黯淡年輕太陽（Sun）的矛盾(下)

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

行星大氣的調節機制

行星的大氣像是一個有機體，當環境改變時（例如太陽輻射減弱），大氣本身產生相對的回饋作用，或是增強、或是減弱環境改變時所產生的效應。基本上，當太陽輻射減少了30%，地球由於受熱減少，表面溫度會隨之下降。

不過，要注意的是：太陽輻射所減少的30%，並不是直接反應在地球表面的溫度改變上。地球表面的溫度決定於能源（熱）流進與流出的收支平衡。流進地球的輻射量，正比與太陽發出的輻射量，但是流出的輻射量卻與地球表面溫度的四次方有關。如果沒有任何其他的回饋機制，太陽輻射減少30%，會導致地表溫度降低7%。

地球影響氣候的各種回饋機制彼此牽扯糾纏、相當複雜。但是有主要兩個因素是可以被確認。其一是反照率（albedo），二是溫室效應。

反照率是指陽光照射在地球（行星、小行星…也是一樣）上，被地球反射的比率，而這些被反射回太空中的太陽輻射並不會加熱地球。因此，較高的反照率，意味著較冷的氣候；相對的，較低的反照率，意味著較熱的氣候。

例如當太陽輻射增加時，將覆蓋在高緯度高雪溶解、減少，而雪是高反照率的，表示地表的反照率降低了。另一方面，地球被加熱時，所增加的蒸發效應，使得覆蓋的雲層增加，而雲層屬於高反照率，增加了雲層的反照率。總結來說，這方面的回饋機制，實際上並不會成為主導地球表面溫度變化的因素。

地球大氣的溫室效應，指的是地球大氣中有一些二氧化碳之類的氣體，像溫室（花房）一樣阻擋了熱的散失，使得地球表面溫度增加的效應。太陽輻射通過大氣加熱地表，地表所發出的熱理應散逸在太空中。但如果大氣中有二氧化碳、水氣、甲烷…之類的「溫室氣體」，會吸收地表發出的熱，使得這些熱不至於散失在太空中。在目前，如果地球大氣沒有任何溫室效應，地表的平均溫度會降低30℃左右。

只要大氣中的二氧化碳含量增加，就會增強溫室效應，使得地球表面的溫度增高。近年來，由於人類大量使用化石燃料，產生的二氧化碳散入大氣。科學家因此憂心重重，擔心大氣中的二氧化碳含量過多，造成全球過度暖化，使得極區冰原大量溶解，海水上升，淹沒沿海的陸地與城市，使生類居住與生態環境產生巨大變化，威脅了陸地生物的生存與發展。

科學家估計，如果將封存在地球內部的二氧化碳全部釋放到地球大氣中，則地球便會成為像金星一樣，有著95%以上二氧化碳的濃密的大氣，成為一個熾熱與大氣壓力巨大的星球。

目前，地球大氣中的溫室氣體主要是二氧化碳與水氣。但是，其他的溫室氣體，例如甲烷、氨等，在地球過去的四十億年中，可能扮演了重要的角色。

溫室回饋效應的遠比反照率的回饋效應複雜，尤其在生命存在的時期，因為生物的光合作用與呼吸作用，會消耗與產生二氧化碳。

木星衛星

在黯淡的太陽照耀下，並不一定會造成冰封的行星，目前的木星衛星便是有趣的例證。木星衛星與太陽的距離，是地日距離的五倍，接收的太陽輻射只有地球的1/25。加上體積小，照理說早該成為一個像我們月亮一樣，成為幾乎沒有任何地質活動的冷寂世界。但是，太空船就近探測的結果，卻發現木星四大衛星卻有著與月亮完全不同的環境。其中艾歐（Io）仍有劇烈的地質活動，也觀測到爆發中的火山，其地質年齡是目前太陽系中已知最年輕的。另一衛星歐羅巴（Europa）的表面地形特徵，讓科學家相信地下極可能有冰洋存在，這些證據都顯示，行星的溫暖程度，除了太陽輻射強弱的影響外，還有其他因素。

