地球星球/2d. 雛菊世界和太陽能迴圈
自 1978 年以來，美國宇航局使用了一系列衛星來測量來自太陽的入射太陽輻射量，以輻照度來衡量，即表面接收的輻射通量。美國宇航區域性署的最新儀器是全譜太陽輻照度感測器-1（TSIS-1），它於 2017 年安裝在 國際空間站 上。
從那時起，它測量了地球的太陽輻照度，幾乎保持在精確的常數 1,360.7 瓦特每平方米2，這被稱為太陽常數。這相當於在 1 平方米的天花板上排列 23 個 60 瓦燈泡，或每平方米天花板空間 1.36 千瓦。
想象一下，在一個 50 平方米的房間裡，用太陽的輻射功率照明 12 個小時，需要 816 千瓦/小時的電量，平均每天大約花費 110 美元，具體取決於當地電價。想象一下，這些能量分散在地球表面，每天將花費 1,098 萬億美元。這表明照射地球的能量非常大，但並非所有這些能量都能穿透大氣層，因為大部分能量（高達 90%）在光與大氣中的氣體顆粒相互作用時被吸收或反射回太空，其中大部分太陽輻射被反射回外太空。
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當從 土星 上觀察地球時，它看起來像一顆明亮的星星。這種光是由太陽光照射地球后反射的光造成的。就像在巨大的山峰上放著一面小的閃亮的鏡子。這就是為什麼太陽系中的其他行星在夜空中顯得如此明亮，因為它們將陽光反射回地球，而不是產生自己的光源。這種光的反射被稱為 反照率。完全反射所有光的純鏡面表面將具有接近 1 的反照率，而純黑色表面（黑體輻射器）的反照率為 0，表示所有光能將被其表面吸收。這就是為什麼你在陽光明媚的日子裡穿著黑色襯衫比穿白色襯衫更熱，因為黑色襯衫會吸收更多的陽光。
所有其他表面將處於此範圍內的某個位置。雲的反照率通常在 0.40 到 0.80 之間，表明 40% 到 80% 的陽光被反射回外太空。然而，開闊的海洋水體的反照率僅為 0.06，只有 6% 的光被反射回外太空。但是，如果水體結冰，冰的反照率會更接近白雲，在 0.50 到 0.70 之間。
1972 年，卡爾·薩根 和喬治·穆倫在《科學》雜誌上發表了一篇論文，評估了火星和地球的表面溫度隨時間的變化。他們討論了關於地球表面溫度早期歷史的一個難題。如果太陽輻射量小於今天的太陽輻射量（比如只有 70%），這是否會導致地球在其早期歷史上大部分時間都處於冰凍狀態？地質證據支援地球早期存在液態海洋，但如果太陽輻射量遠小於今天，海冰會因其較高的反照率而變得更加普遍，並蔓延到地球表面的更大區域。較弱的太陽輻射會被反射回太空，導致地球被冰封，完全凍結。
如果地球當時的大氣層與今天不同，可以允許更多短波長的入射太陽輻射，並阻擋更多長波長的出射太陽輻射，那麼 年輕微弱太陽悖論 就可以得到解決。
一個類比是，一個人做著低端工作，每週賺 100 美元，但只花 25 美元，而另一個人做著高階工作，每週賺 500 美元，但花 450 美元。低端工作者每週的淨儲蓄為 75 美元，而高階工作者每週的淨儲蓄僅為 50 美元。事實上，地質證據表明，地球早期的大氣層缺乏氧氣，氧氣透過臭氧層阻擋入射太陽輻射，而早期大氣層中含有大量的二氧化碳，二氧化碳會阻擋紅外光譜中長波長的太陽輻射離開地球。因此，更多的光線進入，更少的光線離開，導致地球的溫度比僅僅從總太陽輻射量（更弱）得到的預期溫度更高。
1983 年，在因他的 蓋亞假說 受到嚴厲批評後，詹姆斯·洛夫洛克 與大氣科學家和全球模型專家 安德魯·沃森 合作，建立了一個簡單的計算機模型來模擬一個簡化的行星如何透過動態負反饋系統調節其表面溫度，以適應太陽輻射的變化。這個模型被稱為 雛菊世界模型。模型中的行星只包含兩種生命形式：反照率為 0 的黑色雛菊和反照率為 1 的白色雛菊，以及反照率為 0.5 的灰色地面。黑色雛菊吸收所有入射光，而白色雛菊將所有入射光反射回太空。雛菊世界中沒有大氣層，因此我們不必擔心簡單行星表面上方的光的吸收和反射。
