40 亿年前太阳比现在黯淡许多，是不是地球的温度也比现在低很多？
这是一个非常有趣且重要的问题，涉及到地球生命起源和演化的关键因素。答案是：是的，大约 40 亿年前的地球温度比现在低很多，尽管当时的太阳比现在黯淡。
这看似矛盾，背后隐藏着地球早期历史中一个被称为 “年轻太阳悖论” 的科学难题，以及地球自身复杂的反馈机制。让我们来详细探讨一下：
1. 年轻太阳的亮度之谜：
恒星演化理论： 根据我们对恒星演化的理解，年轻的恒星（就像 40 亿年前的太阳）确实比成熟的恒星要暗淡。这是因为恒星在其生命早期，核心的氢聚变速率相对较低，能量输出也较小。随着时间的推移，太阳的核心积累了更多的氦，聚变反应效率会逐渐提高，亮度也会随之增加。
实际数据： 科学模型预测，40 亿年前的太阳亮度可能只有现在的 70% 左右。这意味着地球接收到的太阳辐射总量会大大减少。
2. 早期地球的温度挑战：
低太阳辐射的后果： 如果地球接收到的太阳辐射减少了 30%，并且没有其他因素抵消，那么地球的平均温度确实会远远低于冰点，可能变成一个被冰雪覆盖的星球。在这种环境下，液态水的存在将非常困难，更不用说生命的起源和繁衍了。
3. 地球如何“反击”？—— 温室效应是关键！
科学界经过长期的研究和辩论，提出了多种解释来解决这个“年轻太阳悖论”，其中最主要的因素是 强烈的温室效应。
早期地球的大气成分： 早期地球的大气成分与现在截然不同。当时，大气中可能富含大量的 二氧化碳（CO₂），这是一种非常有效的温室气体。火山活动在早期地球非常活跃，不断释放出大量的 CO₂ 和水蒸气。
温室气体的作用： 温室气体能够吸收地球表面反射的长波辐射（红外线），并将部分辐射重新辐射回地球表面，从而起到保温作用。即使太阳的能量输出较低，足够浓厚的温室气体层也能将地球维持在一个相对温暖的温度范围内。
CO₂ 的浓度： 研究表明，早期地球大气中的 CO₂ 浓度可能比现在高 数百到数千倍。这种极高的浓度足以产生强大的温室效应，抵消了太阳低亮度的影响，使得地球能够保持液态水。
其他温室气体： 除了 CO₂，早期的地球大气中也可能存在其他温室气体，如甲烷（CH₄）和水蒸气（H₂O），它们也都对温室效应有贡献。
4. 其他可能的贡献因素（虽然不如温室效应重要）：
地球内部热量： 早期地球的地质活动更加活跃，例如放射性衰变产生的热量以及地球形成初期残留的热量，可能对地表温度有一定的影响。然而，这些内部热量主要影响地壳和地幔的温度，对地表大气的保温作用相对有限，无法与强大的温室效应相比。
更小的地球半径（假设）： 有一些早期理论推测地球的半径可能比现在小，但这个观点尚未得到广泛证实，并且其对温度的影响也不如温室效应显著。
更强的磁场（推测）： 早期地球的磁场可能比现在更强，这有助于阻挡太阳风，保护大气层免受剥离。虽然这对于大气的长期存在很重要，但对抵消太阳低亮度的影响则作用较小。
5. 地球温度的变化与生命演化：
维持液态水是关键： 早期地球能够维持液态水，这被认为是生命起源的必要条件。科学家们相信，大约 40 亿年前（冥古宙晚期）地球就已经出现了液态水，并且开始了生命的萌芽。
温度的调节： 随着时间的推移，太阳的亮度逐渐增加。同时，随着地球生命的演化，特别是蓝藻等光合作用生物的出现，它们开始消耗大气中的 CO₂ 并释放氧气。
碳酸盐硅酸盐循环： 地球还有一个重要的 碳酸盐硅酸盐循环 机制，可以在长期内调节 CO₂ 的含量。例如，岩石风化会消耗 CO₂，而火山活动会释放 CO₂。这个循环有助于稳定地球的长期气候。
气候变化： 尽管温室效应在早期帮助地球维持了温暖，但地球的气候并非一成不变。早期地球也可能经历过剧烈的气候变化，例如可能存在过被称为“雪球地球”的极端冰期事件，尽管这些事件的时间点和具体原因仍在研究中。
总结来说：
40 亿年前，太阳比现在黯淡许多，接收到的太阳辐射能量更少。然而，地球大气中极高浓度的温室气体，特别是二氧化碳，通过强大的温室效应，有效地将地表温度维持在一个相对温暖的水平，足以允许液态水的存在，并为生命的起源提供了条件。 换句话说，早期地球就像被一个厚厚的“保温毯”包裹着，这个“保温毯”就是当时的浓厚温室气体。随着时间的推移，太阳亮度增加，而地球的温室气体浓度也可能发生变化，共同塑造了我们今天所见的地球气候。
