进入最深的时间，暗淡的年轻太阳和地球的宜居性

太阳系并不总是像我们今天看到的那样。它是由一个物质在自身引力的影响下坍塌的星云形成的，一旦星云开始坍塌，事情就会发生得非常快。的初始阶段太阳系的形成大约在46亿年前完成。此时，太阳已经开始通过热核聚变产生能量;外部的气体巨行星和它们的冰卫星通过凝结形成，内部的行星通过较小的岩石星子碰撞形成，基本上已经完成。地球形成过程中的最后一次重大事件是45亿年前与一个火星大小的天体相撞，形成了月球，并可能在这个过程中融化了地球的原始地壳。所有这些碰撞都留下了大量的热量，在地壳稳定下来之前，这些热量必须被排出。为了确定消耗掉这些热量需要多长时间，我们必须了解行星损失能量的机制，以及能量损失的速度是如何取决于温度和大气成分的;这将在第三章和第四章发生。事实证明，行星几乎完全是通过向太空辐射红外光而损失能量的。虽然确切的损失速率取决于大气的性质，但所有的估计都表明，地球表面会迅速冷却到2000K，此时熔融的岩石会凝固;在没有大气层的情况下，这一过程需要1000年或更短的时间，而在有厚厚的大气层的情况下，这一过程可能需要长达200万年或300万年。

一旦固体外壳形成热的流动从地球内部到地表的热量急剧减少，因为热量在坚硬的岩石中扩散非常缓慢。在这种情况下，与从太阳接收的能量相比，来自内部的热量供应就变得微不足道了，地球已经陷入了这样一种状态:气候的决定过程与决定今天气候的过程大致相同:即从太阳接收能量的速度与由红外光辐射向太空损失能量的速度之间的竞争。raybet雷竞技最新这很可能是44亿年前的情况，如果不是更早的话。没有真正的岩石如此古老，但在澳大利亚西部的杰克山地层中镶嵌着有44亿年历史的锆石晶体。在邻近的纳勒尔片麻岩杂岩的37亿年前的地壳岩石中也发现了类似年龄的锆石。这些晶体提供了无可争辩的证据，证明至少存在某种与我们今天看到的非常相似的大陆地壳;它们也提供了令人信服的尽管不太确定的证据，证明与早期大陆地壳接触的液态水的存在。液态水的存在本身并没有对温度造成很大的限制，因为即使在超过500开氏度的温度下，只要有外力的压力，水仍能保持液态大气中的水蒸气足够高了。解决这个问题所需的热力学将在第二章中介绍。然而，锆石化学成分的某些方面表明，它们与温度为100℃或更低的近地表水相互作用。到44亿年前，地球似乎不再是一个熔化的火山地狱。

气候演化的精确性质在4.5到raybet雷竞技最新38亿年几年前的事现在已经不清楚了。根据大气的组成，地表温度可能高达200摄氏度，也可能低到足以导致海洋(如果有的话)完全冻结，气候很可能在两个极端之间剧烈波动。raybet雷竞技最新此外，农历的日期陨石坑表明地球很可能在41亿至38亿年前经历了一段星际碎片的猛烈轰击;一般认为，这种晚期的猛烈轰击也影响了太阳系内部的其他部分，尽管这还远远不能确定。在此期间，撞击所带来的能量很容易就足以使地表温度偶尔超过100摄氏度，使任何新生的生态系统绝种。生命，如果有的话，可能在深海避难所发动并赢得了一场生存之战。

38亿年前，面纱开始揭开。这是今天在伊苏亚发现的最古老的完整岩石的年龄绿岩带格陵兰岛。这些岩石的出现标志着冥古宙，和黎明太古代eon．伊苏亚组中37亿年前的页岩遗迹显示出开阔水域沉积物沉积的明确迹象。更有趣的是，这些页岩富含有机碳，而这些碳保存了一种通常与微生物活动有关的化学特征——生命。南非的Barberton组和澳大利亚的Warrawoona组都有大约35亿年的历史，含有被称为叠层石的层状碳酸盐沉积结构，后来人们知道这些结构是由微生物垫层沉积的。这并不是一个明确的生命迹象，因为无机过程还能产生叠层石样的特征。尽管如此，早期的叠层石的确需要开阔的池塘水蒸发到空气中。Barberton组和Warrawoona组也含有细菌化石的微观特征，尽管不是毫无疑问的。

