四十亿年前,当太阳年轻且昏暗时,地球可能部分原因在于它转动得更快而保持温暖。
天文学家认为,太阳不像今天这样明亮。四十亿年前,它大约比现在昏暗30%。尽管太阳当时的质量与现在相同,但它更大一些,密度更低。随着时间的推移,它在自身引力作用下收缩,变得更热、更亮。天文学家对这个图景没有异议——这似乎是恒星演化的典型方式——但地质学家却感到困惑。如果年轻的太阳如此微弱,地球应该是一个冰封的荒原。然而,最古老的沉积岩——它们是在水中沉积的——本身就有40亿年的历史。尽管太阳光微弱,但地球表面却足以维持液态水的存在。
地质学家通过假设异常活跃的火山喷发出大量的温室气体二氧化碳到大气中,从而使年轻的地球变暖,来摆脱这个年轻太阳微弱悖论。一些模型表明,二氧化碳含量是今天的1000倍。但国家大气研究中心(位于科罗拉多州博尔德)的大气科学家格雷戈里·詹金斯认为,这个解决方案似乎总是临时凑合的。他说,为了获得某种效果,你必须在气候模型中加入如此多的二氧化碳,这似乎不现实。没有直接证据表明二氧化碳含量曾经高出千倍。
詹金斯认为他找到了一个更好的摆脱悖论的方法。他与密歇根大学的两位同事哈尔·马歇尔和威廉·库恩提出,地球快速的自转速率以及四十亿年前缺乏大块陆地是地球保持温暖的关键。
四十亿年前,地球的自转周期可能至少是14小时一次。(从那时起,月球的潮汐拖曳逐渐减慢了地球的自转,从而延长了它的白天。)詹金斯和他的同事们构建了一个复杂的计算机模型,来研究加速自转对地球气候的影响。该模型允许他们追踪空气质量的三维运动——这是早期地球从未做过的。詹金斯说,之前的研究都没有关注在不同自转速率下整个系统会发生怎样的变化。存在一个巨大的空白。
在他们的模型中,詹金斯和他的同事们使用了14小时一天,并假设地球没有陆地。詹金斯说,这并不是一个糟糕的近似:大部分陆地形成于35亿年前。在此之前,地球表面可能是一个巨大的海洋,点缀着火山岛。
这种无陆地本身就会使地球变暖;水反射的阳光比陆地少,吸收的阳光更多,这意味着它有更多的能量以热量的形式辐射到空气中。然而,让詹金斯和他的同事们感到惊讶的是快速自转速率的戏剧性影响。在他们快速旋转的模拟地球上,大部分风暴和云层都集中在赤道和亚热带地区,全球云量比现在少20%。
詹金斯解释说,温带纬度的云层较少,因为快速的自转速率使得温暖、湿润的空气难以从蒸发量最大的热带地区向两极扩散。通过所谓的科里奥利效应,地球的自转在北半球使移动的空气向右偏转,在南半球则向左偏转。自转越快,偏转越大。詹金斯的模型表明,当地球每14小时旋转一次时,潮湿的、形成云的空气会在离开热带地区之前就向赤道方向偏转。
并且由于地球上有更多的晴朗天空,更多的阳光会到达地表。詹金斯和他的同事们在模型中确实包含了一些二氧化碳,但含量仅为当前水平的八倍,这比标准情景大大降低了。即使没有巨大的温室效应,他们的模型也表明,即使面对昏暗的年轻太阳,快速转动的年轻地球也会足够温暖,不会让海洋结冰。事实上,它会比现在温暖大约10摄氏度。














