[背景知识]TPO22 lecture-Astronomy Faint young sun paradox 黯淡太阳悖论

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对天文学有些兴趣，听过之后便百度了一下 权作娱乐~有空君可以一看



-------------以下文章------黯淡太阳悖论-----------------

标题：初生太阳光芒羸弱，地球生命何以在此

正文：（文/ Stuart Clark）我们因何在此？尽管此问历经千古，但一直悬而未决，哲学家和神学家钟爱与此，每每提及就陷入深思，或者歇斯底里。科学家却往往发现自己在一开始就站在了对立面上：我们可能根本就不应该站在这里问东问西。

地球上生命的存在似乎是很多转折事件幸运连连的结果。就拿太阳早期历史来说，按照我们今天对于恒星演化的全部所知，我们的太阳在出生时应该略微暗淡，逐渐才达到今日的辉煌。这样看来，45亿年前与太阳一同诞生的地球，在最初大约20亿年的时间里，应该冻成一个冰球才对，绝对是个不毛之地

但是，我们在地球头20亿年内形成的岩石中，发现了明显是在富水环境中形成的沉积物，而且还有丰富的细菌化石，表明当时的地球已经是一个适宜生命形成的温和星球，此时距离地球和太阳形成或许还不到10亿年。这个问题被称为黯淡太阳悖论（faint young sun paradox），有很多方案试图解决它，但都缺乏事实支持。不过随着猜测的积累和扬弃，一个结论似乎越来越不容忽视：我们得以在此饶舌，需要的运气超乎此前的想象。

黯淡太阳悖论起源于20世纪60年代，当时天体物理学家第一次用粗糙的计算机模拟，研究化学构成的变化如何影响太阳这样的恒星的亮度和热量输出。结果非常清楚：早期恒星核心中氢的含量越丰富，内部的压力就越大，恒星核心在压力下膨胀，进而使温度降低。结果就是，早期太阳的热量输出要比今天低25%到30%。换算成地球的平均表面温度，就会比现在低20℃左右，大概比水的冰点还要低10度。

但是地球上液态水的历史，几乎可以一直追溯到地球形成之初。澳大利亚西部杰克山的岩石中沉积的矿物锆石，形成年代被确定为44亿年前。其中包含的氧同位素表明，它们是在富水的环境中形成的。在同一地区还发现了化石叠层石，这些层状结构是在浅水中由微生物群落形成的，年代却直指35亿年前。

“这明确告诉我们，有关行星宜居性的简单模型是错误的，”美国普度大学的行星科学家戴维·明顿（David Minton）说，“因为在本该是一片冰封废土的地球上存在着生命。”2012年，几十位天体物理学家和地球学家齐聚在美国马里兰州的巴尔的摩，探讨如何摆脱旧模型的束缚，明顿也是与会者之一。“结果就是，有多少人参加，差不多就有多少种潜在的解决方案。”

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现在最流行的仍是早先提出的一个观点：虽然一开始阳光比较微弱，但某种温室气体让早期地球的大气能够囚禁更多热量。这个设想最初是由天文学家卡尔·萨根（Carl Sagan）和乔治·马伦（Geoge Mullen）在1972年的《科学》杂志上提出的。但一如他们发现的那样，要找到正确的温室气体，颇费一番思量


温室效应如今被视为是导致地球气候变化的主因，但在太阳系形成之初，温室效应或许帮助地球从寒冷的阳光中获取了更多热量。图片来源：edfenergy.com

调对鸡尾酒

二氧化碳似乎不太可能独自担此重任。CO2进入土壤有两条途径：雨水或直接扩散。由此造成的化学侵蚀，其影响可以通过构成岩石的所谓古土壤（paleosol）反映出来。对这些古土壤的研究确实表明，在距今38亿至25亿年前的太古代，地球上的CO2水平比现在要高。但是，为了让温度达到零上5℃以确保海洋处于液态，所需的CO2是今天的300倍——而对太古代CO2水平最夸张的估计，也只及这个数值的十分之一。