这看似矛盾，背后隐藏着地球早期历史中一个被称为 “年轻太阳悖论” 的科学难题，以及地球自身复杂的反馈机制。让我们来详细探讨一下：
1. 年轻太阳的亮度之谜：
恒星演化理论： 根据我们对恒星演化的理解，年轻的恒星（就像 40 亿年前的太阳）确实比成熟的恒星要暗淡。这是因为恒星在其生命早期，核心的氢聚变速率相对较低，能量输出也较小。随着时间的推移，太阳的核心积累了更多的氦，聚变反应效率会逐渐提高，亮度也会随之增加。
实际数据： 科学模型预测，40 亿年前的太阳亮度可能只有现在的 70% 左右。这意味着地球接收到的太阳辐射总量会大大减少。
2. 早期地球的温度挑战：
低太阳辐射的后果： 如果地球接收到的太阳辐射减少了 30%，并且没有其他因素抵消，那么地球的平均温度确实会远远低于冰点，可能变成一个被冰雪覆盖的星球。在这种环境下，液态水的存在将非常困难，更不用说生命的起源和繁衍了。
3. 地球如何“反击”？—— 温室效应是关键！
科学界经过长期的研究和辩论，提出了多种解释来解决这个“年轻太阳悖论”，其中最主要的因素是 强烈的温室效应。
早期地球的大气成分： 早期地球的大气成分与现在截然不同。当时，大气中可能富含大量的 二氧化碳（CO₂），这是一种非常有效的温室气体。火山活动在早期地球非常活跃，不断释放出大量的 CO₂ 和水蒸气。
温室气体的作用： 温室气体能够吸收地球表面反射的长波辐射（红外线），并将部分辐射重新辐射回地球表面，从而起到保温作用。即使太阳的能量输出较低，足够浓厚的温室气体层也能将地球维持在一个相对温暖的温度范围内。
CO₂ 的浓度： 研究表明，早期地球大气中的 CO₂ 浓度可能比现在高 数百到数千倍。这种极高的浓度足以产生强大的温室效应，抵消了太阳低亮度的影响，使得地球能够保持液态水。
其他温室气体： 除了 CO₂，早期的地球大气中也可能存在其他温室气体，如甲烷（CH₄）和水蒸气（H₂O），它们也都对温室效应有贡献。
4. 其他可能的贡献因素（虽然不如温室效应重要）：
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更小的地球半径（假设）： 有一些早期理论推测地球的半径可能比现在小，但这个观点尚未得到广泛证实，并且其对温度的影响也不如温室效应显著。
更强的磁场（推测）： 早期地球的磁场可能比现在更强，这有助于阻挡太阳风，保护大气层免受剥离。虽然这对于大气的长期存在很重要，但对抵消太阳低亮度的影响则作用较小。
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碳酸盐硅酸盐循环： 地球还有一个重要的 碳酸盐硅酸盐循环 机制，可以在长期内调节 CO₂ 的含量。例如，岩石风化会消耗 CO₂，而火山活动会释放 CO₂。这个循环有助于稳定地球的长期气候。
气候变化： 尽管温室效应在早期帮助地球维持了温暖，但地球的气候并非一成不变。早期地球也可能经历过剧烈的气候变化，例如可能存在过被称为“雪球地球”的极端冰期事件，尽管这些事件的时间点和具体原因仍在研究中。
总结来说：
40 亿年前，太阳比现在黯淡许多，接收到的太阳辐射能量更少。然而，地球大气中极高浓度的温室气体，特别是二氧化碳，通过强大的温室效应，有效地将地表温度维持在一个相对温暖的水平，足以允许液态水的存在，并为生命的起源提供了条件。 换句话说，早期地球就像被一个厚厚的“保温毯”包裹着，这个“保温毯”就是当时的浓厚温室气体。随着时间的推移，太阳亮度增加，而地球的温室气体浓度也可能发生变化，共同塑造了我们今天所见的地球气候。
网友意见
2020年6月更新，FYSP 被认为已经不再是一个悖论，该问题学术界已经解决。
这个问题是著名的“Faint Young Sun Paradox” （暗淡年轻太阳悖论?）。因为太阳内部核聚变过程，太阳亮度随着年龄增加而不断上升，在过去46亿年里每一时间点的太阳亮度可以用一个简单公式来估算： ， 代表过去的时间以10亿年（Gyr）为单位， 和 分别代表太阳亮度在 以前和今天太阳亮度。比如说，40亿年前 ，插入公式后得到 ，说明40亿年前太阳亮度比今天低 26%。
如果把和现代一模一样的大气成分复制到40亿年前的地球，地表平均温度会降低到-30-40℃以下。但这和30-40亿年前的地质记录不符合，因为当时地表已经发展出了海洋和生态圈，怎么说也得在>0℃。为了解决这个问题就提出了很多假说。这里稍微介绍一下：
