着行星和大气向太空辐射的热量多于向内辐射的热量，永夜一侧的大气温度下降。
当冷却的大气层下沉到更接近行星表面时，其运动波会减慢并失去能量。失去的能量以热量的形式出现，然后再次使大气变暖，这样它就可以回到永昼。这种类型的全球环流将保留行星的大气层，因为它永远不会冷却到凝结。当科尔绘制这种行为的模型时，它与全球环流模型的基线完全一致。
“大气中更多的温室气体使大气更好地将热量转移到永夜”，科尔说。因此，有厚厚的大气层的行星可以更好地循环和保持它们的大气层。
近乎完美的契合
科尔的模型不仅与循环模型几乎完全一致，而且他还使用了相当简单的模型，这些模型是他亲手写在作文本上的。通过使用这种相对简单的模型并获得如此精确的结果，科尔觉得他和他的同事正在对潮汐锁定行星上的大气行为有一个扎实的了解。这些知识可以帮助确定哪些行星可能存在生命或宜居。
比利时皇家天文台的行星科学家塞德里克·吉尔曼（Cedric Gillmann）说：“能如此接近全球环流模型是一项了不起的壮举。”尽管科尔的曲线看起来好得令人难以置信，但吉尔曼说，如果基本参数是正确的，就有可能得到如此精确的模型，而在科尔的情况下，它们似乎是正确的。“这是一个小小的奇迹，”吉尔曼说，他和科尔都期待着有一天，科技能让人们真正观察到这些系外行星及其大气层。
拓展阅读：Sullivan, C. (2015), Atmospheres can collapse on the dark sides of planets, Eos, 96, doi:/2015EO042551. Published on 29 December 2015.
原文地址：Atmospheres Can Collapse on the Dark Sides of Planets - Eos
