地球星球/2d. 雏菊世界和太阳能循环
自 1978 年以来，美国宇航局使用了一系列卫星来测量来自太阳的入射太阳辐射量，以辐照度来衡量，即表面接收的辐射通量。美国宇航局部署的最新仪器是全谱太阳辐照度传感器-1（TSIS-1），它于 2017 年安装在 国际空间站 上。
从那时起，它测量了地球的太阳辐照度，几乎保持在精确的常数 1,360.7 瓦特每平方米2，这被称为太阳常数。这相当于在 1 平方米的天花板上排列 23 个 60 瓦灯泡，或每平方米天花板空间 1.36 千瓦。
想象一下，在一个 50 平方米的房间里，用太阳的辐射功率照明 12 个小时，需要 816 千瓦/小时的电量，平均每天大约花费 110 美元，具体取决于当地电价。想象一下，这些能量分散在地球表面，每天将花费 1,098 万亿美元。这表明照射地球的能量非常大，但并非所有这些能量都能穿透大气层，因为大部分能量（高达 90%）在光与大气中的气体颗粒相互作用时被吸收或反射回太空，其中大部分太阳辐射被反射回外太空。
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当从 土星 上观察地球时，它看起来像一颗明亮的星星。这种光是由太阳光照射地球后反射的光造成的。就像在巨大的山峰上放着一面小的闪亮的镜子。这就是为什么太阳系中的其他行星在夜空中显得如此明亮，因为它们将阳光反射回地球，而不是产生自己的光源。这种光的反射被称为 反照率。完全反射所有光的纯镜面表面将具有接近 1 的反照率，而纯黑色表面（黑体辐射器）的反照率为 0，表示所有光能将被其表面吸收。这就是为什么你在阳光明媚的日子里穿着黑色衬衫比穿白色衬衫更热，因为黑色衬衫会吸收更多的阳光。
所有其他表面将处于此范围内的某个位置。云的反照率通常在 0.40 到 0.80 之间，表明 40% 到 80% 的阳光被反射回外太空。然而，开阔的海洋水体的反照率仅为 0.06，只有 6% 的光被反射回外太空。但是，如果水体结冰，冰的反照率会更接近白云，在 0.50 到 0.70 之间。
1972 年，卡尔·萨根 和乔治·穆伦在《科学》杂志上发表了一篇论文，评估了火星和地球的表面温度随时间的变化。他们讨论了关于地球表面温度早期历史的一个难题。如果太阳辐射量小于今天的太阳辐射量（比如只有 70%），这是否会导致地球在其早期历史上大部分时间都处于冰冻状态？地质证据支持地球早期存在液态海洋，但如果太阳辐射量远小于今天，海冰会因其较高的反照率而变得更加普遍，并蔓延到地球表面的更大区域。较弱的太阳辐射会被反射回太空，导致地球被冰封，完全冻结。
如果地球当时的大气层与今天不同，可以允许更多短波长的入射太阳辐射，并阻挡更多长波长的出射太阳辐射，那么 年轻微弱太阳悖论 就可以得到解决。
一个类比是，一个人做着低端工作，每周赚 100 美元，但只花 25 美元，而另一个人做着高端工作，每周赚 500 美元，但花 450 美元。低端工作者每周的净储蓄为 75 美元，而高端工作者每周的净储蓄仅为 50 美元。事实上，地质证据表明，地球早期的大气层缺乏氧气，氧气通过臭氧层阻挡入射太阳辐射，而早期大气层中含有大量的二氧化碳，二氧化碳会阻挡红外光谱中长波长的太阳辐射离开地球。因此，更多的光线进入，更少的光线离开，导致地球的温度比仅仅从总太阳辐射量（更弱）得到的预期温度更高。
1983 年，在因他的 盖亚假说 受到严厉批评后，詹姆斯·洛夫洛克 与大气科学家和全球模型专家 安德鲁·沃森 合作，建立了一个简单的计算机模型来模拟一个简化的行星如何通过动态负反馈系统调节其表面温度，以适应太阳辐射的变化。这个模型被称为 雏菊世界模型。模型中的行星只包含两种生命形式：反照率为 0 的黑色雏菊和反照率为 1 的白色雏菊，以及反照率为 0.5 的灰色地面。黑色雏菊吸收所有入射光，而白色雏菊将所有入射光反射回太空。雏菊世界中没有大气层，因此我们不必担心简单行星表面上方的光的吸收和反射。
