哥伦比亚大学天体生物学主任Caleb Scharf的一项新研究表明，由重力潮汐和恒星加热引起的行星大气共振可能会阻止行星的自转随时间稳步减慢。发现表明：对于一个大气被生命氧化的行星来说，这种效应会增强，由此产生的“大气潮汐”甚至可以作为生物特征。潮汐会扭曲行星的质量，从而影响其自转。我们最熟悉的是引力潮汐，在地球上我们通过月球和太阳的引力来感受它。当地球自转时，这些引力潮汐会产生膨胀，而月球和太阳会拖曳这些膨胀，从而减慢自转速度。
博科园–科学科普：相比之下，大气潮汐，有时称为热潮汐或太阳潮汐，发生在阳光加热表面和地球白天一侧的空气。这种加热将大气质量从地球上最热的地方转移到较冷的地方。就像引力潮汐一样，大气潮汐也会引起凸起，而这些凸起很容易受到引力的影响。这些凸起微妙地改变了地球大气的形状，把它从一个球体拉伸成略不对称、更椭圆的形状。Scharf建议设想在地球上有一个“手柄”，拉着大气手柄的力量可以帮助加速或减慢地球的自转。
共振频率
通常这些热潮汐力产生的影响相对较小，但在某些情况下，如在共振中，影响可以增加。这些是自然振动频率，用来描述桥梁在风中的波动运动，或在秋千上被推得越来越高。当行星的自转速率与大气振荡的自然频率相匹配时，大气再分布就会被放大。沙夫用另一个比喻来解释共振：“这就像拉小提琴”。大气就像一根小提琴弦缠绕着地球，如果你以适当的速度在琴弦上拉弓，就会得到正确的音调和最响亮的声音。
在30亿到40亿年前，地球是在一天21小时的自转中共振地被困住的吗？图片：NASA
科学家认为当地球的日长约21小时时，就会产生共振。这一天的长度会在大气运动中产生一个峰值，这意味着它会感受到来自太阳和月亮的最强的潮汐引力，产生一个特别大的“手柄”和最大的扭矩。在这种共振状态下，恒星对行星大气的影响最大，对行星自转的影响也最大。当施加在大气手柄上的反作用力和行星通常的引力潮汐达到平衡时，就会出现一种被称为“共振俘获”的现象，锁定了行星的自转速度。
跳出陷阱
研究表明地球可能在“数亿年”的时间里，以21小时的白天长度被共振地困住，也许是在5亿年前的前寒武纪时期。共振俘获的影响本身很难衡量，但总的来说，Scharf注意到旋转较快的行星有较热的均衡器和较冷的两极。共振捕获可能会影响地球的气候，但更重要的是共振捕获在气候进化中的作用。温度波动可能会(就地球而言，必然会)打破共振，比如在深度冻结之后迅速变暖，这将在数百万年里重新启动白天长度的增加，因为行星的自转恢复减慢。例如可能在30到40亿年前，地球有12小时的一天，随着时间的推移，它延长到24小时。在遥远的将来，地球日可能会超过24小时。
一个常见的现象
由于大多数行星都经历过可能会影响其自转的引力潮汐，Scharf相信其他岩石行星最终会经历共振俘获，导致一天的长度被保持不变很长一段时间。华盛顿大学NASA虚拟行星实验室的教授罗里·巴恩斯(Rory Barnes)也认为，这一过程可能很普遍。虽然沙夫复制了过去地球的结果，但他对这种复杂现象的模型是简单而优雅的，然而考虑到气候、大气条件、大小等因素的复杂影响，很难说这对任何特定的行星会有什么影响。但沙夫的一阶尝试解开这些因素，为进一步完善提供了思路。
大气热潮汐如何在大气中产生膨胀，这里描述的例子是火星。图片：NASA/JPL–Caltech/Ashima Research/SwRI
Scharf工作的一个特别有趣的暗示是，生物活动也可能影响行星的自转。臭氧等分子使大气变暖，使热潮变强，使共振时间缩短。如果一个行星上的生命产生氧气，这个行星将积累臭氧，促进共振捕获在一个行星的历史上更快。这些可能性“都取决于事件的顺序。如果地球处于共振之中，臭氧的增加会破坏它，如果地球已经经历了共振，它可以再次进入那个状态。
对生命有积极的反馈？
一个价值百万美元的问题是，氧化或臭氧产生的旋转变化是否有益于生命。这是一个积极的反馈过程，帮助生命以这种方式影响它的行星环境，帮助传播生命吗？Scharf说现在还不能确定，但是如果生物活动能帮助锁定共振状态，生命的存在可能会产生一个反馈循环。如果科学家能在过去的40亿年里获得更多地球自转的进化数据，他们就可以将其与我们的大气氧化数据进行比对并寻找相关的相关性，这可能会表明，在共振捕获的共振效应中，这是相当惊人的，但很有可能。巴恩斯对此表示赞同，称这是一个“值得进一步研究的具有挑衅性的想法”。
根据热球、电离层、中间层、能量学和动力学(定时)卫星的观测，绘制了一幅2005年9月大气中潮汐温度的动画。图片：NASA/Jensob/Wikimedia Commons
未来研究的另一个想法是，行星的自转速度能否为行星的潜在宜居性提供间接支持。探测行星的旋转速度是非常困难的，但是考虑到外行星科学的进步，也许有一种方法可以做到这一点。即使科学家能够找到测量岩石行星旋转速度的方法，Scharf也怀疑他们是否能找到与生物存在因果关系的“确凿证据”。然而旋转速率计算可能是天体生物学家用来寻找支持生命存在的行星的众多工具之一。巴恩斯很想看到“一项将生物学在行星旋转速率和潜在宜居性之间的作用分离开来的实验”，但与此同时，他将在他的地外清单中加入旋转速率观测。
博科园-科学科普｜文：Joelle Renstrom/astrobio/天体生物学期刊
