温室效应加远离主恒星，会不会造就宜居（液态水）环境？

dazidan

恒星的宜居带其实是很苛刻的条件，因为宜居带往往很窄。宜居带以外是广大的区域，但这里的行星温度太低无法保持液态水，但自然界还有温室效应这种可以提高温度的现象，那么远离恒星加温室效应不就有可能造就液态水环境了吗？我们能否通过这个思路来寻找外星人（甚至外星人）或者进行外星殖民？
作者：一点资讯

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题主你能想到的，其实天文学家早就想过了。



【深绿色-狭义宜居带/浅绿色-广义宜居带/图片来源：维基百科】


一、关于宜居带这个概念，天文学界其实是争议不断的。



有学者认为宜居带就是个伪概念。
首先，批判宜居带概念的学者认为，这是假设外星生命都是与地球生命相同类型的，但实际上，并没有什么原理来限定生命只可以有这样一种形式。
其次，即使按照前述的假设，也可以有很多例外是宜居带不能反映的。
比如，①无论按照宜居带的哪个现有标准，土卫二都不在宜居带内，可是现在哪个天文学家敢斩钉截铁地说，土卫二绝不可能存在生命？——虽然土卫二的表面极端寒冷，它巨厚冰层下面的液态水海洋仍然可能是适合生命的。
又如，②一个足够大的流浪行星，即使没有任何恒星为其提供能量，它自身巨大的内热释放，也可能在相当长的时间内使星球上某个区域适合生命生存。
所以，宜居带这个概念本身就有很大局限性，它并没有覆盖所有有可能产生生命的区域。即使把现有的最宽松标准继续放宽也不行，因为上述例子②的存在，宜居带可能需要扩大到——整个宇宙。


现有关于宜居带的标准，大多数都是参考地球的模式来定义的——在一个围绕恒星运行的类地行星的岩质（或液态）表面附近，允许生命存在。
即使认同宜居带概念，也存在众多的标准分歧。对很多条件的限定都会影响宜居带的范围，例如：
行星大气压的范围；
大气成分是否与地球类似；
温室效应的强弱；
海陆比例；
碳循环的影响；
云层的多少……

【图二：关于宜居带范围的不同标准/资料来源：维基百科】
从图二可以看出，其实温室效应的影响在宜居带范围的确定过程中，已经被考虑到了，并且事实上这个因素已经经过了充分的讨论。


二、以具体的例子来分析温室效应对行星宜居性的影响。



对于地球这种大气层以氮气和氧气为主的行星，温室气体含量是很低的（地球上的主要温室气体CO2含量仅0.04%）；但火星这种大气以二氧化碳为主的行星，温室效应就很明显了。
火星之所以温度还是比较低，其根本原因是火星质量太小，导致火星空气稀薄，稀薄的空气留不住热量，温室效应本身也会减弱。关于火星空气稀薄的原因，可以看我的另一个回答：
火星空气稀薄的主要原因是质量太小吗?然而，如果火星也有地球那么大，大气压与地球相仿，就会有超强的温室效应了吗？
不见得。
火星因为大气压仅仅636Pa，与水的三相点气压接近（611.73Pa），因此火星上尽管在赤道的中午气温可以达到约20℃，地表仍不会有液态水的存在——当气温高于0℃时，冰会直接升华为水蒸气。

