科普小知识:地球上为什么会有水?

虽然太阳似乎是亘古不变的,这就像天上的其他星星一样。事实上,太阳的年龄只比地球大一点,并且就像每颗恒星一样形成于由气体和尘埃组成的恒星摇篮之中。

随着我们对恒星演化的了解,我们知道恒星随着年龄的增长而逐渐变暖。数十亿年前,我们太阳的光度大约是今天的70%。这意味着年轻的地球接收到来自太阳的热量要比现在少。由于热量少很多,这不足以使当时的地球能维持液态的存在。但地质证据清楚地表明,年轻的地球也存在有海洋。

上图的横坐标为距今的时间(单位:十亿年),纵坐标为相对于今天的太阳光度

这就是所谓的黯淡太阳悖论,而它仍然是一个巨大的挑战。在过去的几十年里,我们知晓了大气成分可以极大地影响星球表面温度。虽然金星比地球更暖,但它厚厚的大气层使其比更接近太阳的水星更热。另一方面,由于火星曾经拥有更厚的大气层而在其表面存在液态水。

虽然地球在过去确实拥有更厚的大气层,但这并不能完全解释年轻的地球上存在海洋。不仅仅只是大气的厚度,还有大气的组分对地球表面温度起到了至关重要的作用。甲烷和二氧化碳等温室气体能有效地束缚住太阳的热量,这要远远超过其他化合物。然而,对取自被岩石困住的年轻地球大气进行检测表明,当时的甲烷和二氧化碳水平不足以维持地球上存在液态水。

对此,一种可能的解释是地球的早期大气中含有大量的氢分子。而今天我们的大气层中所含的氢则很少。氢的密度很小可以很容易地从地球大气层中逃逸,但在紫外线的帮助下亦会如此。由于年轻的太阳较冷,它产生的紫外线也较少,这使年轻地球上的氢分子更难以逃脱。虽然氢气并不是一种特别强烈的温室气体,但它可以滞留热量。作为浓厚的氮气氛大气层的一部分,这足够维持早期地球的海洋。

还有其他想法认为年轻太阳产生更猛烈的耀斑帮助使地球大气变得更暖,或者来自距离比现在更近的年轻月球的潮汐加热导致了地球变得更温暖。

对此,目前没有确切的答案。因此,自开天辟地以来,黯淡太阳悖论仍然是一个挑战。

下次我们将要讨论的另一大天文悖论是:宇宙射线非常强大。宇宙射线所拥有的能量存在一个上限,那为什么我们观测到宇宙射线所拥有的能量却超过那个上限?

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