黯淡年輕太陽（Sun）的矛盾(上)

黯淡年輕太陽（Sun）的矛盾(上)
國立台灣師範大學地球科學系傅學海副教授責任編輯

推理與常軌衝突時，科學家總是想要找出解決矛盾知道，最近十年來，天文學家與地球科學家都在探討的「黯淡年輕太陽矛盾」議題，便是屬於這類推理與常軌衝突的情形。

太陽穩定的發出光與熱，維持了地球上的氣候穩定，讓生命持續發展。但是想想看，如果太陽的輻射量減少了少了30%的太陽輻射，會發生什麼事？

穩定，是非常重要的因素。太陽，穩定的太陽，提供地球上生命所需要的光與熱。如果太陽所發出的光與熱增加或減少30%，一定會對地球的生態環境造成巨大的影響。如果太陽的光度降至目前的70%，而地球的熱能支出沒有相對減少的話，地球的表面溫度一定會降低，而且低至冰點以下，整個地球將成為一個冰封的世界，成為一個冰凍的星球。

天文學家依據恆星結構與演化的理論推算，太陽在四十多億年前的光度大約為目前的70%，當時的地球應該很冷，不適合生命的發生與發展，這與我們所知的地質證據並不一致，形成天文學家所說的「黯淡年輕太陽的矛盾」。
這矛盾也發生在金星與火星的地表與大氣中。

地球上的矛盾證據
「凡走過的必留下痕跡」，就像目前熱門的電視影集「犯罪現場」（CSI）一樣，大自然在地層中留下了過往事件的痕跡。科學家從地質現象中尋找這些線索，藉以了解早期地球的環境，包括古老地球的溫度。
太陽，目前的太陽，表面溫度約為攝氏6000度，穩定的發出光與熱，溫暖了地球，但是太陽在剛形成時的光度卻沒有這麼亮。依據恆星標準模型，原始太陽形成以後，經過四十多億年，光度已經增加了30%。目前，整個地球的平均溫度約為15℃，；依據太陽在四十多億年前所發出的光度推算，當時地球的平均溫度為攝氏零下15度，應該是一個冰封的星球，應該不利於生命的發生與發展。但是依據地質與化石紀錄，古老時期的地球並沒有那麼寒冷，沉積岩也顯示那時有流動的液態水。地質證據與標準模型之間的衝突，讓科學家重新思考太陽光度的演化理論，或者地球大氣的演變情形。

無論如何，科學家估計地球在六億年前的冰河年代，約有一千萬年的時間呈現冰封狀態，冰覆蓋了海洋，形成一公里厚的冰層，隔絕了海洋與大氣。顯示地球表面的溫度變化不僅僅與太陽輻射量的多寡有關，還有其他的重要因素影響了地球的溫度。

地球、火星與金星大氣現況與演化
科學家認為，在太陽系形成初期，行星的大氣成分應該大致相同，與原始太陽星雲一樣，主要成份為氫、氦、氧、二氧化碳、水、甲烷（CH4）、氨（NH3）等。隨著歲月流逝，發展出各自獨有的大氣。

雖然地球、火星與金星源出同門，但是經過數十億年的演變，已經各自發展成「個性迥異的風格」。在目前，地球、火星與金星的大氣成分與壓力都差異很大。地球大氣的主要成份為氮與氧，以及少量的二氧化碳、水氣等。金星大氣的主要成份為二氧化碳（96%），平均大氣壓力為地球的90倍，相當於海洋一公里深處的壓力。火星的大氣主要成份也是二氧化碳（95.3%），但是卻非常稀薄，大氣壓力還不到到地球的1%。火星大氣稀薄，所以保溫作用低，導致晝夜的溫差大，赤道附近的溫度白天可達到27°C，在夜晚可降至零下111°C。

金星與火星大氣的二氧化碳成分超過95%，地球大氣的主要成份卻是氮與氧，這其中的差異主要來自地球在30多億年前上出現了生命。地球上的生命進行光合作用與呼吸作用，經過數十億年的累積，改變了地球大氣成分，成為今日以氮、氧為主的大氣
陽光中的紫外線將甲烷、氨等分解成氫原子、碳原子、氮原子，碳與氧結合成二氧化碳，氮原子形成氮氣。氫原子形成氫氣，或與氧形成水。氫氣與氦氣質量比較輕，能夠「掙脫」地球，進入太空。經過數十億年，氫與氦早已逃逸、散失在太空中，只留下極微量的氦。氮氣比較重，無法有效逃脫地球的重力束縛，逐漸累積。而二氧化碳則經過一些地質作用，或被生物吸收，成為碳酸鈣，大量溶解在海洋中與沉積岩層（石灰岩）中。行光合作用的生物產生大量的氧，逐漸在大氣中累積，使今天的地球大氣中有充分的氧。