隨著太陽輻射的增加，黑色的雛菊由於能夠吸收更多的太陽能量而變得更加豐富，很快它們就成為這個星球上占主導地位的生命形式。由於該星球表面反照率較低，導致其變暖，很快它就成為一個更熱的星球，這會導致白色的雛菊大量生長。隨著它們這樣做，世界開始將更多的陽光反射回太空，從而使星球降溫。隨著時間的推移，該星球的表面溫度將達到平衡並穩定下來，因此即使太陽輻射量增加，其變化也不會太大。隨著太陽輻射的增加，白色的雛菊比黑色的雛菊數量將更多。最終，太陽輻射將增加到白色的雛菊無法在星球的熱部分存活的程度，它們開始死亡，露出更多能夠吸收一半光能的灰色星球表面。結果，該星球很快開始吸收更多光，並迅速升溫，殺死了所有的雛菊，留下了荒涼的灰色星球。雛菊世界說明了星球如何就表面溫度達到動態平衡，以及這些負反饋系統的限制或臨界點。如此簡單的模型在記錄自調節系統的工作原理和此類調節系統的侷限性方面非常有效。自該模型於 1983 年推出以來，科學家們透過新增大氣、海洋和不同的生命形式，大大擴充套件了雛菊世界模型的複雜性，但最終它們都揭示了類似的穩定模式，隨後是突然的崩潰。
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雛菊世界需要一些腦力體操，因為它將生命形式歸因於一個星球，但我們可以對一個同樣簡單的無生命星球進行建模；一個更類似於早期地球的星球。一個擁有微弱大氣層的水世界。就像 1995 年由 凱文·科斯特納 主演的科幻動作電影一樣，水世界 只是開闊的海洋，不包含陸地。海洋表面的反照率很低，為 0.06，吸收了大部分的入射太陽輻射。隨著太陽的太陽輻射增加，水世界的表面溫度開始升高，水溫達到足以蒸發成氣體的溫度，導致形成水蒸氣大氣層，隨著溫度的升高，大氣層開始形成白雲。這些白雲的反照率很高，為 0.80，這意味著更多的太陽輻射在到達海洋表面之前就被反射回太空，地球開始冷卻。因此，就像雛菊世界一樣，水世界可以成為一個自調節系統，並保持一段時間的平衡。然而，這裡容忍度非常窄，因為如果水世界變得太冷，就會形成海冰。海洋表面上的冰的反照率很高，為 0.70，這是一個 *正反饋*，這意味著如果冰開始覆蓋海洋，它會導致水世界降溫，從而導致更多冰在地球表面形成。在水世界模型中，崩潰的方向是星球被鎖定在冰中——*冰凍世界*。
有證據表明，在地球早期歷史中，整個地球變成了一個 巨大的雪球。隨著太陽輻射不斷增加，冰凍世界將保持冰凍狀態，直到太陽輻射足夠高，開始融化冰，克服其冰凍表面的增強反照率。
此時，世界將迅速且突然地再次回到水世界，但如果太陽輻射繼續增加，即使雲層覆蓋增加，反照率也更高，海洋最終也會蒸發，留下乾燥的陸地和極其厚重的水雲大氣層。請注意，厚重的水雲大氣層將捕獲更多外出的長波紅外輻射，導致正反饋。水世界最終將變成一個熱的雲層世界。
太陽系中同時存在非常寒冷的冰凍世界和非常熱的雲層世界。木衛二 是木星四大伽利略衛星之一，是一個冰凍世界的例子，其永久反照率為 0.67。木衛二的表面被厚厚的冰層覆蓋。這顆衛星繞著巨大的木星執行，木星對它冰覆蓋的表面進行拉扯，在月球的冰面上產生巨大的裂縫和裂隙，估計平均表面溫度為 -171.15 攝氏度或開氏溫標上的 102 度。
金星 是距離太陽第二遠的行星，是一個雲層世界的例子，它擁有厚厚的大氣層，可以捕獲太陽的輻射。事實上，金星的表面是太陽系中最熱的地方，除了太陽之外，表面溫度為 462 攝氏度或開氏溫標上的 737 度，幾乎可以熔化岩石，儘管其反照率略高於木衛二，約為 0.69 到 0.76。
太陽系同時包含水世界的兩種最終狀態，地球似乎處於理想的能量迴圈中，但正如這些簡單的計算機模型所預測的那樣，地球並不免疫於這些變化，並且可以迅速地轉向像木衛二一樣的寒冷冰凍世界或像金星一樣的極熱雲層世界。最終，隨著太陽隨著其最終膨脹而增加其太陽輻射，地球更有可能成為一個雲層世界，你只需看看金星就能想象地球的長期非常熱的未來。
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