地球行星/2d. 雏菊世界与太阳能循环
自 1978 年以来，美国国家航空航天局 (NASA) 一直使用一系列卫星来测量来自太阳的太阳辐射量，测量值为辐照度，即表面接收的辐射通量。美国宇航局部署的最新仪器是总太阳辐照度和光谱太阳辐照度传感器-1 (TSIS-1)，该传感器于 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每平方米 1,360.7 瓦，这就是所谓的太阳常数。这相当于 23 个 60 瓦的灯泡排列在 1 平方米的天花板上，或每平方米天花板空间 1.36 千瓦。
想象一下用太阳的照射能量照亮一个 50 平方米的房间，持续一个 12 小时的白天，将是 816 千瓦时，平均每天大约花费 110 美元，具体取决于当地电费的价格。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。这是一种巨大的能量照射地球，但并不是所有这些能量都穿透了大气层，因为大部分能量（高达 90%）在光与大气中的气体粒子相互作用时被吸收或反射回太空，其中大部分太阳辐照被反射回外太空。
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从土星上看地球，它就像一颗明亮的星星。这种光是由太阳光照射地球产生的反射光引起的。就像一面放置在巨型山峰上的小镜子。这就是为什么太阳系中的其他行星在夜空中显得格外明亮，它们反射着阳光回地球，而不是产生自己的光源。这种光的反射叫做反照率。一个完全反射所有光的镜面，其反照率接近 1，而一个纯黑表面（黑体辐射器）的反照率为 0，表示所有光能都被其表面吸收。这就是为什么在阳光明媚的日子里，你穿黑色衬衫会比穿白色衬衫更热，因为黑色衬衫会吸收更多阳光。
所有其他表面将处于该范围内的某个位置。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，开阔的海洋水域的反照率仅为 0.06，只有 6% 的光被反射回外太空。但是，如果水结冰，冰的反照率更接近白云，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，评估了火星和地球表面的温度随时间变化。他们讨论了关于地球表面温度早期历史的难题。如果太阳的辐射量小于现在的太阳辐射量（比如只有 70%），这是否会导致地球在其早期历史的大部分时间里都是一个冰冻的星球？地质证据支持地球早期存在液态海洋，然而，如果太阳辐照量比现在弱得多，那么海冰会因其更高的反照率变得更加普遍，并在地球表面更大的区域蔓延。较弱的太阳辐照将被反射回太空，导致地球被冰封，完全冻结。
然而，如果地球拥有与今天不同的大气层，该大气层允许更多短波长的太阳辐照进入，同时阻止更多长波长的太阳辐照离开地球，那么就可以解决年轻微弱太阳悖论。
这可以用一个类比来解释：一个人做着低端的工作，每周赚 100 美元，但只花费 25 美元，而另一个人做着高端的工作，每周赚 500 美元，但花费 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，氧气通过臭氧层阻止了太阳辐照的进入，而富含二氧化碳，二氧化碳阻止了红外光谱中长波长的太阳辐照离开地球。因此，更多光线进入，更少光线离开，导致净温比仅仅根据太阳辐照量（较弱）预期的要高。
1983 年，由于他提出的盖亚假说受到猛烈批评，詹姆斯·洛夫洛克与安德鲁·沃森（一位大气科学家和全球模型师）合作，构建了一个简单的计算机模型来模拟一个简化的星球如何通过动态的负反馈系统来调节表面温度，从而适应太阳辐照量的变化。这个模型被称为雏菊世界模型。该模型的星球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 的灰色地表。黑色雏菊吸收所有进入的光线，而白色雏菊将所有进入的光线反射回太空。雏菊世界没有大气层，因此我们不必担心光线在简单星球表面的上方被吸收和反射。
