文|創(chuàng)瞰巴黎 Isabelle Dumé
編輯|Meister Xia
導(dǎo)讀：
我們一直想要找到適合人類居住的“第二個(gè)”地球，但是卻一無(wú)所獲，因?yàn)槲覀冸y以獲取地外行星的氣候數(shù)據(jù)。氣候?qū)⒉豢杀苊獾赜绊懙赝庑行鞘欠窨梢源嬖谏约耙院畏N方式存在。既然數(shù)據(jù)無(wú)法獲得，那么我們就需要另辟蹊徑?，F(xiàn)在科學(xué)家們正在研究地球氣候如何運(yùn)作的模型，并將其應(yīng)用于其他行星。本期為《星球之外》系列二，作者Isabelle Dumé帶我們了解如何研究地外行星的氣候。
一覽：
- 在法國(guó)拉普拉斯氣候研究學(xué)院的動(dòng)態(tài)氣象學(xué)實(shí)驗(yàn)室（LMD），學(xué)者們使用衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型模擬地球大氣層，研究地球氣候的變化。
- 研究的目的是預(yù)測(cè)地球以及太陽(yáng)系其他行星未來(lái)的氣候。
- 學(xué)者們開(kāi)發(fā)了一款名為Dynamico的軟件，可求解流體動(dòng)力學(xué)方程，計(jì)算出地球大氣環(huán)流的狀態(tài)，推測(cè)低氣壓、反氣旋、風(fēng)的演變，還可用于研究火星和金星。
- 學(xué)者們還在試圖對(duì)千萬(wàn)年前乃至數(shù)十億年前的火星氣候進(jìn)行建模，以探究火星所經(jīng)歷過(guò)的冰川時(shí)期，以及曾經(jīng)在其表面存在的河流湖泊。
隨著一個(gè)個(gè)宇宙探測(cè)器飛往太陽(yáng)系各個(gè)星球乃至更遠(yuǎn)的太空，人類對(duì)浩瀚星海的探索愈發(fā)雄心勃勃。在法國(guó)拉普拉斯氣候研究學(xué)院的動(dòng)態(tài)氣象學(xué)實(shí)驗(yàn)室（LMD）中，我們的研究團(tuán)隊(duì)正在分析探測(cè)器傳回的觀測(cè)數(shù)據(jù)，使用全宇宙皆適用的物理定律對(duì)行星大氣層建模，為人類的太空探索事業(yè)做出我們的貢獻(xiàn)。
在LMD，大部分學(xué)者的研究重點(diǎn)是地球的氣候，使用衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型，對(duì)地球大氣層建模，通過(guò)模擬地球氣候變化的趨勢(shì)預(yù)判幾十年后的氣候狀態(tài)。但我們對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行了巧妙改造，用來(lái)分析太陽(yáng)系其他行星、衛(wèi)星（如土衛(wèi)六、海衛(wèi)一）、以及冥王星的大氣層。
對(duì)行星氣候進(jìn)行數(shù)字建模
無(wú)論是氣態(tài)還是固態(tài)地外行星，對(duì)其大氣層的數(shù)字建?？雌饋?lái)都有點(diǎn)像電子游戲的場(chǎng)景。不過(guò)，我們采用的是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢矶?，將一個(gè)行星所有氣象現(xiàn)象都納入模型中——云層活動(dòng)、風(fēng)力、大氣環(huán)流、沙塵暴、降雪降霜等。然后試圖用已得到證實(shí)的公式對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)表達(dá)。這項(xiàng)工作絕非易事，雖然有時(shí)候會(huì)失敗，但我們開(kāi)發(fā)的模型通常準(zhǔn)確度出奇的高。研究地外行星，對(duì)于地球氣候分析也有借鑒意義。就像醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以動(dòng)物模型為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，能加深對(duì)人體的理解。
