TPO22 第二篇講座
主題：Faint Young Sun Paradox? 暗淡太陽悖論
考點(diǎn)：問答 / 比較 / 定義 / 并列 / 強(qiáng)調(diào) / 結(jié)尾 / 態(tài)度
詞匯識記重點(diǎn)：
fossilize / paradox / tie in / hydrogen / helium
oxygen / stellar / compensate / suspect
carbon dioxide / atmospheric /? rule out
mass / estimate / appealing / faint / massive
拓展閱讀：“How was Earth's life kindled under a cold sun?” 《初生太陽光芒羸弱分尸，地球生命何以在此》｜Stuart Clark
“... ...”
我們因何在此？盡管此問歷經(jīng)千古歹嘹，但一直懸而未決箩绍，哲學(xué)家和神學(xué)家鐘愛與此，每每提及就陷入深思尺上，或者歇斯底里材蛛。科學(xué)家卻往往發(fā)現(xiàn)自己在一開始就站在了對立面上：我們可能根本就不應(yīng)該站在這里問東問西怎抛。
地球上生命的存在似乎是很多轉(zhuǎn)折事件幸運(yùn)連連的結(jié)果卑吭。就拿太陽早期歷史來說，按照我們今天對于恒星演化的全部所知马绝，我們的太陽在出生時(shí)應(yīng)該略微暗淡豆赏，逐漸才達(dá)到今日的輝煌。這樣看來，45億年前與太陽一同誕生的地球河绽，在最初大約20億年的時(shí)間里己单，應(yīng)該凍成一個(gè)冰球才對，絕對是個(gè)不毛之地
但是耙饰，我們在地球頭20億年內(nèi)形成的巖石中纹笼，發(fā)現(xiàn)了明顯是在富水環(huán)境中形成的沉積物，而且還有豐富的細(xì)菌化石苟跪，表明當(dāng)時(shí)的地球已經(jīng)是一個(gè)適宜生命形成的溫和星球廷痘，此時(shí)距離地球和太陽形成或許還不到10億年。這個(gè)問題被稱為黯淡太陽悖論（faint young sun paradox）件已，有很多方案試圖解決它笋额，但都缺乏事實(shí)支持。不過隨著猜測的積累和揚(yáng)棄篷扩，一個(gè)結(jié)論似乎越來越不容忽視：我們得以在此饒舌兄猩，需要的運(yùn)氣超乎此前的想象。
黯淡太陽悖論起源于20世紀(jì)60年代鉴未，當(dāng)時(shí)天體物理學(xué)家第一次用粗糙的計(jì)算機(jī)模擬枢冤，研究化學(xué)構(gòu)成的變化如何影響太陽這樣的恒星的亮度和熱量輸出。結(jié)果非常清楚：早期恒星核心中氫的含量越豐富铜秆，內(nèi)部的壓力就越大淹真，恒星核心在壓力下膨脹，進(jìn)而使溫度降低连茧。結(jié)果就是核蘸，早期太陽的熱量輸出要比今天低25%到30%。換算成地球的平均表面溫度啸驯，就會比現(xiàn)在低20℃左右客扎，大概比水的冰點(diǎn)還要低10度。
但是地球上液態(tài)水的歷史坯汤，幾乎可以一直追溯到地球形成之初虐唠。澳大利亞西部杰克山的巖石中沉積的礦物鋯石，形成年代被確定為44億年前惰聂。其中包含的氧同位素表明，它們是在富水的環(huán)境中形成的咱筛。在同一地區(qū)還發(fā)現(xiàn)了化石疊層石搓幌，這些層狀結(jié)構(gòu)是在淺水中由微生物群落形成的，年代卻直指35億年前迅箩。
“這明確告訴我們溉愁，有關(guān)行星宜居性的簡單模型是錯(cuò)誤的，”美國普度大學(xué)的行星科學(xué)家戴維·明頓（David Minton）說饲趋，“因?yàn)樵诒驹撌且黄鈴U土的地球上存在著生命拐揭〕敷。”2012年，幾十位天體物理學(xué)家和地球?qū)W家齊聚在美國馬里蘭州的巴爾的摩堂污，探討如何擺脫舊模型的束縛家肯，明頓也是與會者之一∶瞬“結(jié)果就是讨衣，有多少人參加，差不多就有多少種潛在的解決方案式镐》凑颍”
