这是一个气候难题。让我们首先重回地球的婴儿期时代——大约45~25亿年前。那个时候的太阳要比现在黯淡得多，地球也得不到很多的辐射能，所以按理来说，那时的地球应该是一片冰冻荒原。然而，种种迹象却表明，那时，丰盈的液态水正欢快地流淌在这个年轻的星球上。甚至，正是在那个时候，地球上的第一个生命懵懵懂懂地苏醒了。科学家们将这个难题称之为“年轻太阳的衰弱悖论”。

这个悖论是1972年由卡尔·萨根（Carl Sagan）和乔治·马伦（George Mullen）提出的。那时，研究人员已经发现，在恒星的婴儿期，随着其内核中的氢发生核聚变而生成氦，整个恒星的亮度会随之增加。但是，研究人员逆向推演的结果却表明，在地球的前一半历史时期里，太阳的辐射要比现在少20%~30%。

支撑这个悖论的证据来自于岩石向我们提供的信息。根据这些信息，早在太古宙时期，也就是38亿~25亿年前，就已经有液态水了。这是因为，地质学家发现了古老的枕状熔岩，它是一种瘤状的火山岩，只有当火山在水下喷发的时候才有可能形成。此外，科学家们还发现了波纹状的侵蚀现象，它是沉积岩被流水侵蚀的结果。

虽然目前还没有发现冥古宙早期，也就是45亿~38亿年前的岩石，（详见Science News 2012年5月29日，第22页），但是，科学家们发现，在一些较年轻的岩石中含有冥古宙时期的锆石矿物，通过对这些岩石的研究，科学家们指出，液态水至少在42亿年前就已经“闪亮登场”了。

那个时候，由地球自身的构造运动产生的热量大部分已经被消耗殆尽了，所以不能用它来解释气候变暖现象。唯一的解释只能是，有一股未知的神秘力量让我们这个星球升了温。目前，我们还没有办法找出它究竟是什么，因为连最基本的数据——地球早期的气候因子数据都遗失不见，“这都要归咎于地球整个系统太过于活跃，以至于这些证据很快便被抹掉了。”美国芝加哥大学的行星科学家罗宾·华兹华斯（Robin Wordsworth）表示。

不过，庆幸的是，理论知识倒是一点都不缺。在过去的40年里，气候科学家已经针对各种现象——无论是大气中超高浓度的温室气体，还是不断改变的地日距离，都提出了一系列的解释。这些解释有一些看上去貌似可信，但即使是最可信的假设也都给科学家们的研究带来了很大障碍。

尽管如此，随着科学家们对地下矿物的研究不断深入，也获得了更多的地质线索。他们对早期地球气候的有关假设进行精炼，相信离最终的成功已经不远了。德国波茨坦气候效应研究所的古气候学家格奥尔格·弗伊尔纳（Georg Feulner）表示：“我很有信心，未来几年，我们会解开这个早期太阳悖论问题。”

如果这个问题能解决，那么它不仅对早期的地球适用，而且对那些有可能适宜居住的系外行星也适用。

超级温室气体

气候科学家们坦陈，关于幼年太阳如此疲弱的悖论，可能不是一个答案就能解释得清楚的。正如弗伊尔纳所说，冥古宙和太古宙延续了20多亿年，什么都有可能发生，很有可能是很多因素共同作用导致了地球变暖。

鉴于冥古宙的地质学记录太少，气候科学家们将注意力转移到更容易研究的太古宙上，以求找到解释太阳悖论的答案。然而，这同样让他们伤透脑筋，因为科学家们无从知晓那个时候的全球气温是怎么样的，只知道它可以支撑液态水存在。“这才是最令人沮丧的事情。”美国宾夕法尼亚州立大学帕克分校的行星科学家詹姆斯·卡斯汀（James Kasting）表示。

鉴于这些局限性，现在的目的就是要建立一种场景，然后将地球平均气温置于这个场景中，使它要么至少高于冰点，要么接近今天的气温。很多气候科学家一致认为，如果温室效应以某种形式加强的话，有可能会让地球升温。有些温室气体，比如二氧化碳，允许阳光射入大气层，而经地面反射后的它却无法逃逸出去，像进了陷阱一样。如果温室气体的浓度够高，它就足以让地球保温。但最棘手的问题是找出哪些温室气体起了作用。

