地球气候稳定，温度变化影响生命

虽然太古宙时期的地球和我们今天所见的非常不同，但当时的温度刚好适合生命生存。地球的温度取决于太阳光发出的能量和地球反射出去的红外线辐射之间的平衡。到达地球的太阳能量的多少取决于地球将辐射反射回太空的效率如何，这个量称为反照率。而地面反射出去的红外线辐射的量取决于温度和大气中的温室气体，如二氧化碳的含量。温室气体会吸收一些红外线辐射，因此地球表面必须更热，才能反射足够的能量，和太阳光的能量达到平衡。将这些因素进行简单计算我们得知，地球今天的平均温度应该为15摄氏度（59华氏度）左右，和我们观测到的一样。

同样，我们可以用这种方法来估算地球早期的温度。一个主要的不同点是太阳已经随着时间发生了改变。在过去，太阳里转化为氦的氢燃料没有今天多，因此过去太阳的密度要比今天高。那时的核反应比今天更缓慢，所以地球刚形成时，太阳的亮度比今天要低30%。由此推算地球当时的温度要比今天低——实际上可能冷到整个地球完全被冰覆盖。但根据锆石和古化石的存在情况来看，地球早期足够温暖，能容许液态水的存在。这一矛盾被称为“黯淡太阳悖论”，它已经困扰科学家们几十年了。

最可能的答案是，地球过去的大气里温室气体的含量比今天更多。虽然我们不清楚这些温室气体具体是什么，但二氧化碳和甲烷的可能性非常大。而两者中间，甲烷的可能性又更大，因为它的保温性能比二氧化碳强得多。今天，由于和氧气发生反应，空气里的甲烷正在快速减少。而地球早期的大气里并没有氧气，所以那时候甲烷的含量应该比今天要多才对。

在这几十亿年间，地球的气候似乎一直十分稳定，温度一般介于水的冰点和沸点之间。1981年，詹姆斯·沃克（James Walker）提出，地面温度得以维持在这个狭窄的范围内源于一个恒温过程，而板块构造在这一过程中扮演了极其重要的角色。这一过程是这么工作的：大气中的二氧化碳溶解在雨水中之后形成了碳酸，碳酸逐渐腐蚀掉暴露在外的硅酸盐岩石，侵蚀后的产物被雨水输送到了大海，所形成的碳酸盐沉到海底并被沉积岩掩埋。几百万年后，海床俯冲到地球的地幔中，碳酸盐分解后释放出的二氧化碳通过火山喷发又回到了大气中。科学家将这一过程称为碳硅循环（图11-4）。

图11-4　碳硅循环示意图。碳硅循环是板块构造维持地球气候稳定的一个过程。如果大气里的二氧化碳含量升高，气温就会随之升高（上图），岩石的侵蚀速度也会加快。在这个过程中，大气中的二氧化碳被捕获，形成固态碳酸盐，并沉到海底。因此，大气中的二氧化碳水平下降，气候变冷（下图）。随后，含有碳酸盐的沉积岩俯冲到地球地幔，碳酸盐分解，二氧化碳再以火山喷发的方式释放到大气中，然后再循环以上过程(www.xing528.com)

沃克的主要观点是，岩石侵蚀需要液态水，而且温水的侵蚀速度比冷水更快。二氧化碳是一种重要的温室气体，如果大气中的二氧化碳含量升高，则温度也随之升高，侵蚀作用也发生得更快，二氧化碳的水平也会因此再次下降。假如二氧化碳的含量不足，则侵蚀进程将减慢，从火山喷出来的二氧化碳开始在大气层积聚。在这两种情况下，碳硅循环作为一种负反馈，有助于维持气候稳定，并将二氧化碳的水平和温度维持在恰到好处。

虽然生命不是这一过程的基本组分，但却起到了重要的作用。土壤里的微生物通过冲刷掉岩石里的养分，加速侵蚀过程。5亿年前出现的陆地植物也加快了侵蚀的速度。海洋里的许多生物利用侵蚀作用的产物形成了碳酸盐外壳，等到这些生物死亡后，这些外壳就下沉到海底，将碳从这个系统中移除。

詹姆斯·卡斯廷（James Kasting）和他的同事发展了沃克的观点并发现，只要和各自恒星的距离得当，那么任何类似地球的行星都能通过碳硅循环使它们的表面保持形成液态水的温度。这个适当的距离范围一般被称为恒星的宜居带，具体远近取决于恒星的亮度。地球位于太阳的宜居带中间，而金星则没有。

出乎意料的是，火星很可能也位于太阳的宜居带中，但是火星的表面并没有液态水，而且它的平均温度也远远低于冰点。事实上，火星无法成为“宜居行星”的更重要的原因是它的大小，而非它的位置。火星太小，以至于无法形成板块构造或任何地壳再循环。火星的直径只有地球的一半，比地球更容易冷却，它今天在地质学方面已经几乎是一颗死行星。火星的引力很微弱，这意味着它的大部分大气已经逃到太空，而且火星上没有磁场保护大气免受来自太阳的能量粒子的侵蚀，这等于是雪上加霜。没有地壳再循环，它就没办法补充失去的气体，剩余的大气由于过于稀薄而无法提供太多温室效应。火星在形成早期就被完全封冻了，而且从此以后一直处于冰冻的状态。