我們當(dāng)前主要研究的是火星，參與了多個(gè)太空探測(cè)項(xiàng)目，包括美國(guó)航天局的火星氣候探測(cè)器和洞察號(hào)（其地震儀由法國(guó)科學(xué)家提供）。洞察號(hào)既有地質(zhì)物理考察任務(wù)，也有氣象觀測(cè)任務(wù)。對(duì)于火星上采集到的數(shù)據(jù)，我們會(huì)試圖利用數(shù)學(xué)模型予以解讀，就像分析別的地外行星一樣。在歐盟的支持下，我們的團(tuán)隊(duì)還在開(kāi)展另一個(gè)大型項(xiàng)目，名叫“火星的變遷”（Mars Through Time），使用地外行星氣候建模技術(shù)重現(xiàn)千萬(wàn)年前甚至上億年前的火星氣候。古時(shí)火星的公轉(zhuǎn)軌道和轉(zhuǎn)軸傾角跟現(xiàn)在不太一樣，火星的表面在近古經(jīng)歷過(guò)冰川時(shí)期，遠(yuǎn)古甚至還有河流湖泊。
“驚喜滿滿”的研究成果
LMD最近開(kāi)發(fā)了名為Dynamico的新軟件，應(yīng)用于“火星的變遷”以及其他課題。Dynamico開(kāi)發(fā)的初衷是研究地球氣候。它能求解流體動(dòng)力學(xué)方程，計(jì)算出地球大氣環(huán)流的狀態(tài)，推測(cè)低氣壓、反氣旋、風(fēng)的演變。我們用Dynamico研究金星和火星，發(fā)現(xiàn)模擬前者大氣層的效果并不好，因?yàn)檐浖跏嫉脑O(shè)定忽略了一些在地球上不重要、但在別的星球上卻很影響很大的參數(shù)。所以，模型中的方程有時(shí)候要調(diào)整，添加參數(shù)，幾年前對(duì)火星建模時(shí)也是如此。新增的參數(shù)不僅讓模型更準(zhǔn)確地反映了火星大氣的狀態(tài)，還使其更有效地模擬地球氣候，特別是印度的季風(fēng)。雖然是個(gè)小細(xì)節(jié)，但功勞卻不小。地球的氣候在不斷變化，我們有必要借助此類模型預(yù)測(cè)印度是否會(huì)遭遇嚴(yán)重的干旱或暴雨。因此研究火星的氣候，能助力地球氣候分析。
我們的科研經(jīng)費(fèi)來(lái)自各國(guó)的航空局和航空航天企業(yè)。模型生成的結(jié)果基本上都很可靠，現(xiàn)已被全球各地?cái)?shù)百個(gè)科研團(tuán)隊(duì)加以應(yīng)用，而且對(duì)未來(lái)的太空探索項(xiàng)目也有重大指導(dǎo)意義，尤其是對(duì)于需要在固態(tài)地外星球著陸，或需要利用外星大氣層減速的探測(cè)器，甚至還被用于說(shuō)服懷疑地球氣候變暖的人。模型的準(zhǔn)確性高得讓人驚訝，和實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)完美吻合，能跟探測(cè)器發(fā)回的外星氣象數(shù)據(jù)“對(duì)上號(hào)”。
有時(shí)，模型無(wú)法做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，但這種情形也十分值得研究。其中一種原因是所模擬的環(huán)境過(guò)于復(fù)雜，或者存在“非線性”參數(shù)——稍微一變動(dòng)，就會(huì)引發(fā)巨大變化的參數(shù)。這種情況下，需要對(duì)模型進(jìn)行微調(diào)，充分考慮環(huán)境對(duì)非線性參數(shù)的敏感度。更常見(jiàn)的原因是環(huán)境中存在我們沒(méi)想到的物理現(xiàn)象。這些現(xiàn)象不是簡(jiǎn)單地讓環(huán)境直接升溫或者降溫，而可能是引發(fā)一個(gè)反饋環(huán)，讓氣候系統(tǒng)切換成另一種運(yùn)行狀態(tài)。地外行星的氣候-物理學(xué)系統(tǒng)有無(wú)數(shù)個(gè)自由度，在時(shí)間和空間維度的尺度都很復(fù)雜，我們有必要仔細(xì)研究，探尋其背后的機(jī)理。這既是令人苦惱的難題，也是21世紀(jì)物理學(xué)愿意欣然迎接的挑戰(zhàn)。
參考資料：
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