現(xiàn)在最流行的仍是早先提出的一個(gè)觀點(diǎn)：雖然一開始陽光比較微弱，但某種溫室氣體讓早期地球的大氣能夠囚禁更多熱量娘汞。這個(gè)設(shè)想最初是由天文學(xué)家卡爾·薩根（Carl Sagan）和喬治·馬倫（Geoge Mullen）在1972年的《科學(xué)》雜志上提出的歹茶。但一如他們發(fā)現(xiàn)的那樣，要找到正確的溫室氣體你弦，頗費(fèi)一番思量辆亏。
溫室效應(yīng)如今被視為是導(dǎo)致地球氣候變化的主因，但在太陽系形成之初鳖目，溫室效應(yīng)或許幫助地球從寒冷的陽光中獲取了更多熱量扮叨。
調(diào)對雞尾酒
二氧化碳似乎不太可能獨(dú)自擔(dān)此重任。CO2進(jìn)入土壤有兩條途徑：雨水或直接擴(kuò)散领迈。由此造成的化學(xué)侵蝕彻磁，其影響可以通過構(gòu)成巖石的所謂古土壤（paleosol）反映出來。對這些古土壤的研究確實(shí)表明狸捅，在距今38億至25億年前的太古代衷蜓，地球上的CO2水平比現(xiàn)在要高。但是尘喝，為了讓溫度達(dá)到零上5℃以確保海洋處于液態(tài)磁浇，所需的CO2是今天的300倍——而對太古代CO2水平最夸張的估計(jì)，也只及這個(gè)數(shù)值的十分之一朽褪。
美國賓夕法尼亞州立大學(xué)的古氣候?qū)W家詹姆斯·卡斯椭孟拧（James Kasting）仍然認(rèn)為，以CO2為基礎(chǔ)的溫室效應(yīng)是解決黯淡太陽悖論的出路缔赠，并且指出了CO2調(diào)節(jié)地球溫度的其他證據(jù)（參見“碳的調(diào)控作用”）衍锚。他說：“我注意到了那些估算，盡管我對其中一些并不完全同意嗤堰〈髦剩”我們不能把CO2一棍子打死，還是需要找到能和它配合起來促成升溫的其它氣體，調(diào)出一杯正確的雞尾酒來告匠。
早在1972年戈抄，薩根和馬倫就給出了一個(gè)配方——氨和甲烷。但氨對紫外線非常敏感后专，在缺乏臭氧層保護(hù)的早期地球划鸽，即便是年輕的太陽發(fā)出的黯淡陽光也很容易將氨分解。甲烷是強(qiáng)效的溫室效應(yīng)氣體行贪，但如果濃度超過一定數(shù)量漾稀，就會形成有機(jī)濃霧來吸收陽光，然后將其輻射回外層空間建瘫。太多的甲烷會讓行星表面降溫而非升溫崭捍，天文學(xué)家已經(jīng)在土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六（Titan）上觀測到了這種效應(yīng)。
土衛(wèi)六給我們提供了另一些方式啰脚，可以讓早期地球的大氣變得更加溫暖殷蛇。美國芝加哥大學(xué)的羅賓·沃茲沃思（Robin Wordsworth）和雷蒙德·皮埃安貝爾（Raymond Pierrehumbert）最近研究了土衛(wèi)六上高濃度的氮和氫有沒有升溫效應(yīng)。盡管答案是肯定的橄浓，但目前還沒有證據(jù)表明粒梦，地球大氣曾經(jīng)濃厚到能夠保留這么高濃度的氮和氫的地步 “事實(shí)證明，所有氣體都會帶來比你預(yù)想更多的麻煩荸实，”這是德國波茨坦氣候影響研究所的格奧爾·福伊爾納（Georg Feulner）的感覺匀们。他認(rèn)為這個(gè)悖論還沒有得到解決的原因之一在于，通常用來研究古代氣候的計(jì)算機(jī)模型過于粗糙了准给，無法提供有意義的結(jié)果泄朴。
