9.3.4.1 年轻昏暗太阳的难题
研究太阳演化提出的模型表明,在4.5Ga前太阳进入主序发展阶段之前的亮度(辐射)曾是较弱的。这是因为,太阳核中当氢聚变为氦时,随着时间推移太阳变得越来越致密,从而越来越热。计算表明早期太阳的亮度只是它现今亮度的25%~30%,并且它的亮度随时间近于呈线形增长(Kasting,1987)。按这样的太阳亮度变化,如果地球历史中的大气圈与现今大气圈的特征相似,则地表的平均温度应该一直保持在冰点之下直到2Ga前为止。但是在地球上存在有3.8Ga前形成的沉积岩的事实有力地证明那时地表已有洋和流动水。这就是所谓的年轻昏暗太阳的难题。对此难题的一种可能的解释是:早期大气圈含有浓度比现代高得多的CO2和其他温室气体(Walker,1985)。CO2等气体通过温室效应阻止红外辐射的向外逸散使全球温度升高。正如现今大气圈中的水汽CO2能在地球上引起明显的温室效应一样。缺少这些气体,地表的温度将下降大约33℃,现今地球将被冰所广泛覆盖(Ramanathan,1988)。
9.3.4.2 碳酸盐-硅酸盐循环
控制大气圈中CO2分压(PCO2)的一个重要因素是表生系统中的碳酸盐-硅酸盐循环。CO2在火山喷发和热液沿洋脊活动过程中进入大气圈,通过硅酸盐风化与海相碳酸盐沉淀又回到海洋中。这种循环过程可用下列反应来概括(Garrels and MacKenzie,1971):
风化过程
地球化学
沉淀过程
地球化学
这一循环将通过海相碳酸盐岩的俯冲深埋、变质、部分熔融过程再释放出CO2,并借助火山作用再次进入大气圈而完成。释放CO2的变质反应可表达如下:
地球化学
在此循环中,若增加CO2向大气圈的输入,将促使更强烈的风化作用和更多的碳酸盐沉淀,以阻止CO2在大气圈中的进一步增长。这一循环过程中的各种反馈机制已经对地质历史中地表温度起了稳定作用(Walker et al.,1983)。例如,如果某一时期太阳亮度突然下降,地表温度必将随之降低,导致大洋水体蒸发减少、降低硅酸盐的风化速率和减弱海洋的沉淀,结果将造成CO2在大气圈中的积累,并增强温室效应,最终又能恢复较高的地表温度。
虽然生物的光合作用也起着一定的作用,但大多数资料表明碳酸盐-硅酸盐循环可能在地质历史中曾是控制大气圈中CO2水平的主要因素(Condie,1989)。