【图三：水的相图，图片来自网络】
但一个大气压与地球相仿的假想“火星”，则极有可能会有液态水，而液态水的存在，就会启动类似地球的碳循环——大量的二氧化碳将会溶解到水里形成碳酸，然后再与水中的金属离子（主要是钙与镁离子）反应生成难溶性的碳酸盐沉淀。这样的结果就是，大气中绝大多数CO2都会通过碳循环回到岩石中，最后剩下与地球类似的以氮气为主的大气层，而温室效应也会大大减弱。
但仅仅依赖水的碳循环，在二氧化碳浓度变得比较低（例如降低到占大气5%甚至1%以下）之后，效率会大大下降，如果这个假想“火星”上没有进行光合作用的生物，CO2的浓度就很难继续降低了—— 一方面通过水缓慢地沉积，另一方面岩石中的CO2会通过火山喷发（如果火星足够大，其火山活动也不会像现在那样停滞）重新释放到大气中，两者将取得平衡，其最终的CO2含量很可能是远高于地球的水平的——即使假想“火星”只有1%的CO2，也是地球含量的25倍。
由于这个假想“火星”的CO2含量远高于地球，温室效应显然会强很多，因此它虽然比地球离太阳更远，其气温也可能和地球相仿，甚至更高。
如此优越的环境，如果有生命，想必会很繁荣，然后——我们也有理由相信这个假想“火星”上也会进化出植物，并展开大规模的光合作用——光合作用把剩下的少量CO2又转化为O2，这样很可能就会和地球一样，CO2仅剩下微量。
当CO2降低到与地球差不多之后，温室效应也就降低了，假想“火星”的温度就会大幅度下降，也许不再适合多数生物的生存——至少比地球的生存环境要差，于是假想“火星”生物大量灭绝，生物总量下降，光合作用速度降低——这又会导致CO2含量回升——温室效应加强——温度回升——生物繁荣——光合作用增强——CO2又下降——温度再次降低……陷入循环的怪圈……
所以，火星即使如地球那么大，它也很可能并不适合地球生物生存，而是走上与地球生命截然不同的进化路线。


反观地球，如果地球从来没有进化出光合作用生物，那么现在的地球的CO2含量必然比0.04%的水平要高得多——这会使地球温度也比现在高得多，也就是说，对大部分生物，尤其是复杂高等生物来说，环境更严苛——这就使得地球上进化出高等生物的概率降到很低，甚至有可能连光合作用生物都进化不出来，地球上很可能只有那些生存能力极强的嗜极菌。
然而我们非常幸运，因为在地球生命诞生的早期，那时的太阳核聚变的功率比现在小（像太阳这类的恒星，在其主序星阶段，其功率是缓慢而稳定地逐渐增加的），地球得到的辐射能量也较小，因而即使早期地球温室气体含量比现在高得多，其温度也不至于高到不适合生命的发展。而当太阳逐渐变得更热的时候，地球又及时地进化出了光合作用生物，把大气层中仅存的少量CO2中的绝大部分又消耗掉了，使得现在的地球温度仍适合我们的生存。


从以上的分析可以知道，温室气体、温室效应对于星球的宜居性的影响，其实是非常复杂的。它不仅直接影响星球的温度，还和星球大气成分、是否存在大量的水、星球上是否已经进化出生命、进化出了什么样的生命等多种因素联动，形成各种奇怪的循环，共同影响一个星球的宜居性环境。


前面假想“火星”中的循环主要还是负反馈的循环：当某个因素的影响过大之后，其结果会反过来制约该因素，从而将其影响降低。但实际的例子中，有许多反馈也可能是正反馈，这将导致失控现象的发生。
例如金星：我们相信早期的金星和地球一样，也是有液态水的海洋的，虽然海洋也会吸收大量的CO2，但因为金星离太阳的距离太近，导致其温度依然偏高，有比地球更高比例的水蒸发成为水蒸气——水蒸气是一种比CO2还要强的温室气体，这进一步加剧了温度的升高和海洋的蒸发——大量的水蒸气甚至上升到了金星大气层顶，在那里被太阳光中的紫外线分解为氢气和氧气——氢气因为太轻而逃逸，这种不可逆的反应会消耗金星上水的总量，导致水越来越少，最终会变成现在的局面——目前的金星完全没有液态水，大气层中也几乎没有水蒸气。
没有了水的金星，自然没有什么东西来吸收火山喷发出来的CO2了，这导致金星上CO2越来越多，最终金星大气压高达92倍地球大气压，这么浓密的以CO2为主的大气层，又进一步增强了温室效应，使得金星表面平均温度高达464℃——如此高的气温又烤热了岩石，使得金星的火山活动更加剧烈——释放更多的CO2到大气中……总之，金星上如地狱般的环境就是主要由失控的温室效应导致的。
还好金星因为自转缓慢而没有磁场，没有磁场导致在太阳风吹拂下金星大气流失率也很高。如果金星有磁场，金星上大气压高达几百倍地球大气压、气温高达上千度，也不是不可能的。
三、最后总结一下：

