我系胡永云教授与其研究生杨军博士（现在芝加哥大学做博士后）关于太阳系外行星适宜生命存在的研究成果于2013年12 月30日在美国科学院院刊（PNAS）发表（Early Edition），题目为“Role of ocean heat transport in climates of tidally locked exoplanets around M-dwarf Stars”。他们的研究结果表明海洋热量输送将能够有效地改变围绕红矮星运行的宜居行星的气候环境和宜居性，并能够极大地改变太阳系外行星适宜生命存在的空间模态。这些结果对认识系外行星适宜生命存在的可能性以及未来探测适宜生命存在的行星有着极为重要的理论意义。
地球生命在宇宙中是否是唯一的？太阳系外是否存在适宜生命存在的星球？一直是人类不断思考和探索的问题。自1995年第一颗太阳系外行星被发现到2013年12月28日为止，已有1056颗系外行星被确认，其中的12 颗被认为是有可能适宜生命存在的。这12颗行星都是质量略大于地球质量的固态星球，通常被称为“超级地球”。目前，公认的适宜类似地球生命存在的最关键的条件是液态水。因此，判断一颗行星是否是适宜的条件是其表面温度是否能够保证液态水的长期存在，其表面温度应介于大约0-70 °C之间，低于0 °C，水完全被冻结；高于70 °C（不需要达到100 °C），行星将进入温室逃逸状态，其表面液态水将完全被蒸发，并最终被光解（太阳系的金星很可能在早期经历了温室逃逸，现在没有液态水）。
胡永云教授和杨军博士的研究目标是红矮星附近的宜居行星。这是因为红矮星是宇宙中数量最多的恒星（占恒星总数量的大约80%），而且，因为红矮星的辐射温度较低（3500 K左右，远低于太阳的辐射温度6000 K），其宜居行星距离其母星较近，易于被探测到。因此，人类很可能首先在红矮星附近发现宜居行星。正是由于红矮星与其宜居行星太近，它们之间强的引力导致宜居行星被潮汐锁相，也就是行星的一面永远面对红矮星（永久白天），而另一面永远背对红矮星（永久黑夜）。这与我们只能看到月亮的一面而看不到其另一面是同样的道理。这一行星与其恒星之间特殊的运行方式势必造成行星的朝阳面和背阳面之间的加热不均匀，由此而产生的一个严重的问题是，尽管行星的朝阳面温度适于液态水存在，但其背阳面由于得不到恒星辐射而极端寒冷，以至于所有的大气和水分有可能都被冻结在背阳面，从而不适宜生命存在。
图：上面两图是数值模式模拟的静止海洋条件下的海冰覆盖率（左）和温度分布（右）。下面两图是模拟的动态海洋条件下的海冰覆盖率和温度分布。左图中的蓝色表示开放海域，白色表示冰封海域。右图的彩色标尺单位是°C。恒星的直射点在图的中心。
针对这一问题，胡永云教授和杨军博士首次强调了海洋热量输送对锁相行星气候的影响。他们假定“超级地球”是一个“水世界”，该假设是基于目前对超级地球的理论认识，一个行星的质量愈大，其所包含的水分愈多，而且由于超级地球重力较大，山峰较低，因此，行星表面完全被海洋所覆盖。在此之前，所有对系外行星宜居性的研究都没有关注海洋的气候效应，但根据地球气候系统的知识，海洋热量输送对地球气候的重要性与大气热量输送同等重要。他们使用海-气耦合气候模式进行了两种不同的数值模拟试验：（1）静止的海洋，没有海洋热量输送；（2）流动的海洋，考虑了海洋热量输送、海冰运动以及海冰-反照率反馈等物理和动力过程。如图所示，在静止海洋情况下，行星朝阳面只有部分区域存在液态水（蓝色），其它区域均为海冰所覆盖（白色），背阳面地表温度在-70 °C以下。相反，如果考虑海洋流动（下面两图），开放海域不再是圆形，而是类似于“龙虾”状，两只“钳子”对称地位于赤道两侧，长长的“尾巴”一直延伸到背阳面。当CO2浓度足够高时，全球温度都高于0 °C，背阳面的海冰也能够全部融化。
这些结果表明：考虑了大气和海洋自朝阳面向背阳面输送热量，不仅大气层不会在背阳面坍塌，水也不会在背阳面冻结。相反，海洋热量输送能够有效地加热背阳面，不仅扩大了开放海域的面积（但背阳面因无光合作用仍不适宜生命长期存在），而且还极大地改变了宜居行星的气候空间模态。他们还进一步指出，如果红矮星附近的超级地球确实是一个海洋世界，那么只有位于红矮星附近相对狭窄的范围内才是宜居的。如果距离其母星太近，海洋热量输送将使其易于进入温室逃逸状态；如果太远，将很容易进入全冰封状态。换句话说，海洋的存在将使得传统上认为的红矮星周围的宜居带变窄。他们的研究不仅仅集中在海洋热量输送，还考虑了洋流、海冰运动以及海冰-反照率与恒星辐射之间的反馈作用对宜居行星气候的影响。图2所给出的气候空间模态将有助于识别系外行星是否是宜居的。虽然目前的观测技术还无法做到这一点，但计划中的太空望远镜将很有希望达到这一目标。
论文全文可见：http://www.pnas.org/content/early/2013/12/26/1315215111.full.pdf+html
