通过行星大气中的化学热力学非平衡探测生物圈

大气化学非平衡已被提议作为一种通过系外行星观测来探测地外生物圈的方法。化学非平衡可能是一种广义的生物特征，因为它不对特定的生物成因气体或代谢过程做出假设。在此，我们首次对太阳系大气中的热力学化学非平衡进行了严格计算，量化了可用的吉布斯能量：即观测到的大气的吉布斯自由能减去大气气体反应至平衡态后的吉布斯自由能。地球大气中纯气相的非平衡主要归因于 O2 和 CH4。其可用的吉布斯能量与其他太阳系大气相比并不异常，且小于火星。然而，地球的流体包层包含海洋，允许气体与水反应，因此需要进行包含水合物种的多相计算。地球大气 - 海洋系统（以每摩尔大气的焦耳数计）中的非平衡程度是太阳系其他大气的 20 至 2E6 倍。只有在地球上，化学非平衡能量才与每摩尔大气的热能相当。地球的非平衡是生物成因的，主要由 N2、O2 和液态水的共存而非更稳定的硝酸盐引起。相比之下，O2-CH4 非平衡较为次要。我们确定了导致其他大气中非平衡的非生物过程。我们的指标所需假设极少，并有可能利用系外行星大气的观测数据进行计算。然而，要确定热力学非平衡是否是一种实用的系外行星生物特征，仍需进一步工作，包括对假阳性、噪声观测和其他探测挑战的评估。用于这些计算的 Matlab 代码和数据库已开源提供。