土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六擁有大量甲烷，形成了有機(jī)濃霧露氮，將大部分陽光輻射擋在了大氣層外祖灰，反而導(dǎo)致表面降溫。
滄海桑田
這些模型之所以粗糙畔规，是因?yàn)樗鼈兺ǔ６己雎粤艘恍┮蛩鼐址觯热缯f地球的自轉(zhuǎn)。由于受月球引力的影響叁扫，地球自傳的速度一直在放緩三妈。這會改變熱量從赤道向兩極傳遞的模式，從而改變冰層覆蓋的范圍陌兑，進(jìn)而影響被冰層直接反照回太空而非被地球吸收的能量的數(shù)量沈跨。
反照率本身也是一個(gè)大問題⊥米郏卡斯汀說：“我們對早期地球的反照率一無所知。”與陸地相比软驰，海洋會吸收更多的熱量涧窒，因此反照率會受到諸如大陸分布等因素的影響。由于地球永無止歇的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)锭亏，久遠(yuǎn)過去的陸地分布與今天已經(jīng)截然不同纠吴。丹麥哥本哈根大學(xué)的米尼克·羅辛（Minik Rosing）及其同事甚至提出過一個(gè)有爭議的觀點(diǎn)，認(rèn)為陸地面積的大幅度減少慧瘤，加上云層中化學(xué)成分的差異戴已，可能將反照率降低到足以解釋黯淡太陽悖論的水平，而無需再引入更多的溫室效應(yīng)氣體（參見《自然》雜志锅减，第464卷糖儡，744頁）。
所有這些因素怔匣，包括大氣組成握联、地球自轉(zhuǎn)、反照率及云層的影響每瞒，都有可能是解決悖論的關(guān)鍵金闽，但也可能是障目的樹葉，我們不知道孰是孰非剿骨。福伊爾納本人最近嘗試了一個(gè)更為復(fù)雜的氣候模型代芜，結(jié)果表明此前的研究都低估了更快的自轉(zhuǎn)和冰層覆蓋帶來的降溫效應(yīng)，這讓黯淡太陽悖論更顯疑問重重（參見《地球物理研究通訊》浓利，第39卷挤庇，L23710頁）。
等這個(gè)復(fù)雜模型再發(fā)展幾年荞膘，福伊爾納希望能夠?qū)⑺行〗M關(guān)于早期地球氣候的模擬放在一起加以比較罚随。通過這種方式，他們就能看清哪些效應(yīng)是建立單個(gè)模型時(shí)所做的理論假設(shè)帶來的結(jié)果羽资。如果有某種加熱效應(yīng)在所有模型中都有體現(xiàn)淘菩，而且不論模型采取了什么樣的假設(shè)，那它就有更大的可能會是解決問題的關(guān)鍵屠升。
與此同時(shí)潮改，一些地質(zhì)學(xué)家繼續(xù)用懷疑的眼光審視太陽。有沒有可能是天體物理學(xué)家沒有弄清楚太陽演化的細(xì)節(jié)腹暖？卡斯汀說：“大約每隔10年汇在，就會有人提出，太陽過去肯定要比現(xiàn)在認(rèn)為的更大脏答「庋常”多出來的質(zhì)量必須足夠可觀亩鬼，大約占到太陽現(xiàn)質(zhì)量的2.5%（相當(dāng)于8250個(gè)地球），才能讓太陽變得足夠明亮阿蝶。盡管太陽持續(xù)不斷向太空發(fā)射粒子雳锋，形成所謂的太陽風(fēng)，但按照目前的速度羡洁，需要1.5億年太陽才會損失相當(dāng)于一個(gè)地球的質(zhì)量玷过。這意味著太陽風(fēng)在過去必須更強(qiáng)勁，而且要強(qiáng)勁得多筑煮，才能損失掉多出來的這些質(zhì)量辛蚊。明頓說，“這是一場持久的質(zhì)量損失真仲，要比我們通過觀測其他恒星而推斷出來的質(zhì)量損失規(guī)模超出至少10倍袋马！”
