初生太陽光芒羸弱，地球生命何以欣欣向榮？

過熱的溫室效應、速度更快的自轉、質量更大的太陽，還是行星變軌道——究竟是何種原因導致地球在太陽系形成之初就如此迅速地溫暖起來？

太陽形成的頭20億年，亮度比現在微弱不少，不足以將地球溫暖成一個適宜生命存在的行星。當時候的地球應該凍成一個冰球才對，可事實並非如此。圖片來源：cloudfornt.net

（文/ Stuart Clark）我們因何在此？儘管此問歷經千古，但一直懸而未決，哲學家和神學家鍾愛與此，每每提及就陷入深思，或者歇斯底里。科學家卻往往發現自己在一開始就站在了對立面上：我們可能根本就不應該站在這裡問東問西。

地球上生命的存在似乎是很多轉折事件幸運連連的結果。就拿太陽早期歷史來說，按照我們今天對於恆星演化的全部所知，我們的太陽在出生時應該略微暗淡，逐漸才達到今日的輝煌。這樣看來，45億年前與太陽一同誕生的地球，在最初大約20億年的時間裡，應該凍成一個冰球才對，絕對是個不毛之地。

但是，我們在地球頭20億年內形成的岩石中，發現了明顯是在富水環境中形成的沉積物，而且還有豐富的細菌化石，表明當時的地球已經是一個適宜生命形成的溫和星球，此時距離地球和太陽形成或許還不到10億年。這個問題被稱為黯淡太陽悖論（faint young sun paradox），有很多方案試圖解決它，但都缺乏事實支持。不過隨著猜測的積累和揚棄，一個結論似乎越來越不容忽視：我們得以在此饒舌，需要的運氣超乎此前的想像。

黯淡太陽悖論起源於20世紀60年代，當時天體物理學家第一次用粗糙的計算機模擬，研究化學構成的變化如何影響太陽這樣的恆星的亮度和熱量輸出。結果非常清楚：早期恆星核心中氫的含量越豐富，內部的壓力就越大，恆星核心在壓力下膨脹，進而使溫度降低。結果就是，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，就會比現在低20℃左右，大概比水的冰點還要低10度。

但是地球上液態水的歷史，幾乎可以一直追溯到地球形成之初。澳大利亞西部傑克山的岩石中沉積的礦物鋯石，形成年代被確定為44億年前。其中包含的氧同位素表明，它們是在富水的環境中形成的。在同一地區還發現了化石疊層石，這些層狀結構是在淺水中由微生物群落形成的，年代卻直指35億年前。

「這明確告訴我們，有關行星宜居性的簡單模型是錯誤的，」美國普度大學的行星科學家戴維·明頓（David Minton）說，「因為在本該是一片冰封廢土的地球上存在著生命。」2012年，幾十位天體物理學家和地球學家齊聚在美國馬里蘭州的巴爾的摩，探討如何擺脫舊模型的束縛，明頓也是與會者之一。「結果就是，有多少人參加，差不多就有多少種潛在的解決方案。」

現在最流行的仍是早先提出的一個觀點：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。這個設想最初是由天文學家卡爾·薩根（Carl Sagan）和喬治·馬倫（Geoge Mullen）在1972年的《科學》雜誌上提出的。但一如他們發現的那樣，要找到正確的溫室氣體，頗費一番思量。

溫室效應如今被視為是導致地球氣候變化的主因，但在太陽系形成之初，溫室效應或許幫助地球從寒冷的陽光中獲取了更多熱量。圖片來源：edfenergy.com

調對雞尾酒

二氧化碳似乎不太可能獨自擔此重任。CO2進入土壤有兩條途徑：雨水或直接擴散。由此造成的化學侵蝕，其影響可以通過構成岩石的所謂古土壤（paleosol）反映出來。對這些古土壤的研究確實表明，在距今38億至25億年前的太古代，地球上的CO2水平比現在要高。但是，為了讓溫度達到零上5℃以確保海洋處於液態，所需的CO2是今天的300倍——而對太古代CO2水平最誇張的估計，也只及這個數值的十分之一。

