詹姆斯·韦伯望远镜通过大气分析能锁定地外海洋世界

这项最新研究表明，任何可能与地球相似的岩石星球，其气候特征很大程度上取决于该星球朝向主恒星一侧的陆地和海洋面积大小和位置，尽管当前该望远镜仍缺乏勘测系外行星表面分辨率的能力，但是该发现可以帮助天文学家通过大气层光谱分析，获得关于行星表面的相关结论。

图中是艺术家假设的海洋星球，它拥有类似地球的大气层条件，并有两颗卫星环绕运行。

该项研究负责人、加拿大多伦多大学物理系研究生伊芙琳·麦克唐纳(Evelyn Macdonald)称，我们的研究表明，类地行星上陆地分布对其气候产生很大影响，这将有助于天文学家使用詹姆斯·韦伯太空望远镜等仪器观测地外行星，从而更好地解释他们所看到的天体特征。

伊芙琳和同事使用一种名为ExoPlaSim的气候模拟技术来模拟陆地和海洋的数量和分布，进而理解该特征如何影响潮汐锁定气候。

潮汐锁定行星是与主恒星保持同步旋转，这意味着它绕轴旋转所需时间与绕恒星旋转所需时间一致，因此，该行星在同速旋转下，始终有一侧朝向主恒星，这与月球始终保持同一侧朝向地球的现象是相同的。

据悉，环绕红矮星运行的岩石行星特别容易受到潮汐锁定的影响，因为红矮星系统通常比较“紧凑”，行星非常接近恒星。尽管它们距离主恒星很近，但这些行星可能处于宜居带——行星与主恒星保持适当距离从而能表面存在液态水，并且红矮星表面温度低，大约3500摄氏度，比太阳低大约2000摄氏度。

行星环绕恒星运行几天时间，会使它们更易受到恒星引力锁定影响，然而，这种所谓的潮汐锁定并不意味着某颗行星近半球是持续白昼，远半球是持续夜晚。因此，行星宜居性也取决于它将热量从昼侧重新分配至夜侧的能力，这将导致该行星表面不会过热或者过冷。

伊芙琳和同事模拟了两种假设条件行星：一种是亚恒星点(直接朝向恒星)是圆形大陆，被海洋包围着；另一种是亚恒星点是圆形海洋，被陆地包围着。之后他们改变每种假设行星条件中陆地和海洋的数量，从而观察如何影响该行星的气候特征。

这些模型表明，在一个潮汐锁定的行星，全球平均气温更多地取决于陆地面积，而不是陆地的位置，在模拟测试中，拥有日侧半球陆地面积较多的行星，无论是中心亚恒星点或者环绕一个亚恒星点海洋，其表面平均温度上升了大约20摄氏度。

此外，陆地面积越大，恒星照射的面积就越大，该行星大气层将高温干燥，这是因为更多陆地的存在意味着蒸发至大气层的地表水分更少，这也导致降水量更少。伊芙琳说：“所以该情况下这片陆地极有可能是沙漠气候，总体而言，全球表面温度最高、大气水蒸汽最多的行星，其海洋位于昼侧中心，并位于该行星表面温度较低区域。”

逐渐增加的大气水蒸汽将导致更多云层形成，因为水蒸汽是一种温室气体，它使大气层更具吸收热量的能力，并将热量输送到行星另一侧半球。由于詹姆斯·韦伯太空望远镜的科学目标之一是分析邻近类地系外行星的大气层特征，并试图确定它们是否适宜生命存活，这项最新研究将有助于韦伯太空望远镜进一步勘测此类行星，并揭晓我们它们是干燥的荒漠，还是拥有陆地和海洋的宜居世界。目前这项最新研究报告发表在2022年6月刊《皇家天文学会月刊》上。