随着太阳辐射的增加，黑色的雏菊由于能够吸收更多的太阳能量而变得更加丰富，很快它们就成为这个星球上占主导地位的生命形式。由于该星球表面反照率较低，导致其变暖，很快它就成为一个更热的星球，这会导致白色的雏菊大量生长。随着它们这样做，世界开始将更多的阳光反射回太空，从而使星球降温。随着时间的推移，该星球的表面温度将达到平衡并稳定下来，因此即使太阳辐射量增加，其变化也不会太大。随着太阳辐射的增加，白色的雏菊比黑色的雏菊数量将更多。最终，太阳辐射将增加到白色的雏菊无法在星球的热部分存活的程度，它们开始死亡，露出更多能够吸收一半光能的灰色星球表面。结果，该星球很快开始吸收更多光，并迅速升温，杀死了所有的雏菊，留下了荒凉的灰色星球。雏菊世界说明了星球如何就表面温度达到动态平衡，以及这些负反馈系统的限制或临界点。如此简单的模型在记录自调节系统的工作原理和此类调节系统的局限性方面非常有效。自该模型于 1983 年推出以来，科学家们通过添加大气、海洋和不同的生命形式，大大扩展了雏菊世界模型的复杂性，但最终它们都揭示了类似的稳定模式，随后是突然的崩溃。
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雏菊世界需要一些脑力体操，因为它将生命形式归因于一个星球，但我们可以对一个同样简单的无生命星球进行建模；一个更类似于早期地球的星球。一个拥有微弱大气层的水世界。就像 1995 年由 凯文·科斯特纳 主演的科幻动作电影一样，水世界 只是开阔的海洋，不包含陆地。海洋表面的反照率很低，为 0.06，吸收了大部分的入射太阳辐射。随着太阳的太阳辐射增加，水世界的表面温度开始升高，水温达到足以蒸发成气体的温度，导致形成水蒸气大气层，随着温度的升高，大气层开始形成白云。这些白云的反照率很高，为 0.80，这意味着更多的太阳辐射在到达海洋表面之前就被反射回太空，地球开始冷却。因此，就像雏菊世界一样，水世界可以成为一个自调节系统，并保持一段时间的平衡。然而，这里容忍度非常窄，因为如果水世界变得太冷，就会形成海冰。海洋表面上的冰的反照率很高，为 0.70，这是一个 *正反馈*，这意味着如果冰开始覆盖海洋，它会导致水世界降温，从而导致更多冰在地球表面形成。在水世界模型中，崩溃的方向是星球被锁定在冰中——*冰冻世界*。
有证据表明，在地球早期历史中，整个地球变成了一个 巨大的雪球。随着太阳辐射不断增加，冰冻世界将保持冰冻状态，直到太阳辐射足够高，开始融化冰，克服其冰冻表面的增强反照率。
此时，世界将迅速且突然地再次回到水世界，但如果太阳辐射继续增加，即使云层覆盖增加，反照率也更高，海洋最终也会蒸发，留下干燥的陆地和极其厚重的水云大气层。请注意，厚重的水云大气层将捕获更多外出的长波红外辐射，导致正反馈。水世界最终将变成一个热的云层世界。
太阳系中同时存在非常寒冷的冰冻世界和非常热的云层世界。木卫二 是木星四大伽利略卫星之一，是一个冰冻世界的例子，其永久反照率为 0.67。木卫二的表面被厚厚的冰层覆盖。这颗卫星绕着巨大的木星运行，木星对它冰覆盖的表面进行拉扯，在月球的冰面上产生巨大的裂缝和裂隙，估计平均表面温度为 -171.15 摄氏度或开氏温标上的 102 度。
金星 是距离太阳第二远的行星，是一个云层世界的例子，它拥有厚厚的大气层，可以捕获太阳的辐射。事实上，金星的表面是太阳系中最热的地方，除了太阳之外，表面温度为 462 摄氏度或开氏温标上的 737 度，几乎可以熔化岩石，尽管其反照率略高于木卫二，约为 0.69 到 0.76。
太阳系同时包含水世界的两种最终状态，地球似乎处于理想的能量循环中，但正如这些简单的计算机模型所预测的那样，地球并不免疫于这些变化，并且可以迅速地转向像木卫二一样的寒冷冰冻世界或像金星一样的极热云层世界。最终，随着太阳随着其最终膨胀而增加其太阳辐射，地球更有可能成为一个云层世界，你只需看看金星就能想象地球的长期非常热的未来。
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