地外行星有着怎样的气候？
作者：Isabelle Dumé
编辑：Meister Xia
导读：
我们一直想要找到适合人类居住的“第二个”地球，但是却一无所获，因为我们难以获取地外行星的气候数据。气候将不可避免地影响地外行星是否可以存在生命以及以何种方式存在。既然数据无法获得，那么我们就需要另辟蹊径。现在科学家们正在研究地球气候如何运作的模型，并将其应用于其他行星。本期为《星球之外》系列二，作者Isabelle Dumé带我们了解如何研究地外行星的气候。
一览：
在法国拉普拉斯气候研究学院的动态气象学实验室（LMD），学者们使用卫星观测数据和数学模型模拟地球大气层，研究地球气候的变化。
研究的目的是预测地球以及太阳系其他行星未来的气候。
学者们开发了一款名为Dynamico的软件，可求解流体动力学方程，计算出地球大气环流的状态，推测低气压、反气旋、风的演变，还可用于研究火星和金星。
学者们还在试图对千万年前乃至数十亿年前的火星气候进行建模，以探究火星所经历过的冰川时期，以及曾经在其表面存在的河流湖泊。
随着一个个宇宙探测器飞往太阳系各个星球乃至更远的太空，人类对浩瀚星海的探索愈发雄心勃勃。在法国拉普拉斯气候研究学院的动态气象学实验室（LMD）中，我们的研究团队正在分析探测器传回的观测数据，使用全宇宙皆适用的物理定律对行星大气层建模，为人类的太空探索事业做出我们的贡献。
在LMD，大部分学者的研究重点是地球的气候，使用卫星观测数据和数学模型，对地球大气层建模，通过模拟地球气候变化的趋势预判几十年后的气候状态。但我们对这些技术进行了巧妙改造，用来分析太阳系其他行星、卫星（如土卫六、海卫一）、以及冥王星的大气层。
对行星气候进行数字建模
无论是气态还是固态地外行星，对其大气层的数字建模看起来都有点像电子游戏的场景。不过，我们采用的是严谨的物理定律，将一个行星所有气象现象都纳入模型中——云层活动、风力、大气环流、沙尘暴、降雪降霜等。然后试图用已得到证实的公式对其进行数学表达。这项工作绝非易事，虽然有时候会失败，但我们开发的模型通常准确度出奇的高。研究地外行星，对于地球气候分析也有借鉴意义。就像医学领域以动物模型为实验对象，能加深对人体的理解。
我们当前主要研究的是火星，参与了多个太空探测项目，包括美国航天局的火星气候探测器和洞察号（其地震仪由法国科学家提供）。洞察号既有地质物理考察任务，也有气象观测任务。对于火星上采集到的数据，我们会试图利用数学模型予以解读，就像分析别的地外行星一样。在欧盟的支持下，我们的团队还在开展另一个大型项目，名叫“火星的变迁”（Mars Through Time），使用地外行星气候建模技术重现千万年前甚至上亿年前的火星气候。古时火星的公转轨道和转轴倾角跟现在不太一样，火星的表面在近古经历过冰川时期，远古甚至还有河流湖泊。
图片来源：PI France
“惊喜满满”的研究成果
LMD最近开发了名为Dynamico的新软件，应用于“火星的变迁”以及其他课题。Dynamico开发的初衷是研究地球气候。它能求解流体动力学方程，计算出地球大气环流的状态，推测低气压、反气旋、风的演变。我们用Dynamico研究金星和火星，发现模拟前者大气层的效果并不好，因为软件初始的设定忽略了一些在地球上不重要、但在别的星球上却很影响很大的参数。所以，模型中的方程有时候要调整，添加参数，几年前对火星建模时也是如此。新增的参数不仅让模型更准确地反映了火星大气的状态，还使其更有效地模拟地球气候，特别是印度的季风。虽然是个小细节，但功劳却不小。地球的气候在不断变化，我们有必要借助此类模型预测印度是否会遭遇严重的干旱或暴雨。因此研究火星的气候，能助力地球气候分析。
我们的科研经费来自各国的航空局和航空航天企业。模型生成的结果基本上都很可靠，现已被全球各地数百个科研团队加以应用，而且对未来的太空探索项目也有重大指导意义，尤其是对于需要在固态地外星球着陆，或需要利用外星大气层减速的探测器，甚至还被用于说服怀疑地球气候变暖的人。模型的准确性高得让人惊讶，和实际观测数据完美吻合，能跟探测器发回的外星气象数据“对上号”。
有时，模型无法做出准确的预测，但这种情形也十分值得研究。其中一种原因是所模拟的环境过于复杂，或者存在“非线性”参数——稍微一变动，就会引发巨大变化的参数。这种情况下，需要对模型进行微调，充分考虑环境对非线性参数的敏感度。更常见的原因是环境中存在我们没想到的物理现象。这些现象不是简单地让环境直接升温或者降温，而可能是引发一个反馈环，让气候系统切换成另一种运行状态。地外行星的气候-物理学系统有无数个自由度，在时间和空间维度的尺度都很复杂，我们有必要仔细研究，探寻其背后的机理。这既是令人苦恼的难题，也是21世纪物理学愿意欣然迎接的挑战。
Isabelle Dumé
参考资料：
https://www.lmd.jussieu.fr/~forget/research.html
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0019103521004164
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0019103521003572
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X2100426X
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032063321001768
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL095453
https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11214-021–00820‑z
https://www.nature.com/articles/s41467-020–18845‑3
https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11214-020–00716‑4
https://gmd.copernicus.org/articles/13/707/2020/
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2020/02/aa37327-19/aa37327-19.html
François Forget
法国国家科学研究中心（CNRS）天体物理学研究主任
Isabelle Dumé
科学记者，物理学哲学博士
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