美國賓夕法尼亞州立大學的古氣候學家詹姆斯·卡斯汀（James Kasting）仍然認為，以CO2為基礎的溫室效應是解決黯淡太陽悖論的出路，並且指出了CO2調節地球溫度的其他證據（參見「碳的調控作用」）。他說：「我注意到了那些估算，儘管我對其中一些並不完全同意。」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，調出一杯正確的雞尾酒來。

早在1972年，薩根和馬倫就給出了一個配方——氨和甲烷。但氨對紫外線非常敏感，在缺乏臭氧層保護的早期地球，即便是年輕的太陽發出的黯淡陽光也很容易將氨分解。甲烷是強效的溫室效應氣體，但如果濃度超過一定數量，就會形成有機濃霧來吸收陽光，然後將其輻射回外層空間。太多的甲烷會讓行星表面降溫而非升溫，天文學家已經在土星的衛星土衛六（Titan）上觀測到了這種效應。

土衛六給我們提供了另一些方式，可以讓早期地球的大氣變得更加溫暖。美國芝加哥大學的羅賓·沃茲沃思（Robin Wordsworth）和雷蒙德·皮埃安貝爾（Raymond Pierrehumbert）最近研究了土衛六上高濃度的氮和氫有沒有升溫效應。儘管答案是肯定的，但目前還沒有證據表明，地球大氣曾經濃厚到能夠保留這麼高濃度的氮和氫的地步。

「事實證明，所有氣體都會帶來比你預想更多的麻煩，」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。他認為這個悖論還沒有得到解決的原因之一在於，通常用來研究古代氣候的計算機模型過於粗糙了，無法提供有意義的結果。

土星的衛星土衛六擁有大量甲烷，形成了有機濃霧，將大部分陽光輻射擋在了大氣層外，反而導致表面降溫。圖片來源：NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute

滄海桑田

這些模型之所以粗糙，是因為它們通常都忽略了一些因素，比如說地球的自轉。由於受月球引力的影響，地球自傳的速度一直在放緩。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範圍，進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量。

反照率本身也是一個大問題。卡斯汀說：「我們對早期地球的反照率一無所知。」與陸地相比，海洋會吸收更多的熱量，因此反照率會受到諸如大陸分布等因素的影響。由於地球永無止歇的構造運動，久遠過去的陸地分布與今天已經截然不同。丹麥哥本哈根大學的米尼克·羅辛（Minik Rosing）及其同事甚至提出過一個有爭議的觀點，認為陸地面積的大幅度減少，加上雲層中化學成分的差異，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氣體（參見《自然》雜誌，第464卷，744頁）。

所有這些因素，包括大氣組成、地球自轉、反照率及雲層的影響，都有可能是解決悖論的關鍵，但也可能是障目的樹葉，我們不知道孰是孰非。福伊爾納本人最近嘗試了一個更為複雜的氣候模型，結果表明此前的研究都低估了更快的自轉和冰層覆蓋帶來的降溫效應，這讓黯淡太陽悖論更顯疑問重重（參見《地球物理研究通訊》，第39卷，L23710頁）。

等這個複雜模型再發展幾年，福伊爾納希望能夠將所有小組關於早期地球氣候的模擬放在一起加以比較。通過這種方式，他們就能看清哪些效應是建立單個模型時所做的理論假設帶來的結果。如果有某種加熱效應在所有模型中都有體現，而且不論模型採取了什麼樣的假設，那它就有更大的可能會是解決問題的關鍵。