随后十亿年的地表条件记录几乎是不间断的，但是可以追溯到这一时期的保存下来的岩石通常显示出一种沉积特征，这种沉积特征最容易用在开放的、未冻结的海洋中沉积来解释。第一批真正无误的微生物化石可以追溯到26亿年前，它们在南非开普省的坎贝尔地层中被发现，并证明了开放水域条件具有适中的温度。大约在这个时候，我们告别了太古宙，然后进入元古宙这可以追溯到5.44亿年前动物生命的出现。某些细粒硅基沉积岩被称为硅质岩，它们保存着过去温度的信息，以及大量的化石。非常古老的燧石中没有明确的微生物化石，但它们的化学成分的某些方面表明，35亿年前的温度高达70摄氏度，20亿年前降至60摄氏度，10亿年前进一步降至30摄氏度。然而，保存完好的古代燧石非常罕见，因此这些数据绝不意味着年轻地球上的温度是均匀温暖的。它只表明地球表面温度至少在部分时间内达到了较高的温度;我们很快就会看到，在燧石记录的空隙中有足够的空间来隐藏漫长的寒冷期。

地球上最早的冰川地质迹象出现在南非Pongola地层的上部，可追溯到29亿年前。证据包括被称为二闪石的冰川沉积沉积物，一种通常由浮冰运输的物质，甚至还有冰川划伤的岩石。这并不意味着没有更早的冰期，但根据燧石记录和广泛发生的冰期海洋沉积尽管如此，似乎可以肯定的是，地球在早期历史的大部分时间里并没有处于深度冻结状态。尽管如此，庞戈拉冰川作用似乎标志着地球与冰的长期调情的开始。南非德兰士瓦群的岩石中记录了大约23亿年前开始的马克甘耶尼冰川作用，这是一次大规模的冰川作用，很可能是全球性的。我们之所以知道这一点，是因为岩石中保存着地球磁场的记录，这可以用来推断岩石在地震发生时所处的纬度冰川沉积物都躺下了。这些古地磁数据表明，在赤道12度以内有冰，这强烈地暗示了全球冰川作用。

第一个明确的细菌微化石(在南非坎贝尔群中发现)可以追溯到26亿年前，在马克甘尼恩冰期之前不久。虽然早期的化石和地球化学证据非常有力地暗示了生命的存在，但坎贝尔类群化石是生物学正在进行中的直观证据。这些化石在另一个重要方面标志着一个分水岭，因为它们可以被识别为蓝藻细菌——一种通过光合作用产生氧气的生物。蓝藻何时进化的问题引起了激烈的争论，一些间接证据将它们的出现早于太古代，而另一些则将它们的出现时间定在坎贝尔组微化石的时代。尽管如此，这些化石的出现说明了一个相当良好的环境，有开阔的水域，温度不超过40摄氏度。马克甘尼冰期后，微生物化石变得相当丰富。加拿大20亿年前的Gunflint Chert是众多保存蓝藻微化石的海洋沉积地层之一。

到目前为止，还没有关于20亿年前到8亿年前这段时期的冰川期的报告，尽管有大量的沉积岩可以追溯到这段时期。这一记录远不是连续的，在这一时期缺乏冰川可能是保存的人为因素，但证据无疑表明，冰气候在这一时期并不占主导地位，而且可能相当罕见。raybet雷竞技最新冰的长期中断被大规模的，可能是全球性的

-雪球地球新元古代的冰川期，大约7亿年前。此后，气候在相当长时间的地球无冰raybet雷竞技最新或几乎无冰时期和极地地区至少有一些冰的时期之间交替。然而，冰再也没有达到它在新元古代达到的几乎全球的比例，这表明地球在新元古代通过了气候稳定的一些新的阈值。raybet雷竞技最新那可能是什么?这是气候科学的核心问题之一。raybet雷竞技最新

我们对地球历史的总体看法是，在形成月球的碰撞之后不久，液态水和温和的温度至少偶尔出现过，在接下来的30亿年里，有广泛的开放水域，温度可能不超过70摄氏度，通常要低得多。这些条件被偶尔的冰川打断，只有极少数的冰川可能是全球性的。这是一个可以支持生命进化和生存的环境，包括(26亿年前，如果不是更早的话)需要温和温度条件的光合生物。在我们继续讨论大气层和太阳的长期变化时，让我们记住这种相对稳定的情况，这是决定地球或任何行星气候的两个主要因素。raybet雷竞技最新

有许多过程在起作用，导致行星大气的组成随着时间的推移而演变。在早期，轰击可以帮助提供形成大气的挥发物，如水、氮和二氧化碳。然而，同样地，足够能量的轰击也会造成大气层的损失，因为它确实会将大气层溅到轨道上。在火山活跃、内部温度较高的行星上，如地球、金星或较年轻的火星，通过从行星内部释放挥发性物质不断提供新的大气层。维持行星内部运转所需的热量是由行星形成过程中的剩余热量和放射性衰变提供的，这样才能循环表面形成的矿物质，并在炎热的内部煮出挥发性气体。这一过程能持续多久，然后地球就会冻结，变得不活跃，这取决于行星的大小和构成它的物质;从火山和其他类型的喷口喷出的气体的性质取决于地球的化学性质。例如，早期铁在地核的分离使矿物中的氧更难结合，因此导致了相当氧化的气体，如二氧化碳(CO2)，二氧化硫(SO2)优先于甲烷(CH4)和氢气(H2)等气体被释放。