美国宾夕法尼亚州立大学的古气候学家詹姆斯·卡斯汀（James Kasting）仍然认为，以CO2为基础的温室效应是解决黯淡太阳悖论的出路，并且指出了CO2调节地球温度的其他证据（参见“碳的调控作用”）。他说：“我注意到了那些估算，尽管我对其中一些并不完全同意。”我们不能把CO2一棍子打死，还是需要找到能和它配合起来促成升温的其它气体，调出一杯正确的鸡尾酒来。

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早在1972年，萨根和马伦就给出了一个配方——氨和甲烷。但氨对紫外线非常敏感，在缺乏臭氧层保护的早期地球，即便是年轻的太阳发出的黯淡阳光也很容易将氨分解。甲烷是强效的温室效应气体，但如果浓度超过一定数量，就会形成有机浓雾来吸收阳光，然后将其辐射回外层空间。太多的甲烷会让行星表面降温而非升温，天文学家已经在土星的卫星土卫六（Titan）上观测到了这种效应。

土卫六给我们提供了另一些方式，可以让早期地球的大气变得更加温暖。美国芝加哥大学的罗宾·沃兹沃思（Robin Wordsworth）和雷蒙德·皮埃安贝尔（Raymond Pierrehumbert）最近研究了土卫六上高浓度的氮和氢有没有升温效应。尽管答案是肯定的，但目前还没有证据表明，地球大气曾经浓厚到能够保留这么高浓度的氮和氢的地步

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“事实证明，所有气体都会带来比你预想更多的麻烦，”这是德国波茨坦气候影响研究所的格奥尔·福伊尔纳（Georg Feulner）的感觉。他认为这个悖论还没有得到解决的原因之一在于，通常用来研究古代气候的计算机模型过于粗糙了，无法提供有意义的结果。

土星的卫星土卫六拥有大量甲烷，形成了有机浓雾，将大部分阳光辐射挡在了大气层外，反而导致表面降温。图片来源：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

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沧海桑田

这些模型之所以粗糙，是因为它们通常都忽略了一些因素，比如说地球的自转。由于受月球引力的影响，地球自传的速度一直在放缓。这会改变热量从赤道向两极传递的模式，从而改变冰层覆盖的范围，进而影响被冰层直接反照回太空而非被地球吸收的能量的数量。

反照率本身也是一个大问题。卡斯汀说：“我们对早期地球的反照率一无所知。”与陆地相比，海洋会吸收更多的热量，因此反照率会受到诸如大陆分布等因素的影响。由于地球永无止歇的构造运动，久远过去的陆地分布与今天已经截然不同。丹麦哥本哈根大学的米尼克·罗辛（Minik Rosing）及其同事甚至提出过一个有争议的观点，认为陆地面积的大幅度减少，加上云层中化学成分的差异，可能将反照率降低到足以解释黯淡太阳悖论的水平，而无需再引入更多的温室效应气体（参见《自然》杂志，第464卷，744页）。

所有这些因素，包括大气组成、地球自转、反照率及云层的影响，都有可能是解决悖论的关键，但也可能是障目的树叶，我们不知道孰是孰非。福伊尔纳本人最近尝试了一个更为复杂的气候模型，结果表明此前的研究都低估了更快的自转和冰层覆盖带来的降温效应，这让黯淡太阳悖论更显疑问重重（参见《地球物理研究通讯》，第39卷，L23710页）。

等这个复杂模型再发展几年，福伊尔纳希望能够将所有小组关于早期地球气候的模拟放在一起加以比较。通过这种方式，他们就能看清哪些效应是建立单个模型时所做的理论假设带来的结果。如果有某种加热效应在所有模型中都有体现，而且不论模型采取了什么样的假设，那它就有更大的可能会是解决问题的关键。

