系外行星水世界的宜居性

许多宜居带系外行星预计形成时的水质量分数高于地球。对于拥有地球 10–1000 倍 H2O 但不含 H2 的岩石系外行星，我们模拟了海洋温度与化学的多吉年演化，考虑了碳分配、高压冰相以及大气–岩石圈交换。在我们的模型中，对于类太阳恒星，我们发现：(1) 宜居地表水的持续时间受海洋化学的强烈影响；(2) 可能的海洋 pH 跨度很大；(3) 令人惊讶的是，许多水世界保留宜居地表水超过 1 Gyr，且（与先前主张相反）这种长久性不一定涉及地球化学循环。这种独立于循环的行星宜居性的关键在于，在水世界上，对流地幔与海洋水之间的碳交换因海底压力而受限，因此行星在其历史前 1% 时期内获得的海洋质量和海洋阳离子便被固定下来。在我们的模型中，早期水–岩相互作用从行星地壳中浸出的正电荷总和——巧合地——通常在其早期获得的大气+海洋无机碳储量的一个数量级范围内重叠。结果，pCO2 经常处于“最佳区间”（0.2–20 bar），此时允许地表液态水的半长轴范围几乎达到最大。由于半长轴方向上宜居带（HZ）的宽度（对类太阳恒星而言）定义了地表宜居性的最大可能时间跨度，这一效应使得在恒星变亮过程中可实现吉年尺度的宜居性。我们使用一组 N 体模拟集合的输出作为水世界演化代码的输入来阐明我们的发现。因此（在端到端计算中首次）我们表明，初始条件的偶然变化，无需地球化学循环，即可在水世界上产生多吉年的地表宜居性。