——尽管后两者中的一些人逃脱了。地球内部也排出水蒸汽(H2O)，这是由水合矿物煮出来的;然而，海洋的体积似乎在很长一段时间内一直处于稳定状态，这表明释放的速度与表面新含水矿物的形成和俯冲的速度相平衡。氮(N2)与地球大气中当前和过去的其他成分有本质上的不同，因为它不容易被纳入构成地壳和内部大部分的矿物质中。不像二氧化碳，氮不会在地球内部循环。地球的大部分氮气都存在于大气层中，并一直保持在那里，可能在地球的几乎所有历史中都是如此。对于任何其他由类似地球的物质组成的岩石行星——铁、氧(主要存在于矿物中)、硅、镁和硫，情况可能也是如此。

当大气从内部放出气体供应时，其他过程导致物质从内部流失的气氛。部分一颗行星的大气层延伸到离表面很远的地方，在那里热的，快速移动的分子可以达到逃逸速度并逃逸到太空中。除了逃脱随机的分子运动之外，太阳加热的稀薄外层大气还能维持流体流动，导致大气质量系统地涌出虚空。此外，太阳风可以吹过大气层的外层;这种情况的发生程度受到行星磁场强度的影响，磁场会保护大气层不受太阳风的影响。作为外部分大气被侵蚀后，来自较低海拔的新气体涌上来取代失去的物质，维持大气的逐渐流失。这三种质量损失过程都优先去除较轻的分子，这要么是因为较轻的分子在给定温度下移动得更快，要么是因为外层大气中富含分子量较低的气体。对于给定的密度，较小的行星具有较低的表面重力，因此与大气的结合不那么紧密;因此，在小行星上，大气逃逸到太空的速度更快。大而迅速的物体的撞击能给一部分大气把它发射到太空。这种大气损失的机制不以分子量为标准，但与其他机制一样，小行星更容易以这种方式失去大气。总的来说，月球或火星比地球或金星等质量更大的天体更容易失去大气层，更不用说木星或土星了。对于地球和金星来说，逃逸到太空中只对H2和He有意义，而后者仅作为行星历史的指示器，而不是大气的物理或化学活性成分。土星的卫星土卫六是一个有趣的例子，因为它保持着比地球更大的氮气大气(单位表面积)，尽管其表面重力低于月球。土卫六极低的温度有助于它保持大气，但大气的持久性很可能需要来自行星内部的大量再补给。

一些大气成分也可能通过与地球表面岩石的化学反应而丢失。一个特别重要的例子是今天通常被称为Urey反应3的一类反应，它从大气中去除二氧化碳。当二氧化碳溶解在水中时，它形成一种弱酸(碳酸)，它与硅酸盐矿物(如CaSiO3)反应形成碳酸盐矿物(如CaCO3，或“石灰石”)。形成碳酸盐的反应只有在液态水存在的情况下才会发生，因此，如果一颗行星变得非常热，液雨无法到达地表，或者它不知怎么地完全失去了水分，那么从行星内部排出的二氧化碳就会在大气中积累，直到内部来源枯竭或供应的速度被流失到太空所平衡。在地球上，目前大气中所有的二氧化碳

这些反应是以芝加哥大学地球化学家哈罗德·尤里的名字命名的，他在1952年出版的《行星:它们的起源与发展》一书中讨论了这些反应。尽管现代科学是通过尤里的工作才意识到这些反应的重要性，但这些反应是由法国化学家和冶金学家j·j·埃贝尔曼(J.J. Ebelman)在一个多世纪前首次提出的。Ebelman还提出了硅酸盐/碳酸盐反应在决定大气二氧化碳和地球气候方面发挥重要作用的概念。raybet雷竞技最新瑞典地球化学家a.g.霍格博姆在1894年独立地重新发现了类似的想法，最后由尤里发现。有关历史的更多细节，请参阅Berner(1996)地球化学宇宙化学学报60。

可以在5000年内被尤里反应清除，形成一层只有5毫米厚的石灰岩;如果储存在海水中的所有碳都以二氧化碳的形式释放出来，并反应形成石灰岩，这个过程将需要50万年，并形成半米厚的地层。

