具有竞争资源生物圈的行星气候系统的稳定性

随着已发现系外行星数量的不断增长，盖亚（Gaia）概念迎来了它的第二春。盖亚概念定义，宜居行星的生物圈通过反馈回路调节行星气候，使行星保持宜居。破解“盖亚”谜题一直是密集实证研究的焦点。而这一概念的数学实现却甚少受到关注。在本文中，我们将一个概念性气候模型与一个具有随机参数的通用种群动力学模型相耦合，考量具有动态生物圈的行星气候系统的稳定性。我们首先表明，相应耦合系统的动力学具有多个时间尺度，因此属于慢-快动力学（slow-fast dynamics）一类。接着我们研究了我们的模型所属的一般动力系统的性质，并证明只要生物多样性足够高，来自生物圈动力学的反馈就不会破坏系统的稳定性。这或许可以解释为何气候在长时间区间内明显稳定。有趣的是，若生物多样性下降，我们耦合的气候-生物圈系统可能失去稳定性；在此情形下，随机因素作用下生物圈的演化可导致全球气候变化。