1、温室效应加远离恒星，是有可能造成宜居环境的，但这不是什么新发现，而是在天文学上早已充分讨论过的问题，现有的宜居带范围的确定标准中，就有考虑了这个因素的方案。
2、温室效应对行星宜居性的影响，不是想象的那么简单。各种因素之间复杂的正反馈或负反馈的循环，可能导致意想不到的结果，我们不能仅仅通过温室效应的存在就判断一颗星球是否宜居。

冰伊人o

在行星大气里测出温室气体的谱线时可以为它扩大宜居带划定范围。在没有这种条件的时候，不建议在相关科研项目里假定行星的大气环境。
现在很多时候拿出来的宜居带划定已经非常宽了。如果用地球上极端环境的生态系去衡量，那确实还可以划更宽，但目前的研究资源不够地毯式搜索，观测手段能得到的数据也颇为有限，因而选择可能有较明显的现象供观测的范围。
比如，地球上有在封闭的金矿地下水里利用放射性物质的辐射能合成有机物的细菌，支持着不需要阳光也不要求良好的地热条件、不用海底热泉硫化氢烟囱等结构的生态系。如果用这个作为基准，规模较大或距离恒星没有远到整个冻结的固态行星都能支持生命。但我们从遥远的地球拿望远镜观测到的数据根本无法分辨行星上有没有这种生态系，将其先搁置是合理的。
至于地外居住，那基本上不需要考虑这个。倘若人类文明有能力造出可跨越黑暗太空飞行若干光年并在途中维持上面人的生活的载具或是让人类的身体成为这样的载具，人类根本就不需要住在行星上，住在这种载具上，从天体汲取物质维持载具的运转就行了。即使是考虑近未来在太阳系内居住，大量的小行星、柯伊伯带天体、奥尔特云天体等都有改造成轨道居住区的潜质，没有必要拘泥于近未来难以操控轨道的行星。

Jefflq

逻辑是没错的，不过思路还可以广阔些。
首先，除了温室效应，地壳的运动、构造本身会对星球表面温度造成很大的影响。比如如果一个星球远离主恒星，但地下经常有地热放出，那其表面温度有可能也足以支撑类地球生物生存。
其次，生命的存在条件，是否液态水是必选项，人类目前的认知还不够。如果是一个液态甲烷，液态乙烷的环境，是否有可能有碳基生命存在呢？  比如说有科学家就怀疑土卫六上的烷烃海洋里有可能有无氧生物。
再次，我们已经在南极的海洋中发现了极耐低温的鱼类，远远超过了人类文明能承受的温度。那是否也有可能存在一种生命，可生存条件远远低于目前地球南极的温度呢？ 这还没考虑非碳基，无氧等因素。
另外，即便我们寻找的是液态水，但表面结冰而冰层下是液态水的情况也很常见，比如木卫二，即使以地球生命的标准看，木卫二的冰下液态海洋也完全符合生命的条件。
所以，如果我们的目标是寻找人类未来可以移民，殖民的星球，那便罢了。
如果寻找的是外星人，外星生命，以目前的思路和标准，是有点狭窄的。  外星生命可能还处在很原始的阶段，也有可能已经高度发达，也有可能跟人类差不多，也可能，他们是我们完全无法理解的科幻一样的形态呢，完全不需要以地球为参照的 宜居带行星。

kgd520

土卫六貌似就是题主描述的这种状况，不过依然很冷。可能是实在太远了。毕竟再温室效应前提也都是保证一定的能量供应，温室看来只是一种留住热量的能力，它并不能产生热量。
有一些行星拥有地下海洋，或许也可以视为非大气环境的温室？
期待专业回答。