另外值得一提的是，陽光中的紫外線會與氧作用，形成臭氧。大約在四億年前，地球大氣中的氧氣累積到足夠的份量，形成臭氧層，有效阻擋了紫外線，水中生命開始往陸地發展，使得今天的陸地、海洋與大氣中，充滿了各種生命。

金星大氣的演變則是另一個故事，主要是金星離太陽太近了。金星與太陽的平均距離是日地距離的0.7倍，表示金星每單位面積所接收到的太陽輻射是地球的兩倍。就是這多出來的熱，使得金星表面的水與二氧化碳被蒸發的比較多，形成的「溫室效應」（見後文）比較強，使得金星表面比較熱。因而蒸發更多的水與二氧化碳，增強了溫室效應，…。如此「惡性循環」下，形成今日濃厚的金星大氣，溫度高達460℃，大氣壓力則達到驚人的90倍地球大氣壓力。許多科學家相信，如果金星與地球的位置對調，則地球也會形成濃厚的大氣，成為一個類似金星的星球，成為一個熾熱且被濃厚大氣籠罩的星球。

目前的金星大氣濃密，無法從太空中穿透雲層看見金星表面。美國太空暨航空總署發射麥哲倫號太空船，進入環繞金星的軌道，使用能夠穿透雲層的微波，照射金星表面，偵測、分析回波的訊號，描繪出金星全球的表面起伏，探討金星地形與地質結構。
相對的，火星距離太陽比較遠，所以接受的太陽輻射也比較少。加上火星的質量也比較小，表面重力比較弱，無法像地球或金星那樣有效的留住大氣中的分子，其溫室效應也比較小，因而形成今天的稀薄大氣。

溫室效應
參觀過花房或是室內植物園的人，大都可以感受到屋內的溫暖，即使在冬天室內也是溫暖如春似夏。這並不是暖氣機之類的裝置所提供的，而是「溫室效應」所造成的結果。如果留意的話，會發現花房的屋頂與牆壁都是玻璃。也就是說，整個花房是被玻璃所籠罩著，陽光可以穿透玻璃進入花房，但是花房吸收陽光變熱後，散發紅外線；紅外線卻無法穿過玻璃，因而被保留在花房內，形成溫暖的環境。車子受陽光曝曬後，車內被曬熱所發出的紅外線，也無法穿透車窗散熱，因此變得非常熱，這便是「溫室效應」的作用。

地球大氣的溫室效應比較溫和，全球平均溫度約為15℃。依據估計，如果地球大氣完全沒有溫室效應，則全球平均溫度會降至攝氏零下15度。近一個世紀以來，全球溫度驟升超過0.5℃，原因複雜，眾說紛紜，引起許多爭論。
有科學家認為是近數十年來，森林大火所致。但是有許多科學家認為是人類大量使用化石燃料與焚燒森林的結果，使大氣中的二氧化碳過度增加，溫室效應隨之加劇的結果。也有科學家認為地球大氣本身的二氧化碳含量有一個循環，目前正處於二氧化碳含量增加的過程中。雖然學術界仍然沒有獲得決定性的結論，但是卻都認為人類大量使用化石燃料，應該會對大氣中二氧化碳的增加有所影響。

火星的矛盾證據
火星的軌道半徑是地球與太陽距離的1.52倍，因此今日火星所接收的太陽輻射是地球的43%，使得火星要比地球冷。火星目前的平均表面溫度為-55℃，而且有一個稀薄的大氣，其中96%是二氧化碳，大氣壓力只有地球的0.65%，多數二氧化碳都凍結在火星寒冷的冬季極區中。

四十多億年前的火星，由於太陽比現在稍微黯淡一些，火星的日照只有目前太陽的30%，平均表面溫度約為攝氏零下77度，二氧化碳應該凍結在廣大的地區，使得火星大氣更加稀薄，大氣壓力小於地球大氣壓力的0.1%。
目前，火星太冷、大氣壓力過低，無法形成液態水。則早期的火星應該更冷、更乾燥，大氣也更稀薄。然而，我們觀察到火星表面有被液態水侵蝕的網絡結構與渠道。

目前美國有兩艘六輪探測車機會號與精神號，分別在火星的兩處探勘。探車車上有攝影機、地質錘…等儀器，可以廣泛而有效的探測當地的地質、地貌。種種跡象與證據，顯示在火星早期存在著液態水，曾經有流動的液態水，曾經有洪水肆虐氾濫過的情形，顯示古老的火星沒有預期中的寒冷。