太古期和今日「流浪地球」有生命的陪護

大約30到40億年之前，遠古的地球與現在地球的氣溫大致相同，一個令人倍感困惑的問題：遠古太陽遠達不到今日太陽「光芒萬丈」的熱度。30到40億年前的太陽顯得「昏暗無力」，太古時期，柔弱而年輕的太陽保持了今日太陽對地球照射的溫度，這似乎是一種悖論，最先提出「太陽悖論」的天文學家是卡爾·薩根，上個世紀的70年代的早期，他發現太陽對地球輻射「自相矛盾」的現象，薩根的疑問一直困擾了許多科學家的邏輯思維，早期地球沒有伴隨一顆「光芒四射」的太陽，以此邏輯推測，極早期地球似乎呈現了一個「冰封萬里」、「白雪皚皚」的寒冷世界。

位於博爾特的科羅拉多大學的科學家埃里克·沃爾夫和布萊恩·圖恩探討了「太陽悖論」，他們應用了新型超級計算機模型，對先前的理論方法進行了修正。太古時期的地球為何十分溫暖？發表在《天體生物學》雜誌上的文章給出了強有力的解決方案。太古時期的地球保持了溫暖的氣候，地球大氣層高密度地集中了二氧化碳和甲烷氣體，高密氣體物質引起了溫室氣體效應，寒冷的地球通過溫室氣體的覆蓋保持了溫暖，昏暗的太陽照射不足，大氣雲團的溫室氣體效應阻止了少量熱量揮發到太空。從而補償了太陽輻射的不足。自從卡爾·薩根提出了「太陽冷、地球熱」的悖論現象以來，科學家以溫室氣體效應給以了解釋，其間經歷過了很多次的反覆，沒有一種權威的科學理論能夠證實溫室氣體理論的正確性，現在，在先進的超級計算機模型的幫助下，科學家完美地解釋了極早期地球十分溫暖的問題，太古時期的地球可以獲得今日地球的溫暖程度。

———粉紅色天空

25到40億年前，地球的生存條件極為困難，地球大陸沒有成型，陸地佔有的面積非常小，太古時期的地球有大量的活火山，從火山口噴涌了大量的二氧化碳氣體，它們形成了地球大氣二氧化碳的來源。遠古地球的大氣含有少量的氧氣、或根本沒有氧氣，植物進化不足，沒有形成植物的制氧機制，微生物的光合作用不能形成。地球生命的進程開始於更早的時期，科學家發掘了遺存的最古老化石，他們找到了單細胞微生物存在的證據。

在西澳大利亞的35億以前的岩體中，科學家發現了印刻單細胞微生物的化石，微小的生命體曾經在液態水中生存。在格陵蘭島的8億年以前的岩體中，科學家發現了類似的生物化石，地質學概念的沉積岩通過地質運動沉入到水底。地質學家有理由相信，太古時期地球的地表平均溫度至少達到了冰點以上，整個地球行星沒有處於冰凍的狀態，遠古地球甚至比今日地球溫度更高、天氣更加炎熱。在地球太古期的岩層中，地質學家沒有找到冰川留下的明顯標記。

天文學家充分了解到一個太陽演變的事實，太古時期的太陽亮度只有今日太陽的70%至80%，遠古時期的太陽微弱而年輕。二氧化碳是地球太古時期大氣層的主要成分，然而，當科學家試圖以二氧化碳氣體構建大氣模型時遇到了一種難以克服的困難，為了彌補昏暗、年輕的太陽照度不足的難題，科學家需要「添加」巨量的二氧化碳氣體，為了將地表溫度維持在「冰天雪地」的冰點以上，大氣二氧化碳氣體的數量大約為30,000ppm,，大約相當於今日地球大氣二氧化碳數量的75倍，地球化學家經過測算指出，太古時期的地球大氣層不可能容納如此龐大數量的二氧化碳氣體，通過分析了太古時期的岩石標本，他們認為僅有的二氧化碳氣體不足以將地面溫度保持在冰點以上。