與此同時，一些地質學家繼續用懷疑的眼光審視太陽。有沒有可能是天體物理學家沒有弄清楚太陽演化的細節？卡斯汀說：「大約每隔10年，就會有人提出，太陽過去肯定要比現在認為的更大。」多出來的質量必須足夠可觀，大約佔到太陽現質量的2.5%（相當於8250個地球），才能讓太陽變得足夠明亮。儘管太陽持續不斷向太空發射粒子，形成所謂的太陽風，但按照目前的速度，需要1.5億年太陽才會損失相當於一個地球的質量。這意味著太陽風在過去必須更強勁，而且要強勁得多，才能損失掉多出來的這些質量。明頓說，「這是一場持久的質量損失，要比我們通過觀測其他恆星而推斷出來的質量損失規模超出至少10倍！」

天文學領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撞球般的「碰撞」，他的靈感來自於法國巴黎天文台雅克·拉斯卡爾（Jacques Laskar）對此所作的研究。2009年，拉斯卡爾因為一系列計算機模擬而登上了媒體頭條，他的模擬結果表明，太陽系內側行星的軌道在幾十億年的時間尺度上不一定非得是穩定的。在某個特別令人擔憂的演化圖景中，太陽系外側巨行星木星的引力可能會動搖水星的軌道，將它甩向外側，有可能在接下來的大約35億年內，導致水星和金星、地球及火星之間發生碰撞（參見《自然》，第459卷，817頁）。

行星之間的碰撞，可能導致地球軌道發生遷移，或許可以解釋黯淡太陽悖論。圖片來源：apod.com

軌道遷移

明頓認為，未來有可能發生的事情，在過去亦有可能發生。地球會不會是在更靠近太陽的軌道上形成的，後來才向外遷移到現在這條的軌道上來的呢？這種方式需要什麼樣的條件才能完美解決黑暗太陽悖論，明頓對此進行了調查。在一項尚未發表的研究中，他發現要求其實並不高。用他的話來說，「你只需要把地球軌道改變個百分之幾就行了。」不過即使如此，這種軌道遷移也更有可能是以災變的方式突然發生的，而不是慢慢進行的。明頓設想的那場災變，是兩顆行星在大約25億年前發生的一場碰撞，如今的金星就是那場碰撞的產物。由此帶來的引力環境的微小變化，足以將地球外推到目前的位置，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。

就連明頓自己也承認，這個想法有些離奇，而且幾乎無法驗證。行星的年齡通常可以從行星表面環形山的密度來推測，但金星將自己的面龐深藏於面紗之下。對金星表面環形山的一項簡單統計表明，它的年齡只有5億到10億年——對於任何行星演化圖景而言，這都過於年輕了。肯定有什麼東西磨平了金星表面更古老的皺紋。除非我們找到這隻幕後之手，否則我們永遠都猜不出金星的真實年齡。

卡斯汀也對明頓的想法表示懷疑，根據則是奧卡姆剃刀。他說，「你得儘可能讓自己的解答簡單才行。」但不幸的是，簡單的解決方案正是我們目前缺乏的。實際上，所有的證據都顯示，沒有任何一個單一因素能解決黯淡太陽悖論。這就提出了一個更寬泛的問題：如果地球的宜居性真是一連串事件精巧組合的結果，那麼還有多少其他行星能夠完成這條試煉之路？

對於這個問題，福伊爾納表示不屑一顧。他認為，我們得先掃好自家門前雪，然後才能去管別人家的瓦上霜。「我們對古氣候的認識仍然非常粗淺，因此我更樂於先弄清楚黯淡太陽悖論該如何破解，然後才會好奇它有什麼樣的意義。」

明頓則有不同看法。只要悖論本身有很多個可行的解決方案，哪怕只有一個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揮作用。有很多不同途徑能實現行星的宜居，這一事實本身甚至比找到某個單一的答案更有意義。「或許有太多複雜的因素都在發揮作用，我們才剛開了個頭而已，」明頓說，「生物圈或許比我們認為的更加堅強，現在我們以為極其惡劣的行星環境，對它們而言可能已經是甜夢之鄉了。」

對於那些生怕孤獨、唯恐無伴的人來說，這可能是個安慰，儘管它還是沒能回答那個問題：我們因何在此？

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