- 太古宙大气中含有更大量 ，相比之下今天大气 。受碳循环控制，在40亿年前 可能会达到现在的1000倍，增强反向风化和减弱大陆风化共同维持了高（Krissansen-Totton, Arney & Catling, 2018; Isson & Planavsky, 2018）。陆地面积是在30亿年前之后才开始大规模生长的。
- 在早期大气还没有氧化时，可能还含有其他比如甲烷和氢气这种还原温室气体（Sagan and Mullen, 1972）。1% 甲烷含量配合100倍现代 也可以保证温暖气候（Krissansen-Totton, Arney & Catling, 2018）。或者，在仅有10倍现代，2-3倍巴尔氮气和10% 氢气足以温暖地表（Wordsworth & Pierrehumbert, 2013）。
- 地球在太古宙快速自转时会减少全球云覆盖率和减弱冰雪反馈，再加上当时可能没有大陆面积（海洋反照率0.06，大陆在0.2-0.4），使得当时地球整体反照率比现代低很多，所以地球系统可以吸收更多的太阳能量（Jenkins, Marshall & Kuhn, 1993; Rosing et al., 2010; Spalding & Fischer, 2019）。
- 标准的太阳演化模型可能是错的，早期太阳亮度实际上并没有这么低。如果5% 原始太阳质量在活跃阶段被太阳风和日冕物质抛射时喷出去了，不考虑这5% 质量会严重影响太阳的演化经历模型，比如说FYSP就不存在了（Minton & Malhotra, 2007）。但这个模型并不受欢迎，而且基本可以被排除。原因在于它要求很大程度的fine-tuning（the parameters of a model must be adjusted very precisely in order to fit with the observations），其他太阳类恒星早期的质量损失率也不足够达到5%（Drake et al., 2013）。
比FYSP难得多的是Early Mars Climate Paradox（早期火星气候悖论?）。当时火星接受的辐射量甚至比传统宜居带允许的下限还低，然而地表却有发达的河流、湖泊和海等复杂的水文系统，单纯高 完全解释不了的现象，必须要求其他大气成分。
单开个答案：还得考虑地球内部放射性核素衰变产热的贡献，具体多少得计算了才知道。
根据这个答案：https://www.zhihu.com/question/310963644，地球内部产热功率是 ，其中衰变热大约占80%也就是 左右，其余20%是引力收缩热。
而地球接受的太阳辐射总功率是 ，也就是说地球内部产热功率只有接受太阳辐射功率的万分之五左右，基本可以忽略不计了。
但是几十亿年前呢？那时的放射性核素衰变热肯定比现在高。
大概估算一下：衰变热绝大多数是由铀238、铀235、钍232、钾40这四种长寿命核素贡献的。
铀238整个衰变链总产能是51.7MeV，铀235是46.4MeV，差不太多。然而铀238的半衰期是45亿年，铀235是7亿年，也就是说铀235的衰变速度是铀238的6倍多，衰变热功率应该也是铀238的6倍左右，这两者总的贡献按99.3+0.7*6，是103.5；40亿年前的铀238总量是现在的2倍不到，大概1.85倍，铀235则有现在的52倍左右，加起来是99.3*1.85+0.7*6*52=402，总共是现在的4倍左右。
钾40的半衰期是12亿年，40亿年前是现在的10倍左右。不过钾40的衰变热只有1.3或1.5MeV，丰度则和铀差不多，因此总的贡献很小。
钍232整个衰变链产能是42.6MeV，半衰期140亿年，因此衰变热功率应该是铀238的1/3左右。40亿年前比现在也就多20%，变化不大。但是钍232的丰度比铀高一些，总的贡献应该和铀相当。
综合以上，40亿年前放射性核素总的衰变热大概是现在的两三倍；高票答案则指出40亿年前的太阳辐射功率只比现在低26%，则当时衰变热大概占太阳辐射的千分之一到千分之二，肯定小于地表反照率变化、大气温室效应等造成的波动。
结论：还是基本可以忽略不计。
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