随着太阳辐照度的增加，黑色雏菊变得更加丰富，因为它们能够吸收更多太阳能，并迅速成为该星球的主要生命形式。由于该星球的表面反照率较低，导致该星球变暖，并迅速成为一个更热的星球，这导致白色雏菊大量生长。随着白色雏菊的生长，该星球开始将更多阳光反射回太空，从而使该星球降温。随着时间的推移，该星球的表面温度将达到平衡并稳定，因此即使太阳辐照量增加，其变化也不会很大。随着太阳辐照度的增加，白色雏菊相对于黑色雏菊的丰度也会增加。最终，太阳辐照度会增加到一个点，即白色雏菊无法在该星球的热带地区生存，它们开始死亡，露出该星球更多的灰色表面，灰色表面吸收了光能的一半。因此，该星球很快开始吸收更多光线，并迅速升温，杀死所有雏菊，留下一个荒芜的灰色星球。雏菊世界说明了星球如何在表面温度方面达到动态平衡，以及这些负反馈系统的限制或临界点。这样一个简单的模型在记录自调节系统如何工作以及这种调节系统的局限性方面非常强大。自 1983 年该模型推出以来，科学家们大大扩展了雏菊世界模型的复杂性，添加了大气层、海洋和不同的生命形式，但最终，它们都揭示了类似的模式：稳定，然后是突然崩溃。
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雏菊世界需要一些脑筋急转弯，因为它将生命形式归因于一个星球，但我们可以模拟一个同样简单的无生命星球；一个更类似于早期地球的星球。一个具有稀薄大气层的水世界。就像 1995 年由 凯文·科斯特纳 主演的科幻动作电影《水世界》一样，水世界 只是开阔的海洋，没有陆地。海水表面的反照率很低，只有 0.06，吸收了大部分入射的太阳辐射。随着太阳的太阳辐射增加，水世界的表面温度开始升高，水温升高到足以蒸发成气体，形成水蒸气大气，随着温度升高，大气开始形成白云。这些白云的反照率很高，达到 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，星球开始冷却。因此，就像雏菊世界一样，水世界可以成为一个自我调节系统，并保持较长的平衡期。然而，这里存在一个非常狭窄的容忍范围，因为如果水世界冷却过度，就会形成海冰。海冰表面的反照率很高，达到 0.70，这是一个 *正反馈*，这意味着如果冰开始覆盖海洋，它会导致水世界冷却，进而导致更多冰在水世界表面形成。在水世界模型中，崩溃走向一个被冰封锁的星球——*冰冻世界*。
有证据表明，地球早期历史上，整个地球变成了一个 巨大的雪球。随着太阳辐射不断增加，冰冻世界将一直保持冰冻状态，直到太阳辐射高到足以开始融化冰，克服其冰冻表面的增强反照率。
此时，世界将迅速而突然地回到水世界，尽管如果太阳辐射继续增加，海洋最终会蒸发，尽管云层覆盖率增加，反照率也更高，留下一片干燥的陆地，以及极其浓厚的水蒸气云层。请注意，浓厚的水蒸气云层会捕获更多的外向长波红外辐射，导致正反馈。水世界最终将变成一个炎热的云层世界。
太阳系中存在着非常寒冷的冰冻世界和非常炎热的云层世界的例子。 木卫二，木星的四颗伽利略卫星之一，就是一个冰冻世界的例子，其永久反照率为 0.67。木卫二表面被厚厚的冰层覆盖。这颗卫星围绕着巨行星木星运行，木星对它冰封的表面进行拉扯，在月球冰封的表面产生了巨大的裂缝和裂隙，估计平均表面温度为 -171.15° 摄氏度，或开氏温度为 102 度。
金星，距离太阳第二近的行星，是一个云层世界的例子，它拥有浓厚的大气层，可以捕获太阳的辐射。事实上，除了太阳之外，金星的表面是太阳系中最热的地方，表面温度为 462° 摄氏度，或开氏温度为 737 度，几乎足够热到足以熔化岩石，尽管其反照率略高于木卫二，约为 0.69 到 0.76。
太阳系包含了水世界的两种最终状态，而地球似乎处于理想的能量循环平衡之中，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，并且可以迅速倾斜到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，地球更可能出现的一种情况是云层世界，你只需看看金星就能想象地球长期的非常炎热的未来。
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