早在1972年，萨根和马伦就认为，氨气是解决这个问题的关键。这种理论认为，如果早期地球大气含有大量的氨气，那么它就可以通过雷击作用产生构成早期生命体的分子，不过这种理论现在来看已经过时了。20世纪70年代至80年代，其他研究人员发现这种理论存在重大缺陷。因为尽管氨气可能有很强的温室效应，但是紫外线可以很轻易地将氨气分解，它可以在十年的时间内将氨气的数量减少到大气层保温所需的标准之下。如果想让这个理论成立，必须让火山强有力地持续爆发，来源源不断地产生氨气，而这显然是不可能的。

图片权利和来源（IMAGE CREDIT）：OAR/National Undersea Research Program; Black Tusk/Wikimedia Commons

海底火山喷发会形成枕状熔岩（左图所示），因此，如果能发现被侵蚀过的枕状熔岩（右图所示），则说明当时地球上已经出现了液态水。

目前科学家们提出了一种更能说得通的解释。那就是早期的地球通过火山爆发和风化作用这二者的平衡，使得二氧化碳含量一直保持稳定（这是由于，风化作用通过一系列的化学反应，将大气中的二氧化碳气体分解掉，而碳元素则最终存储在海底的沉积层中）。但是这样的话，需要的二氧化碳就太多了。卡斯汀的团队经过计算发现，在太古宙早期，如果要通过二氧化碳来弥补太阳辐射的短缺，那么地球所需的二氧化碳量将是人类工业化之前大气二氧化碳量的1000倍。而在太古宙后期，随着太阳辐射的增加，这个数字减为工业化之前大气二氧化碳量的300倍。

然而这与氨气假说一样，也存在漏洞。因为地球化学研究的有关证据表明，太古宙的二氧化碳含量可能并没有那么高。最近，美国安阿伯市密歇根大学的地质学家南森·谢尔登（Nathan Sheldon）和同事们分析了美国明尼苏达州26.9亿年前的土壤化石。通过比较古土壤与下部基岩的化学组成，研究人员估算出土壤被风化的程度，进而推算出太古宙大气中的二氧化碳含量。经过计算发现，这个数字最有可能是人类工业化之前二氧化碳含量的40倍。谢尔登和同事们将这项研究结果发表在2011年的《前寒武纪研究》上，并补充道：“这显然并不足以弥补幼年太阳极其稀少的辐射量。”

谢尔登和卡斯汀一致认为，甲烷可以为二氧化碳的增温效应助一臂之力。可以说，甲烷是温室气体中的“潜力股”，它捕获热量的效能大约是二氧化碳的20倍。而且对甲烷来说，更庆幸的一点是，由于太古代氧气十分稀缺，所以它可以在长达数千年的时间里免于被分解的“不幸命运”。

卡斯汀的计算结果为，如果想让太古代中期的温度达到现如今这样的水平，需要大气中含有至少千分之一体积的甲烷，并配之以工业化前期100倍之多的二氧化碳。如果二氧化碳含量很高，就可以防止甲烷的浓度过高，因为过高浓度的甲烷会形成一层致密的甲烷气层，它会反射太阳光线，使地球变冷。他将这项研究成果发表在2008年的《太空生物学》（Astrobiology）上。

现如今，由于甲烷与氧气的相互作用，导致甲烷浓度仅仅为十亿分之几。当然，目前还不能够断定27亿年前地球上的甲烷是否比现在多。谢尔登解释道：“这是因为，虽然对于二氧化碳来说，我们已经找到了不错的方法来研究。可是对于甲烷，目前还并没有找到合适的代用指标。”不过，一些细菌可能会给我们一些提示，这些细菌是制造今天大部分甲烷的“发生器”，当然，这是它们进化的结果。如果在氧气稀缺的那个时代，它们也能有今天这样的产能效率的话，那么当时的甲烷总量将是今天的1000倍。这对于弥补太阳匮乏的辐射量完全足够了。而且目前有一个迹象表明那时存在大量的甲烷，那就是冰川。到了太古宙晚期，由于氧气增多，甲烷的“生存环境”受到了极大的威胁，含量急剧减小。用这个说法来解释温度降低貌似是说得通的。

温室气体——小助手帮大忙

科学家们相信，除了二氧化碳和甲烷，一定还有更多的气体在帮助地球渡过难关。在最近的这些年里，一些学者就专注于寻找其他能使地球升温的气体。这时，氮气和氢气进入了人们的视线。

