云可能是早期地球为什么没有结冰的关键

困扰科学家近50年的早期地球气候悖论可能有了新的解决方案。

卡尔·萨根（Carl Sagan）和他的同事乔治·马伦（George Mullen）于1972年首次提出的所谓“年轻的太阳悖论”是指地球在40多亿年的前半段时间里有液态海洋，尽管太阳年轻时的亮度可能只有现在的70%。

较低的太阳光度本应使地球的海洋变冷，但在地球的地质记录中有充分的证据表明，当时地球上有液态水和生命。

在过去的几十年里，科学家们提出了几种可能的机制，这些机制可能使地球保持足够的温暖，从而在我们星球的早期历史中防止水结冰，这段时间被称为古代。但就在科学家们认为他们已经解决了这个悖论的时候，其他研究人员却提出了另一种解释或解释，解释为什么之前的建议不起作用。

宾夕法尼亚州立大学的大气科学家Jim Kasting说：“它不断浮出水面。”他对20世纪80年代和90年代的太阳悖论提出了自己的解释。这一解释涉及温室气体效应，它本可以使地球保持温暖，“类似于今天使地球变暖的人类驱动效应”。其他科学家在20世纪70年代首次提出的早期温室效应，其规模将比当前的气候变暖大得多，理论计算表明，当时地球大气中约30%由二氧化碳组成。相比之下，今天地球大气层的二氧化碳含量约为0.038%。

丹麦哥本哈根大学的Minik Rosing说，早期地球上强大的温室效应是矛盾的“显而易见的解决方案”。罗辛和他的同事们为4月1日出版的《自然》杂志上详细描述的看似悖论提供了一个新的解释。

二氧化碳限制

为了了解太古宙中二氧化碳（CO2）的实际浓度，罗辛和他的团队分析了格陵兰岛西部世界上最古老的沉积岩Isua中38亿年前的岩石样本。

这些样本包含被称为带状铁构造（BIF）的特征，这些特征在地球年轻时大量形成，但此后就没有了。这些IF含有某些富含铁的矿物，这些矿物为它们形成的大气环境提供了线索。

“对大气中二氧化碳含量的分析，可以从古老的岩石中推断出来，表明当时的大气中最多含有千分之一的这种温室气体。这比今天的大气中的二氧化碳含量高出三到四倍。然而，在早期地球历史上，这一比例一直是理论计算的30%罗辛说。

因此，罗辛和他的同事们寻找了另一种可以解释这一悖论的途径。

关于反照率

部分决定地球温度的因素之一是地球表面和大气反射回太空的入射阳光量，称为地球的反照率。不同类型的表面反射或吸收不同数量的光“例如，冰具有高度反射性，而开阔的海洋具有高度吸收性。

罗辛和他的团队研究了对早期地球反照率的两种可能影响：地球表面的陆地数量和大气中的云量。

地质学家还没有确定地球大陆是何时首次形成的，但地幔热岩石中的放射性示踪剂可以帮助确定地球地壳的形成速度，从而暗示有多少陆地暴露在海洋之上。

罗辛和他的同事认为，早期地球上的大陆面积较小，而且由于海洋比陆地更能吸收阳光，地球的反照率会略低，这意味着地球表面吸收的阳光会比今天略多。

更大的影响可能是早期地球的云层变薄，这可能会让更多的阳光穿过大气层到达地表。

罗辛说：“地球童年时期缺乏云层的原因可以通过云层形成的过程来解释。”

构成云的水滴通过凝结成微小的颗粒而形成，这些颗粒被称为云凝结核，其中许多是藻类和植物产生的化学物质，而当时地球上并不存在这些物质。

罗辛和他的团队通过观察当今海洋中几乎没有生物活动的区域和云层，得出了这一结论，这“表明这些地方的云层是不同的”，因此早期地球的云层可能是相同的。

任何真正形成的云都会有更大的水滴“在云凝结核供应不足时出现”，“这些水滴对阳光更透明，因此可以让更多的水滴到达地球表面，使其保持温暖。”

因此，大陆面积较小和对阳光更透明的锐气层的结合可以解释为什么地球没有结冰，尽管阳光量较小。

但对于所有研究过这个问题的科学家来说，这种解释可能并不能解决矛盾。

潜在争议

卡斯廷为这项新研究写了一篇社论，也发表在《自然》杂志上，他对这一悖论的解释提出了几点批评。

他发现这项研究中最有趣的部分是对BIF的分析，以确定古代大气中的二氧化碳含量。

“但我认为这将是有争议的，”卡斯廷告诉太空网，因为其他研究人员观察了同一块岩石，对二氧化碳含量得出了完全相反的结论，这表明它所含的二氧化碳远远超过了罗辛和他的团队得出的结论。

为了一劳永逸地解决这个问题，地球化学家需要提出一个模型来解释BIF是如何形成的，这是迄今为止方程中所缺少的。

卡斯廷也不确定较薄的云层能否解释这个悖论。

他说：“我对云反馈机制并不那么买账。”他说，这在一定程度上是因为较薄的云层将地球提升到的温度并不像科学家们认为的太古宙时期的地球那么温暖。“它几乎不会让你达到冰点。”

罗辛反驳说，并不是所有的科学家都同意早期地球是一个非常温暖的地方的证据。

因此，尽管这项新研究为早期地球免于结冰提供了一个合理的解释，但这一悖论不太可能在短期内得到解决。

卡斯廷说：“我们一直在解决这个问题，但有人走过来告诉你，你没有解决好。”他补充道，尽管如此，其他研究已经在进行中，并对年轻的太阳悖论做出了其他可能的解释。