年輕太陽黯淡佯謬

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藝術家描繪的太陽這顆恆星的生命週期。從左下角的主序星開始,然後經過次巨星巨星階段展開,直到它的外層氣殼被逐出,行程在右上角的行星狀星雲

年輕太陽黯淡佯謬年輕太陽黯淡問題是描述在早期的地球歷史上出現觀測和天文物理學的預期之間明顯矛盾的狀況。當時,太陽輸出的能量僅是現代的70%[1]。這一問題在1972年被天文學家卡爾·薩根(Carl Sagan)和喬治·馬倫(George Mullen)提出[2],對此一悖論的解釋要考慮溫室效應、天文物理學個別的影響,或兩者結合共同的影響。

這個懸而未決的問題是,由於太陽輸出給地球的能量逐漸增加,是如何在很長的時間內維持地球上適合生命的氣候[3]

早期的太陽能量輸出[编辑]

地球歷史的早期,太陽輸出的能量只有現在這個時期的70%。在當時存在的環境條件下,太陽輸出的能量不足以讓地球的海洋維持液體的狀態。天文學家卡爾·薩根和古生物學家馬倫在1972年指出,這與地質和古生物證據相悖[2]

依據標準太陽模型,與太陽相似的恆星在主序帶的生命期間,由於核融合引起的恆星核心收縮,應該會逐漸增加亮度[4]。然而,依據預測在40億年(4 × 109年)前的太陽光度,即使當時的溫室氣體濃度與現在的地球相同,任何曝露在表面的液態水都會結冰。但是,地質紀錄顯示,除了大約24億年至21億年前的休倫冰河時期是寒冷的階段,整個地球早期表面的溫度記錄英语Global temperature record都是持續相對溫暖的。與水有關的沉澱物早在38億年前就被發現了[5]。早期的生命形式暗示,早在35億年前就已經有生物了[6],並且基本的氨基酸和碳的同位素也非常符合現在發現的[7]

溫室假說[编辑]

地球最初形成時,大氣層可能含有比現在更多的溫室氣體。二氧化碳的濃度可能較高,因為沒有細菌與光合作用將CO2氣體轉換為有機碳和氣態氧,估計其分壓與現今的大氣壓力,1,000 kPa(10 bar)一樣大。甲烷,一種非常活躍的溫室氣體,在大氣層中混合比估計為10−4(體積比為百萬分之100),與氧氣發生反應產生二氧化碳和水的現象也可能非常普遍 [8][9]

基於地質上對硫同位素的研究,一組科學家,包括東京工業大學的上野(Yuichiro Ueno),在2009年建議太古宙的大氣中存在著羰基硫化物(OCS,carbonyl sulfide)。羰基硫化物是一種高效的溫室氣體,科學家們估計,額外的溫室效應將足以防止地球結冰[10]

基於2013年的一篇論文:"30-35億年古熱液石英流體包裹體中氮、氬同位素分析",的結論是氮氣(dinitrogen)在古地球的熱概算中沒有發揮重要作用,而CO2的太古宙分壓可能低於0.7大氣壓[11]。伯吉斯,論文的作者之一說:"大氣中的氮氣含量太低,二氧化碳增加所提高的溫室效應,足以溫暖地球。雖然,我們的研究結果確實給出了比預期更高的二氧化碳壓力讀數 -與基於化石土壤的估算不一致,這可能足以抵銷年輕太陽太黯淡的影響,但還需要進一步的調查[12]"。此外,S.M. Som 在2012-2016年的研究中,根據分析被困在古熔岩中的雨滴印記和空氣氣泡,進一步表明大氣壓力低於1.1巴,並且在距今27億年的一個世紀中可能低至0.23巴[13]

在最初推算的大陸沉積10億年後[14],地理植物學家沃爾特(Heinrich Walter)和其他人爭辯說,非生物形式的碳循環提供了負溫度回饋。大氣中的二氧化碳溶解於液態水中,並與來自矽酸鹽風化作用的金屬離子相結合產生碳酸根。當大冰期時期,這一部分的循環可能被關閉。火山的碳排放將會由於溫室效應而重新開啟一個溫暖的時期[15][16]

根據雪球地球假說,地球的海洋可能有很多的時候是完全結冰的。最近的這一段時期大概是6.3億年前[17]。然後,開始了多細胞生物的寒武紀大爆發

充足的輻射熱[编辑]