氮气是现如今大气层中的“老大哥”，它占了超过四分之三的比重，而那个时候它的浓度比现在更高。尽管它并不是温室气体，但是它可以帮助温室气体增强温室效应。加拿大维多利亚大学的地球科学家科林·戈德布拉特（Colin Goldblatt）表示，如果氮气含量够高的话，即使二氧化碳没有那么多，液态水也同样可以存在。这样的话就可以将一些地球化学方面的反面质疑通通驳斥掉。

氮气会增加温室效应的原理在于，它可以增加气体分子之间碰撞的几率。如果温室气体分子被撞击，就会改变振动方式，而振动方式恰恰是决定它吸收太阳辐射量的重要因素。古德博莱特表示，如果给它的撞击足够多，那这些温室气体分子就会吸收更宽波长范围内的太阳辐射。最终的结果就是，温室气体吸收了更多的能量。

戈德布拉特介绍道，氮气做的无非就是给温室气体更多的撞击。根据戈德布拉特和同事们发表在2009年《自然地球科学》上的论文，在25亿年前，如果二氧化碳的含量像地质学记录估算的那么多，并且当时还含有一定量甲烷的话，那么再给它添加今天两倍数量的氮气，就可以解决当时的太阳辐射量短缺的问题。（但同时他也补充道，如果大气中的氮气浓度过高，它们就会使入射的太阳光线出现散射，这样反而会让地球冷却。）

氢气也助一臂之力。华兹华斯解释道，如果当时氨气和氢气的含量都够高的话，它们之间就会频繁地发生碰撞，形成很多氮-氢分子团，这些分子团可以短暂地维持一段时间。而且最重要的是，它们的振动方式和原先各自的振动方式不同，正是这特殊的振动方式会促进温室气体的温室效应。而且氮-氢分子团可以作为二氧化碳和甲烷的补充，可以吸收很多它们吸收不到的太阳辐射，使得地球气温上升数摄氏度，具体的数字取决于氮气和氢气各自的含量。华兹华斯与同在美国芝加哥大学的雷蒙德·皮埃安贝尔特（Raymond Pierrehumbert）将这项研究发表在2013年1月的《科学》杂志上。

然而，就像二氧化碳和甲烷一样，我们也很难估算出太古宙的大气中到底有多少氮气和氢气。戈德布拉特分析道，太古宙时期的氮现在都已经存储在地壳和地幔当中了，当时氮的数量特别多，很有可能是现在的两倍。与此同时，卡斯汀表示，在冥古宙时期，在那些制造甲烷的微生物还没有出现之前，氢气可能是完全的“自由主义者”。而当到了太古宙早期，这些微生物进化之后，便开始“狼吞虎咽”地吞噬氢气，制造甲烷。

如果想评估这些“百家争鸣”的解释到底谁是谁非，就需要某种古代气压计，戈德布拉特表示。如果科学家们能知道太古宙的大气压是多少，就可以确定是否应该向模型中大量地注入气体，让模型中的气体压力也增大。这是解决早期太阳疲乏悖论的一个行之有效的方法。

2012年，研究人员想出了一个估算大气压的办法：雨滴化石。美国莫菲特菲尔德国家宇航局艾姆斯研究中心的研究员圣乔恩·索姆（Sanjoy Som）和同事们研究了火山灰中的27亿年前雨滴溅落的痕迹，以此估算当时的大气压。不过，这二者要通过一系列长论断才能联系起来。

二氧化碳理论

更高浓度的二氧化碳，将会制造比今天更强的温室效应。

缺陷：

如果想让地球弥补当时短缺的太阳辐射量，需要的二氧化碳量是工业化前期二氧化碳量的1000倍。然而，研究人员估算，当时的二氧化碳量仅仅是工业化前期水平的40倍，紧靠二氧化碳远远不够。

二氧化碳-甲烷理论

如果二氧化碳和甲烷浓度都很高，就会捕获更多的热量，无疑也会制造出比今天更强烈的温室效应。

缺陷：

用甲烷不能解释早期地球的“奇异”温暖现象，因为在制造甲烷的细菌出现之前，甲烷的含量很少。如果甲烷的浓度过高，将会形成一个致密的甲烷云层，反而会反射太阳光线而使地球变冷。