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与此同时，一些地质学家继续用怀疑的眼光审视太阳。有没有可能是天体物理学家没有弄清楚太阳演化的细节？卡斯汀说：“大约每隔10年，就会有人提出，太阳过去肯定要比现在认为的更大。”多出来的质量必须足够可观，大约占到太阳现质量的2.5%（相当于8250个地球），才能让太阳变得足够明亮。尽管太阳持续不断向太空发射粒子，形成所谓的太阳风，但按照目前的速度，需要1.5亿年太阳才会损失相当于一个地球的质量。这意味着太阳风在过去必须更强劲，而且要强劲得多，才能损失掉多出来的这些质量。明顿说，“这是一场持久的质量损失，要比我们通过观测其他恒星而推断出来的质量损失规模超出至少10倍！”

天文学领域提出的解决方案还有很多。明顿本人提出的解释就涉及到行星之间台球般的“碰撞”，他的灵感来自于法国巴黎天文台雅克·拉斯卡尔（Jacques Laskar）对此所作的研究。2009年，拉斯卡尔因为一系列计算机模拟而登上了媒体头条，他的模拟结果表明，太阳系内侧行星的轨道在几十亿年的时间尺度上不一定非得是稳定的。在某个特别令人担忧的演化图景中，太阳系外侧巨行星木星的引力可能会动摇水星的轨道，将它甩向外侧，有可能在接下来的大约35亿年内，导致水星和金星、地球及火星之间发生碰撞（参见《自然》，第459卷，817页）。

行星之间的碰撞，可能导致地球轨道发生迁移，或许可以解释黯淡太阳悖论。图片来源：apod.com

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轨道迁移明顿认为，未来有可能发生的事情，在过去亦有可能发生。地球会不会是在更靠近太阳的轨道上形成的，后来才向外迁移到现在这条的轨道上来的呢？这种方式需要什么样的条件才能完美解决黑暗太阳悖论，明顿对此进行了调查。在一项尚未发表的研究中，他发现要求其实并不高。用他的话来说，“你只需要把地球轨道改变个百分之几就行了。”不过即使如此，这种轨道迁移也更有可能是以灾变的方式突然发生的，而不是慢慢进行的。明顿设想的那场灾变，是两颗行星在大约25亿年前发生的一场碰撞，如今的金星就是那场碰撞的产物。由此带来的引力环境的微小变化，足以将地球外推到目前的位置，从而确保了地球上的生命没有在太阳成长的火焰中变成烧烤。

就连明顿自己也承认，这个想法有些离奇，而且几乎无法验证。行星的年龄通常可以从行星表面环形山的密度来推测，但金星将自己的面庞深藏于面纱之下。对金星表面环形山的一项简单统计表明，它的年龄只有5亿到10亿年——对于任何行星演化图景而言，这都过于年轻了。肯定有什么东西磨平了金星表面更古老的皱纹。除非我们找到这只幕后之手，否则我们永远都猜不出金星的真实年龄。


卡斯汀也对明顿的想法表示怀疑，根据则是奥卡姆剃刀。他说，“你得尽可能让自己的解答简单才行。”但不幸的是，简单的解决方案正是我们目前缺乏的。实际上，所有的证据都显示，没有任何一个单一因素能解决黯淡太阳悖论。这就提出了一个更宽泛的问题：如果地球的宜居性真是一连串事件精巧组合的结果，那么还有多少其他行星能够完成这条试炼之路？

对于这个问题，福伊尔纳表示不屑一顾。他认为，我们得先扫好自家门前雪，然后才能去管别人家的瓦上霜。“我们对古气候的认识仍然非常粗浅，因此我更乐于先弄清楚黯淡太阳悖论该如何破解，然后才会好奇它有什么样的意义。”

明顿则有不同看法。只要悖论本身有很多个可行的解决方案，哪怕只有一个对地球而言才是真的，但其他方案都可以在银河系的其他行星上发挥作用。有很多不同途径能实现行星的宜居，这一事实本身甚至比找到某个单一的答案更有意义。“或许有太多复杂的因素都在发挥作用，我们才刚开了个头而已，”明顿说，“生物圈或许比我们认为的更加坚强，现在我们以为极其恶劣的行星环境，对它们而言可能已经是甜梦之乡了。”

对于那些生怕孤独、唯恐无伴的人来说，这可能是个安慰，尽管它还是没能回答那个问题：我们因何在此？