生命本身一旦出现，就会对大气的组成产生深远的影响。虽然很少有甲烷直接从地球内部逸出，但被称为产甲烷菌的细菌可以从H2和CO2或其他生物产生的有机物质中合成甲烷。产甲烷生物很可能主导了地球最初20亿年的生态系统，这可能会导致以甲烷为主的大气逐渐形成。生命的出现也产生了深远的影响氮循环．N2之间的化学键非常强，以至于在非生物世界中，只有像雷击这样罕见的高能事件才能形成氮化合物。事实上，尽管氮是所有生命物质的基本成分，但高级生命形式——包括所有的植物和动物——都无法施展化学魔法，让生物获得氮气。这个魔术是由固氮细菌它可以有效地将大气中的N2转化为铵(NH4)，进而转化为硝酸盐(NO3)，可被其他生物用于合成生命物质。其他细菌在缺氧的条件下，可以将硝酸盐中的氧气与碳结合，在这个过程中将氮气返回到大气中。直到1910年，随着将大气中的N2转化为氨(NH3)的哈伯工艺的发明，人类才赶上了这种细菌。随着工业化农业的需求远远超过了天然细菌生态系统提供硝酸盐的能力，这种创新对人类来说已经变得至关重要(这并不是否认其他形式的农业可能能够在我们的细菌朋友提供的条件下生存)。然而，就化学复杂性而言，固氮细菌仍然遥遥领先于工业，因为哈伯工艺需要分子氢(由化石甲烷制成)，一种铁催化剂，温度超过400摄氏度，在超过地球表面空气压力200倍的压力下运行;相比之下，固氮细菌在环境温度/压力条件下，使用在其直接环境中容易找到的材料，也能做到同样的事情。

在没有产生氧气的光合生物的情况下，大气中只有极少量的氧气，因为只有少量的氧气可以通过暴露在阳光下的H2O分解而产生。早期的大气中氧气含量非常少(低于0.2%，而现在是20%)，这一点被广泛存在的醒目的岩石结构所证实带状铁层直到24亿年前。只有当铁在海洋中极易溶解并能远距离运输时，才能形成带状铁层。这需要低氧，因为在氧的存在下，铁形成不太溶于水的化合物。来自某些含硫矿物化学成分的额外证据表明，至少在26亿年前的某些时期，大气中的氧含量实际上可能比0.2%低几个数量级。

请注意，产生氧气的光合作用的出现并不等同于大气中氧气的上升。为了使氧气积累起来，必须在足够比例的有机物被其他细菌氧化之前将其埋藏，从而将合成的氧气从大气中带走。此外,如果地球海洋在缺氧阶段积累了大量的可利用的有机物质，在氧气开始大量积累之前，这些积压的物质必须被消耗掉。尽管如此，带状铁的形成在坎贝尔组蓝藻微化石时代之后开始有些动摇，并在大约20亿年前完全消失。此时，氧气在大气中至少占3%。一旦氧气以显著的浓度出现在大气中，它就改变了大气化学的所有规则，因为它具有很强的活性。特别是，它使得CH4和H2更难在大气中积累，因为前者很容易氧化成CO2，后者氧化成H2 o。氧气的增加可能还促进了另一项伟大的生物创新——真核细胞，真核细胞具有特殊结构的复杂内部组织，包括一个遗传物质被分离的细胞核。我们是由真核细胞组成的，就像所有的动物和植物一样。真核细胞在15亿年前的澳大利亚Roper组页岩中首次出现在化石记录中，尽管更多的间接证据表明真核生命可能在更早的时候就进化了。无论这个问题的答案可能会动摇，可以肯定的是，真核生物——即使是单细胞生物——直到很久以后的元古代才开始增殖和多样化。

在新元古代雪球事件时期(6 -7亿年前)，带状铁结构零星地重新出现，但到6亿年前，氧气接近现在的浓度，带状铁结构就永远消失了(至少到目前为止)。这第二次氧合脉冲使多细胞动物这发生在一场被称为寒武纪大爆发的生物创新狂潮中，大约在5.43亿年前，时间跨度非常短。动物的出现甚至有可能有助于稳定大气中的氧气水平，因为它们提供了一种可靠的方式，可以将有机碳运输到海底，在那里它们可以被埋葬和保存。简单的多细胞海洋植物出现得更早，从光合生物不依赖氧气的事实可以预料到。

所有这些大气演化故事发生的背景是逐渐变亮的太阳。恒星内部产生的能量几乎完全以能量的形式离开恒星电磁辐射-宽泛地说，所有波长的光。净功率输出称为光度，以瓦(单位时间能量的量度)来测量，就好像恒星是一个灯泡一样。像太阳这样的恒星通过将氢聚变成氦来获得能量，随着时间的推移，太阳中氦的比例增加，从而增加了太阳的平均分子量。这反过来意味着太阳核心为了保持平衡重力所需的压力，需要收缩和加热。增加密度和温度增加聚变的速度，而不是减少氢的可用性，从而降低能量的生产速度，因此太阳光度-随时间增加。亮度随时间变化的结果依赖于太阳物理的基本方面，这不是严重的问题，也不是很大程度上依赖于太阳模型的细微之处。标准的结果太阳能发展模型可以通过表达式进行拟合

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