北京大学物理学院大气与海洋科学系胡永云教授团队与加州理工学院Yuk L. Yung教授团队合作，提出了太阳系外类地行星大气臭氧层可能存在自振荡现象，即在恒星辐射和地表氮氧化物排放保持恒定的条件下，臭氧层和相关的痕量气体浓度存在准周期性变化。相关研究成果以《系外行星大气化学、辐射和动力学耦合产生自振荡》（“Coupled atmospheric chemistry, radiation and dynamics of an exoplanet generate self-sustained oscillations”）为题，于2023年12月13日发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）上。

通常，在外强迫恒定的条件下，一个动力系统最终将达到平衡状态。但胡永云等发现，围绕红矮星运行的类地行星的臭氧层以及相关痕量气体存在自振荡现象。他们以TRAPPIST-1e为研究目标，该系外行星是恒星TRAPPST-1拥有的7颗固态行星中的一个，被认为是最有可能宜居的系外行星之一。TRAPPST-1是一颗红矮星，其辐射温度大约是2500K，远低于太阳的辐射温度温度5800K。所以，其辐射光谱峰值波长相较于太阳的更靠近红光波段，紫外辐射弱得多。

使用光化学、辐射和大气动力全耦合的三维大气环流模式，胡永云等开展了系列模拟试验，发现在恒星辐射和行星表面氮氧化物排放速率保持不变的条件下，大气中臭氧浓度存在近百年的准周期振荡，其最低臭氧浓度可降至最高浓度的百分之三（图1），与臭氧化学反应相关的氮氧化物（NO_x）、氢氧根（OH）和硝酸（HNO₃）也呈现周期性振荡。

图1. 臭氧柱含量（橘黄色线）与氮氧化物总含量（蓝色线）协同的周期性振荡

图2给出的是辐射-光化学-热力-动力相互耦合并形成臭氧振荡的示意图。在红矮星紫外辐射的作用下，氧气光解在大气平流层形成臭氧层。与此同时，行星表面排放的NO_x不断在大气中累积。臭氧吸收紫外辐射形成逆温层，并在臭氧层底部形成稳定的热力层结（灰色区域）。行星表面排放的NO_x进入该区域，不断地消耗臭氧，导致该稳定层结区向上移动，更多地消耗臭氧（Stage I），直至该稳定层结被破坏，绝大部分臭氧被消耗（Stage II）。当只有很少臭氧时，紫外辐射可以到达对流层，导致水汽光解形成OH，后者与NO₂反应，形成HNO₃并沉降出去，导致NO_x减少。当大气NO_x减少时，臭氧开始恢复（Stage III）。

在自振荡过程中，臭氧损耗过程较慢。但当稳定层结被破坏后，臭氧有一个突然降低的过程。相对来说，臭氧恢复过程较快。与此对应的是，NO_x累积较慢，下降很快。因此，图1中的振荡过程是不对称的。

图2. 辐射-光化学-动力相互耦合示意图。横坐标是时间，代表约100地球年的单个振荡周期

该项研究有两方面的意义。一方面，氧气和臭氧都是表征生命信号的气体，这些气体成分都可以未来的太空望远镜上的光谱仪观测到，上述的臭氧浓度振荡同样也可以被太空望远镜观测到。产生臭氧自振荡的一个必要条件是地表恒定的氮氧化物排放。在地球上，氮氧化物排放是源自地表生物的固氮作用。因此，氮氧化物以及臭氧层有规律的大幅振荡也意味着地表生命的存在，是可探测的生命信号。另一方面，在外强迫恒定条件下的辐射-光化学-热力-动力耦合系统的自振荡现象具有重要的理论意义。

该研究持续了7年半的时间。论文第一作者罗杨程是北京大学物理学院2018届本科毕业生，在毕业前已完成了研究的大部分工作，在加州理工学院读博士期间继续研究，并最终完成了论文撰写。

该项研究是在自然科学基金委基础科学中心项目“大陆演化与季风系统演变”等项目资助下完成的。