氮气理论

如果氮气浓度很高，将会促进温室气体分子之间更频繁地发生碰撞，这会让它们吸收更多的热量。

缺陷：

地质学证据表明，当时的大气压可能并不很高，因此当时的氮气含量也不会比现在高很多。此外，氮气的浓度过高，将会使太阳光线发生散射，而使地球变冷。

氮气-氢气理论

如果氮气和氢气浓度都很高，就会形成很多氮气-氢气分子团（H ₂ -N ₂ ），这些分子团具有温室气体的效应。

缺陷：

到目前还没有地球化学证据表明，早期地球的大气层中含有很多氢气。如果早太古宙时有氢气出现的话，它们就会立刻被制造甲烷的细菌消耗掉。

数十亿年前，太阳十分“吝啬”，用它极其微弱的光芒照耀着年轻的地球。令人奇怪的是，那时的地球却并不是冰冻荒原，反而是一派溪水潺潺的生机勃勃的景象。

雨滴溅落的形状一定程度上取决于它在空气中降落的速度。而它的降落速度又取决于空气密度，它会多多少少地给雨滴制造些摩擦。

索姆的团队在室内模拟雨滴溅落，分析它溅落的痕迹，并将结果发表在2012年的《自然》杂志上。他们的结论是，太古宙晚期的大气密度不超过今天的两倍。

由于空气密度与大气压成正比，于是气候科学家们就按照最大上限，向模拟太古宙晚期大气的模型中充入气体，直到再也充不进去为止。华兹华斯解释，对于二氧化碳和甲烷假说，科学家们通常依靠增加二氧化碳和甲烷的浓度来检验，所以这种方法不是一个好的反证法。但是对于氮气假说来讲，这种方法就可以很好地反证。

华兹华斯进一步表示，目前对于太古宙的大气密度，仅有这一种估算方法。所以，如果想要下结论，到底当时大气密度是怎样改变的，还为时过早。

3D气候模拟

现在，科学家们对于早期太阳疲乏悖论问题，无一例外地采取了一维的气候模拟方法。下一步，要着眼于更复杂的三维模拟方法，这样才能真正理解地球早期的气候到底是什么样的。

一维模拟相当于对大气进行水平方向的“切片”，然后观察太阳辐射如何通过这些“切片”，并经过地面反射返回。华兹华斯介绍道，这种方法对于评估某一种温室气体的效应和强度来讲，确实很有用，但是当你想研究气候真实样子的时候，这种方法就未免太过于理想化了。

三维模拟方法将地表热量传输添加了进来。同时，还考虑了其他因素，比如风和云层的影响。卡斯汀感叹：“3D模拟方法实在很复杂。”

2012年12月，弗伊尔纳和同事们在《地球物理研究快报》上发表了第一份关于太古宙气候的三维综合模拟研究。弗伊尔纳坦言，研究人员对于三维模拟方法非常谨慎，因为很多因素都还是未知的，这些因素很可能对于最终结果起不到什么作用。但是弗伊尔纳同样也表示，在一维模拟方法中有两个没有考虑在内的因素，在三维模拟中起了大作用——地球自转和海冰。

由于太古宙时地月距离比较近，导致地球的自转速度比现在要快，可能当时的一天只有15个小时。我们知道地球上的热量通过大气和海洋，从热带地区传递到极地地区。而更快的自转速度会改变热量的传输方式。海冰对气温的影响则在于，它会比陆地和海洋反射更多的太阳光线，这无疑会使地球变冷。

在研究早期地球保持温暖所需二氧化碳量的问题上，如果采用简单的模拟方法，则会与目前的一些地球化学证据出现矛盾。而如果将自转、海冰等因素考虑在内，得到的模拟结果是简单模拟方法结果的7倍。当然，这只是其中一项研究的一个结果。弗伊尔纳相信，随着其他团队也开始使用3D模拟，我们将会对早期太阳疲乏悖论有一个更好的理解。

开辟疆土

随着气候科学家们研究地球在太阳疲乏时期里如何保持温暖，他们也自然而然地扩展了可适宜居住星球的定义。

目前寻找太阳系以外有生命存在的星球，是基于寻找理论上的可居住地带来进行的。理论可居住地带是指恒星周边存在液态水的区域。“现在我们可以将这个可居住区域的范围划得更广。”戈德布拉特表示，如果行星的大气层中有大量的氮气或氢气，这个行星的温室效应就比我们原先预想的要高很多。同时，华兹华斯也补充道，即使它是不围绕任何恒星旋转的“自由主义者”，如果它的大气化学成分符合的话，也可能拥有液态水。

当然，到目前为止，这些都只是推测。这些“行星猎手”们还需要进行一系列详细计算，才能确定太阳疲乏悖论的研究结果是否也能应用到寻找外太空生命的伟大事业当中。 WQ9OUvjmfDs6bMYsx8KbIeIcNi8vFULTPSRUW7s21aLwCGmbuUem3wuqPQCQ2wvg