文|創瞰巴黎 Isabelle Dumé

編輯|Meister Xia

導讀：

我們一直想要找到適合人類居住的“第二個”地球，但是卻一無所獲，因為我們難以獲取地外行星的氣候數據。氣候將不可避免地影響地外行星是否可以存在生命以及以何種方式存在。既然數據無法獲得，那么我們就需要另辟蹊徑?，F在科學家們正在研究地球氣候如何運作的模型，并將其應用于其他行星。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：

• 在法國拉普拉斯氣候研究學院的動態氣象學實驗室（LMD），學者們使用衛星觀測數據和數學模型模擬地球大氣層，研究地球氣候的變化。
• 研究的目的是預測地球以及太陽系其他行星未來的氣候。
• 學者們開發了一款名為Dynamico的軟件，可求解流體動力學方程，計算出地球大氣環流的狀態，推測低氣壓、反氣旋、風的演變，還可用于研究火星和金星。
• 學者們還在試圖對千萬年前乃至數十億年前的火星氣候進行建模，以探究火星所經歷過的冰川時期，以及曾經在其表面存在的河流湖泊。

隨著一個個宇宙探測器飛往太陽系各個星球乃至更遠的太空，人類對浩瀚星海的探索愈發雄心勃勃。在法國拉普拉斯氣候研究學院的動態氣象學實驗室（LMD）中，我們的研究團隊正在分析探測器傳回的觀測數據，使用全宇宙皆適用的物理定律對行星大氣層建模，為人類的太空探索事業做出我們的貢獻。

在LMD，大部分學者的研究重點是地球的氣候，使用衛星觀測數據和數學模型，對地球大氣層建模，通過模擬地球氣候變化的趨勢預判幾十年后的氣候狀態。但我們對這些技術進行了巧妙改造，用來分析太陽系其他行星、衛星（如土衛六、海衛一）、以及冥王星的大氣層。

對行星氣候進行數字建模

無論是氣態還是固態地外行星，對其大氣層的數字建模看起來都有點像電子游戲的場景。不過，我們采用的是嚴謹的物理定律，將一個行星所有氣象現象都納入模型中——云層活動、風力、大氣環流、沙塵暴、降雪降霜等。然后試圖用已得到證實的公式對其進行數學表達。這項工作絕非易事，雖然有時候會失敗，但我們開發的模型通常準確度出奇的高。研究地外行星，對于地球氣候分析也有借鑒意義。就像醫學領域以動物模型為實驗對象，能加深對人體的理解。

我們當前主要研究的是火星，參與了多個太空探測項目，包括美國航天局的火星氣候探測器和洞察號（其地震儀由法國科學家提供）。洞察號既有地質物理考察任務，也有氣象觀測任務。對于火星上采集到的數據，我們會試圖利用數學模型予以解讀，就像分析別的地外行星一樣。在歐盟的支持下，我們的團隊還在開展另一個大型項目，名叫“火星的變遷”（Mars Through Time），使用地外行星氣候建模技術重現千萬年前甚至上億年前的火星氣候。古時火星的公轉軌道和轉軸傾角跟現在不太一樣，火星的表面在近古經歷過冰川時期，遠古甚至還有河流湖泊。

“驚喜滿滿”的研究成果

LMD最近開發了名為Dynamico的新軟件，應用于“火星的變遷”以及其他課題。Dynamico開發的初衷是研究地球氣候。它能求解流體動力學方程，計算出地球大氣環流的狀態，推測低氣壓、反氣旋、風的演變。我們用Dynamico研究金星和火星，發現模擬前者大氣層的效果并不好，因為軟件初始的設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。所以，模型中的方程有時候要調整，添加參數，幾年前對火星建模時也是如此。新增的參數不僅讓模型更準確地反映了火星大氣的狀態，還使其更有效地模擬地球氣候，特別是印度的季風。雖然是個小細節，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測印度是否會遭遇嚴重的干旱或暴雨。因此研究火星的氣候，能助力地球氣候分析。

我們的科研經費來自各國的航空局和航空航天企業。模型生成的結果基本上都很可靠，現已被全球各地數百個科研團隊加以應用，而且對未來的太空探索項目也有重大指導意義，尤其是對于需要在固態地外星球著陸，或需要利用外星大氣層減速的探測器，甚至還被用于說服懷疑地球氣候變暖的人。模型的準確性高得讓人驚訝，和實際觀測數據完美吻合，能跟探測器發回的外星氣象數據“對上號”。

有時，模型無法做出準確的預測，但這種情形也十分值得研究。其中一種原因是所模擬的環境過于復雜，或者存在“非線性”參數——稍微一變動，就會引發巨大變化的參數。這種情況下，需要對模型進行微調，充分考慮環境對非線性參數的敏感度。更常見的原因是環境中存在我們沒想到的物理現象。這些現象不是簡單地讓環境直接升溫或者降溫，而可能是引發一個反饋環，讓氣候系統切換成另一種運行狀態。地外行星的氣候-物理學系統有無數個自由度，在時間和空間維度的尺度都很復雜，我們有必要仔細研究，探尋其背后的機理。這既是令人苦惱的難題，也是21世紀物理學愿意欣然迎接的挑戰。

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