太古時期的地球缺少大量的二氧化碳氣體，溫室氣體效應不足以帶來類似今日地球的地面溫度，科學家增加了甲烷氣體，從而形成一種混合氣體的大氣層，他們經過實驗發現，混合氣體的大氣層比單一氣體的二氧化碳大氣層引起了更強烈的溫室氣體效應。太古時期地球的細菌類生物體噴吐了甲烷氣體，同樣，在今日地球的沼澤地和水稻田中，各種生物釋放了甲烷氣體。埃里克·沃爾夫對以前的地球大氣層模型持有不同的看法，過去的大氣模型有一維局限性，它們不能從多維角度來真實地反映大氣雲團效應，對溫度和輻射的計算過於簡單，雖然節省了大量的計算時間和昂貴的計算費用，但是，計算結果與實際不符。

為了反映地球太古時期大氣模型的真實圖景，埃里克·沃爾夫和布萊恩·圖恩使用了位於博爾特的科羅拉多大學國家大氣研究中心的超級計算機，預測地球氣溫升高的氣候學模型建立在三維圖像的基礎上，期中包括了氣體雲團、風、冰和其它地理氣候的可變因素，在複雜的大氣模型和先進的超級計算機幫助下，為了讓太古時期的地球保持在冰點的氣溫之上，他們僅需要在大氣中「添加」15,000ppm的二氧化碳氣體，比之前估計的二氧化碳氣體數量大為下降，然而，這一數量超出了太古時期的地質條件所能釋放的二氧化碳氣體的最大值，他們加進了1,000ppm的甲烷氣體，通過混合氣體的溫室氣體效應，他們得到了今日地球的環境溫度。

新的3D模型顯示，太古時期的地球沒有處於全的冰凍狀態。氣體雲團的數量缺乏，它們通過太陽輻射對地面水分的蒸發作用而形成，太古時期的太陽光線相當微弱，少量的太陽輻射到達了地表，太古時期的地球似乎異常寒冷，然而，較少的氣體雲團意味著較少的太陽光線經過氣體雲團的反射回到太空，地球似乎不那麼寒冷。沒有證據說明太古時期的地球含有比今日地球更多的冰、或同樣數量的冰。太古時期的地球伴隨一顆微弱光芒的太陽，含有二氧化碳氣體的大氣層發揮了調節地球氣溫的關鍵作用。

今日地球的大氣層比太古時期多出了500倍的甲烷氣體，也許在太古時期的天空含有一層薄薄的、產生了光化學作用的霧霾，透射了一種略帶桃紅的色調，大約在24億年前太古時代的晚期，地球大氣失去了粉紅色彩，產生光合作用的微生物噴吐了大量的氧氣，如果太古時期的大氣含有大量的甲烷氣體，那麼甲烷氣體將產生氧化作用。賓西法利亞大學的科學家詹姆斯·卡斯廷認為，也許在地球氣候的變遷中第一次產生了激進過程，地質學的記錄顯示，在大約23億年之前，地球第一次進入了全球性的冰河時期，在昏暗太陽光的照射下，太古時期地球的「無冰期」結束了。

———宜居的系外行星

太古時期地球的溫室氣體效應適用於古老的地球，同樣適用於適用於其它行星，我們從地球行星的特性來推斷系外行星的相似性。最近幾十年，科學家發現了數百個系外行星，最近幾年來，科學家加快了搜索系外行星的節奏，「系外地球」、「超級地球」陸續走進人們的視野，系外行星和系外宜居行星的數量不斷攀升，今年春天，科學家在兩個系外行星上似乎找到了液態水存在的證據，它們位於我們的銀河系，圍繞主恆星旋轉，處在主恆星的宜居帶，它們和主恆星保持了適當的距離，在兩顆宜居行星的表面存在液態水的可能。通過了解地球第一次產生生命的條件，科學家可以將「地球生命學」的知識應用到對系外行星生命的搜索，生命的誕生不會是地球獨有的奇蹟。

（編譯隨想：尋找可能有生命存在的宜居行星，對宇宙的探索和對宇宙生命的探索成為了科學家的「兩項使命」。太古時期的地球沒有伴隨一顆熱量充沛、熱力四射的太陽，卻保持了和今日地球同樣的溫度，這是地球生命在幾十億前出現的重要條件。在尋找宜居帶行星的過程中，科學家有必要考慮行星的氣體雲產生的溫室效應，處於非宜居帶的行星在大氣溫室氣體作用下可能形成宜居的氣溫，生命可能在處於非宜居帶的行星上誕生和生長，適合生命活動的行星數量可能大大超出人們過去的想像。）

（編譯：2013-7-20）

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