我系助理教授杨军研究组的最新研究表明：在海冰流动的驱动下，潮汐锁相行星的开放海洋面积不断减小、冰雪覆盖区域面积不断增大，最终导致行星进入全球冰雪世界，见图1。该工作以“Transition from Eyeball to Snowball Driven by Sea-ice Drift on Tidally Locked Terrestrial Planets”为题发表在最近一期的《自然－天文学》（Nature Astronomy）杂志上。
图1：从开放海洋到冰雪世界的转换。图中白色表示冰雪，蓝色表示海洋。
自1992年以来，人类已经确认了4000多颗太阳系外行星。其中，有20颗左右行星的大小与地球相当，接收到的恒星辐射也与地球接近，地表可能可以长期维持液态水存在，被称为“疑似宜居行星”。液态水是地球上所有生命存在的必需要素，也是判断系外行星宜居与否的重要依据之一。这些行星大部分围绕着质量比太阳小、温度比太阳低的红矮星公转，轨道半径只有日地距离的十分之一左右。因此，这类行星所受的潮汐引力非常强，进而致使其轨道很容易进入潮汐锁相状态，类似于水星或月球的轨道。
对于正圆形的潮汐锁相轨道而言，行星的一个半球永久接收恒星辐射照射，被称为“永久白天”，另一个半球永远接收不到阳光，被称为“永久黑夜”。类似于月球围绕地球公转的轨道，月球永远只有一面朝着地球，另一面永远背向地球。
前人的研究指出潮汐锁相行星的星下点附近可以存在一个开放海洋，而其他区域都被冰雪覆盖，因为只有星下点附近接收到的恒星辐射才能达到使地表温度高于273 K的水平。这一开放海洋是光合作用生物的理想生存环境。但是，这些研究都没有严格考虑海冰流动的作用。通过三维耦合的大气－海洋－海冰－陆地模式模拟，杨军等的研究表明：在考虑海冰流动之后，星下点位置的开放海洋无法稳定存在。海冰在背阳面生长，然后被风和海流不断输送到星下点区域，进而通过提高地表反照率和融化吸热过程使地表温度不断降低（图2），直到使得整个海洋都被冰雪覆盖，进入冰雪世界。
图2：海冰流动（箭头）、海冰生长对应的放热（黄色）和海冰融化对应的吸热（蓝色）。
红色点为星下点位置，横轴为经度（0-360），纵轴为纬度（90S-90N）。
除了海冰流动对开放海域面积的收缩作用，该工作还进一步确认海洋热量输送可以起到相反的作用——扩大开放海域面积。对于接收恒星辐射量较少、大气中温室气体浓度较低、海冰覆盖率高的行星而言，海冰流动的作用占主导。对于接收恒星辐射量较多、大气中温室气体浓度较高、海冰覆盖率低的行星而言，海洋运动的作用占主导。
该研究成果对确定红矮星宜居带的外边界位置以及行星的宜居性有重要的科学意义，对未来探测宜居系外行星有重要的参考价值。全球冰封的冰面以下的海洋很难孕育生命，因为阳光很难达到冰面以下。如果一颗行星进入冰雪世界，那么光合作用生物可能很难生存下来。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41550-019-0883-z
该文章的第一作者和通讯作者是我系助理教授杨军，合作者是博士生季伟文和本科生曾耀萱。该项目的资助来自国家自然科学基金委。