黯淡古太陽之謎的其他解釋

對於地球、火星與金星，在數十億年前黯淡太陽的照耀下，為什麼沒有形成一個完全冰封的世界。最合理的解釋便是當時的溫室效應比目前還要強，除了二氧化碳以外，其他的溫室氣體可能也扮演了重要的腳色。

在地球早期，如果沒有其他機制發生，則當太陽逐漸明亮更熱以後，溫室效應理應加強，讓今日地球的溫度更熱而不適合生命的生存與發展。科學家認為生命的發生與發展，將二氧化碳轉化成氧與有機物，降低了大氣中二氧化碳的含量，也降低了溫室效應的作用。

目前對地球大氣溫釋效應由過去至今種種的解釋，仍無法讓科學家滿意，仍然有待努力探求。也有人提出一些「超自然」的解釋，像是大地之母蓋亞（Gaia）假說，認為地球行星本身會自我調節機能，讓溫度大致維持一定。
當然，如果古太陽的溫度比較高，也能夠解開這個矛盾。一批天文學家嘗試觀測其他極年輕的太陽型恆星，看看它們的表面溫度是否比較高。

美國加州理工噴射推進實驗室的天文學家賈道斯（E. J. Gaidos）等人使用特大陣列（Very Large Array，VLA）、波長3.6公分的微波，在1999年2月觀測一顆鄰近的太陽型恆星大熊座π1星，來測試太陽光度演化的理論。如果大熊座π1可以類比太陽的話，研究人員希望能夠對古太陽的光度與地球表面溫度之間的矛盾，有一個合理的解釋。

研究人員認為，恆星磁場的活躍與其自轉週期長短有關，不同的日冕活動也隨著年齡增加而遞減。如果年輕太陽有著較高的物質流失率，而恆星光度與質量關係非常靈敏，暗示著年輕太陽的光度與質量流失率高，原有的質量比較大，光度也就比較強，也就可以解釋古太陽的溫度要比較高。第二項暗示則為原始太陽的質量比較大，地球與太陽的距離就比較近，那麼地球也就應該溫暖些。

恆星風隨著磁場流失，恆星的磁場強弱影響著恆星風的強弱，而恆星風的強弱又關係著恆星質量的流率。通過恆星風所流失的質量，在恆星周圍形成豐富的物質，足以發出可偵測到的微波。他們認為早期太陽質量比較大，太陽風也比較強。隨著太陽風的衰減，太陽物質流失率也跟著降低，所以周圍行星的溫度得以維持穩定。

研究人員估計，如果恆星風夠強，周圍的物質濃密，發出的微波強度或X光，可以被偵測到。但是依據觀測的結果，大熊座π1的年齡約為3億年，質量每年的流失率約為一千億分之一個太陽質量，累積40億年的話，將流失整體的6%。很難說，對解開黯淡古太陽的矛盾有何助益。

當我們在為生活忙碌，爭取成績、績效時，竟然還有一批人在為數億年前古太陽的光度爭論。不論爭論的結果如何，都有助於人類知識的累積，有助於我們對太陽的了解，有助於在遙遠的未來對環境變化的因應。古太陽光度黯淡之謎，在過去二十年來，科學家一直在爭論這個問題，讓我們由另一個觀點來看太陽與地球的過去與現在。

參考網頁與資料：
http://exobio.ucsd.edu/Space_Sciences/faintyoungsun.htm
http://www.icr.org/pubs/imp/imp-300.htm
http://www.talkorigins.org/indexcc/CE/CE311.html
http://www.personal.psu.edu/users/n/l/nld124/
http://www.earthsci.unimelb.edu.au/mars … x_FYS.html
Gaidos, Gudel, Blake, Geophys Res Lett. 2000 Feb 15;27(4):501-3.