天文學(xué)領(lǐng)域提出的解決方案還有很多。明頓本人提出的解釋就涉及到行星之間臺球般的“碰撞”袒餐，他的靈感來自于法國巴黎天文臺雅克·拉斯卡爾（Jacques Laskar）對此所作的研究飞蛹。2009年，拉斯卡爾因?yàn)橐幌盗杏?jì)算機(jī)模擬而登上了媒體頭條灸眼，他的模擬結(jié)果表明卧檐，太陽系內(nèi)側(cè)行星的軌道在幾十億年的時(shí)間尺度上不一定非得是穩(wěn)定的。在某個(gè)特別令人擔(dān)憂的演化圖景中焰宣，太陽系外側(cè)巨行星木星的引力可能會動(dòng)搖水星的軌道霉囚，將它甩向外側(cè)，有可能在接下來的大約35億年內(nèi)匕积，導(dǎo)致水星和金星盈罐、地球及火星之間發(fā)生碰撞（參見《自然》，第459卷闪唆，817頁）盅粪。
行星之間的碰撞，可能導(dǎo)致地球軌道發(fā)生遷移悄蕾，或許可以解釋黯淡太陽悖論票顾。
軌道遷移明頓認(rèn)為，未來有可能發(fā)生的事情帆调，在過去亦有可能發(fā)生奠骄。地球會不會是在更靠近太陽的軌道上形成的，后來才向外遷移到現(xiàn)在這條的軌道上來的呢番刊？這種方式需要什么樣的條件才能完美解決黑暗太陽悖論含鳞，明頓對此進(jìn)行了調(diào)查。在一項(xiàng)尚未發(fā)表的研究中芹务，他發(fā)現(xiàn)要求其實(shí)并不高蝉绷。用他的話來說鸭廷，“你只需要把地球軌道改變個(gè)百分之幾就行了∏北兀”不過即使如此靴姿，這種軌道遷移也更有可能是以災(zāi)變的方式突然發(fā)生的沃但，而不是慢慢進(jìn)行的磁滚。明頓設(shè)想的那場災(zāi)變，是兩顆行星在大約25億年前發(fā)生的一場碰撞宵晚，如今的金星就是那場碰撞的產(chǎn)物垂攘。由此帶來的引力環(huán)境的微小變化，足以將地球外推到目前的位置淤刃，從而確保了地球上的生命沒有在太陽成長的火焰中變成燒烤晒他。
就連明頓自己也承認(rèn)，這個(gè)想法有些離奇逸贾，而且?guī)缀鯚o法驗(yàn)證陨仅。行星的年齡通常可以從行星表面環(huán)形山的密度來推測铝侵，但金星將自己的面龐深藏于面紗之下灼伤。對金星表面環(huán)形山的一項(xiàng)簡單統(tǒng)計(jì)表明，它的年齡只有5億到10億年——對于任何行星演化圖景而言咪鲜，這都過于年輕了狐赡。肯定有什么東西磨平了金星表面更古老的皺紋疟丙。除非我們找到這只幕后之手颖侄，否則我們永遠(yuǎn)都猜不出金星的真實(shí)年齡。
卡斯汀也對明頓的想法表示懷疑享郊，根據(jù)則是奧卡姆剃刀览祖。他說，“你得盡可能讓自己的解答簡單才行炊琉≌沟伲”但不幸的是，簡單的解決方案正是我們目前缺乏的温自。實(shí)際上玄货，所有的證據(jù)都顯示，沒有任何一個(gè)單一因素能解決黯淡太陽悖論悼泌。這就提出了一個(gè)更寬泛的問題：如果地球的宜居性真是一連串事件精巧組合的結(jié)果松捉，那么還有多少其他行星能夠完成這條試煉之路？
對于這個(gè)問題馆里，福伊爾納表示不屑一顧隘世。他認(rèn)為可柿，我們得先掃好自家門前雪，然后才能去管別人家的瓦上霜丙者「闯猓“我們對古氣候的認(rèn)識仍然非常粗淺，因此我更樂于先弄清楚黯淡太陽悖論該如何破解械媒，然后才會好奇它有什么樣的意義目锭。”
明頓則有不同看法纷捞。只要悖論本身有很多個(gè)可行的解決方案痢虹，哪怕只有一個(gè)對地球而言才是真的，但其他方案都可以在銀河系的其他行星上發(fā)揮作用主儡。有很多不同途徑能實(shí)現(xiàn)行星的宜居奖唯，這一事實(shí)本身甚至比找到某個(gè)單一的答案更有意義∶又担“或許有太多復(fù)雜的因素都在發(fā)揮作用丰捷，我們才剛開了個(gè)頭而已，”明頓說寂汇，“生物圈或許比我們認(rèn)為的更加堅(jiān)強(qiáng)病往，現(xiàn)在我們以為極其惡劣的行星環(huán)境，對它們而言可能已經(jīng)是甜夢之鄉(xiāng)了健无∪倏郑”
對于那些生怕孤獨(dú)、唯恐無伴的人來說累贤，這可能是個(gè)安慰叠穆，盡管它還是沒能回答那個(gè)問題：我們因何在此？