來自4種同位素輻射熱英语adiogenic nuclide隨著時間推移對地球內部熱源英语Earth's internal heat budget的影響。黃色:40,紅色:235,綠色:238,紫色:232。 在過去,鉀40和鈾235的貢獻比現在高得多,因此整體的輻射熱輸出比現在高許多。

在過去,地熱釋放的衰變熱英语Decay heat,從鉀-40鈾-235鈾-238都比現在多得多[18]。圖表的右側數字顯示鈾-235和鈾-238和現代的同位素比英语isotope ratio也有很大的不同,估計其比率相當於現代的低濃縮鈾。因此,天然鈾英语natural uranium礦體如果存在,將如同一般普通水中的減速劑有能力支援天然核反應堆。因此,任何解釋這種悖論的企圖,無論是從衰變熱還是任何潛在的天然核裂變反應堆,都必須考慮到輻射的貢獻。

輻射熱引起地球升溫的主要機制不是直接加熱(即使在早期的地球投入的總熱量也少於0.1%),而是建立起地殼的高地溫梯度,從而產生更大的氣體釋出率,因而在早期的地球大氣中氣體析出率高,使得二氧化碳的濃度較高。此外,更熱的深層地殼會限制地殼礦物的吸水性,導致早期突出海洋的高反照率土地數量減少,從而使更多的太陽能被吸收。

充足的潮汐加熱[编辑]

月球在數十億年前距離地球很近[19],因此產生相當大的潮汐加熱[20]

另類的[编辑]

顯生宙的氣候變化

由以色列-美國物理學家Nir Shaviv英语Nir Shaviv提出的太陽風對氣候影響的少數觀點;結合丹麥物理學家Henrik Svensmark英语Henrik Svensmark 宇宙射線冷卻作用的假說,解釋悖論[21]。依據Shaviv所說,早期太陽發出較現在強大的太陽風,抑制了宇宙射線而產生了保護作用。在那個時期,相較於現代適度的溫室效應,足以解釋地球未被冰凍的狀況。在隕石中發現太陽在早期更為活躍的證據[22]

大約在24億年前的溫度最小值伴隨著宇宙射線在銀河中的變星形成速率通量調變。減少的太陽撞擊,稍後的結果是宇宙射線流量(CRF,cosmic ray flux)撞擊的增強,這被假設是導致氣候變化的關係。

一個另類的太陽演化模型可以解釋年輕太陽黯淡的佯謬。在這個模型中,早期的太陽經歷了更長時期強大的太陽風輸出。這導致大量的太陽質量損失,大約佔了生命期損失的5-10%,這導致更加一致的太陽光度水準(當早期的太陽有更多的質量,到智能輸出比預期更多的能量)。為了解釋太古宙實彈的溫暖條件,這種質量的損失必須在大約10億年的時間間隔內發生。然而,隕石和月球樣本的注入記錄表明,太陽風通量的上升率僅持續了1億年。觀測與年輕太陽類似的[[大熊座π1]](內階增九?)與恆星風輸出的這種摔落率相匹配,表明較高的質量損失率本身並不能解決佯謬 [23]

太古界沉積物的檢測與高溫室氣體濃度的假說不一致。取而代之的,適度的溫度範圍可以用較少的大陸面積和"缺乏生物誘導的雲凝結核"來解釋。這將導致更多的太陽能吸收,從而補償較低的太陽能量產出[24]

在火星[编辑]

通常,年輕太陽黯淡佯謬是以地球的古氣候為框架。然而,這一問題也出現在火星的氣候背景下。火星顯然在數十億年曾經有液態水存在過,而且數量龐大:水循環、湖泊、河流、雨水,甚至是海洋。隨後,大量的液態水從火星表面消失了。目前,火星表面又冷又乾燥。假設除了太陽的能量輸出改變之外,沒有其他的變化,這將意味著火星在過去比現在更冷、更乾燥。這樣顯然與火星探索的經驗相違背,一切證據都表明過去是濕潤和溫暖的。對年輕太陽黯淡佯謬的解釋可能要考慮太陽風的流量,和經由太陽風流失質量的觀測。然而,到目前為止,對恆星的觀測和模型都不支持[25]

另一種可能的解釋假定了間歇性的大量溫室氣體,例如甲烷。二氧化碳本身,即使壓力遠遠高於現在,依然無法解釋早期造成液態水出現在火星所需要的溫度[26]

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

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進階讀物[编辑]

  • Bengtsson, Lennart; Hammer, Claus U. Geosphere-Biosphere Interactions and Climate. Cambridge University Press. 2004. ISBN 0-521-78238-4. 

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