地球行星/2d. 雛菊世界與太陽能迴圈
自 1978 年以來，美國國家航空航天局 (NASA) 一直使用一系列衛星來測量來自太陽的太陽輻射量，測量值為輻照度，即表面接收的輻射通量。美國宇航區域性署的最新儀器是總太陽輻照度和光譜太陽輻照度感測器-1 (TSIS-1)，該感測器於 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每平方米 1,360.7 瓦，這就是所謂的太陽常數。這相當於 23 個 60 瓦的燈泡排列在 1 平方米的天花板上，或每平方米天花板空間 1.36 千瓦。
想象一下用太陽的照射能量照亮一個 50 平方米的房間，持續一個 12 小時的白天，將是 816 千瓦時，平均每天大約花費 110 美元，具體取決於當地電費的價格。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。這是一種巨大的能量照射地球，但並不是所有這些能量都穿透了大氣層，因為大部分能量（高達 90%）在光與大氣中的氣體粒子相互作用時被吸收或反射回太空，其中大部分太陽輻照被反射回外太空。
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從土星上看地球，它就像一顆明亮的星星。這種光是由太陽光照射地球產生的反射光引起的。就像一面放置在巨型山峰上的小鏡子。這就是為什麼太陽系中的其他行星在夜空中顯得格外明亮，它們反射著陽光回地球，而不是產生自己的光源。這種光的反射叫做反照率。一個完全反射所有光的鏡面，其反照率接近 1，而一個純黑表面（黑體輻射器）的反照率為 0，表示所有光能都被其表面吸收。這就是為什麼在陽光明媚的日子裡，你穿黑色襯衫會比穿白色襯衫更熱，因為黑色襯衫會吸收更多陽光。
所有其他表面將處於該範圍內的某個位置。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，開闊的海洋水域的反照率僅為 0.06，只有 6% 的光被反射回外太空。但是，如果水結冰，冰的反照率更接近白雲，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，評估了火星和地球表面的溫度隨時間變化。他們討論了關於地球表面溫度早期歷史的難題。如果太陽的輻射量小於現在的太陽輻射量（比如只有 70%），這是否會導致地球在其早期歷史的大部分時間裡都是一個冰凍的星球？地質證據支援地球早期存在液態海洋，然而，如果太陽輻照量比現在弱得多，那麼海冰會因其更高的反照率變得更加普遍，並在地球表面更大的區域蔓延。較弱的太陽輻照將被反射回太空，導致地球被冰封，完全凍結。
然而，如果地球擁有與今天不同的大氣層，該大氣層允許更多短波長的太陽輻照進入，同時阻止更多長波長的太陽輻照離開地球，那麼就可以解決年輕微弱太陽悖論。
這可以用一個類比來解釋：一個人做著低端的工作，每週賺 100 美元，但只花費 25 美元，而另一個人做著高階的工作，每週賺 500 美元，但花費 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，氧氣透過臭氧層阻止了太陽輻照的進入，而富含二氧化碳，二氧化碳阻止了紅外光譜中長波長的太陽輻照離開地球。因此，更多光線進入，更少光線離開，導致淨溫比僅僅根據太陽輻照量（較弱）預期的要高。
1983 年，由於他提出的蓋亞假說受到猛烈批評，詹姆斯·洛夫洛克與安德魯·沃森（一位大氣科學家和全球模型師）合作，構建了一個簡單的計算機模型來模擬一個簡化的星球如何透過動態的負反饋系統來調節表面溫度，從而適應太陽輻照量的變化。這個模型被稱為雛菊世界模型。該模型的星球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 的灰色地表。黑色雛菊吸收所有進入的光線，而白色雛菊將所有進入的光線反射回太空。雛菊世界沒有大氣層，因此我們不必擔心光線在簡單星球表面的上方被吸收和反射。
隨著太陽輻照度的增加，黑色雛菊變得更加豐富，因為它們能夠吸收更多太陽能，並迅速成為該星球的主要生命形式。由於該星球的表面反照率較低，導致該星球變暖，並迅速成為一個更熱的星球，這導致白色雛菊大量生長。隨著白色雛菊的生長，該星球開始將更多陽光反射回太空，從而使該星球降溫。隨著時間的推移，該星球的表面溫度將達到平衡並穩定，因此即使太陽輻照量增加，其變化也不會很大。隨著太陽輻照度的增加，白色雛菊相對於黑色雛菊的丰度也會增加。最終，太陽輻照度會增加到一個點，即白色雛菊無法在該星球的熱帶地區生存，它們開始死亡，露出該星球更多的灰色表面，灰色表面吸收了光能的一半。因此，該星球很快開始吸收更多光線，並迅速升溫，殺死所有雛菊，留下一個荒蕪的灰色星球。雛菊世界說明了星球如何在表面溫度方面達到動態平衡，以及這些負反饋系統的限制或臨界點。這樣一個簡單的模型在記錄自調節系統如何工作以及這種調節系統的侷限性方面非常強大。自 1983 年該模型推出以來，科學家們大大擴充套件了雛菊世界模型的複雜性，添加了大氣層、海洋和不同的生命形式，但最終，它們都揭示了類似的模式：穩定，然後是突然崩潰。
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雛菊世界需要一些腦筋急轉彎，因為它將生命形式歸因於一個星球，但我們可以模擬一個同樣簡單的無生命星球；一個更類似於早期地球的星球。一個具有稀薄大氣層的水世界。就像 1995 年由 凱文·科斯特納 主演的科幻動作電影《水世界》一樣，水世界 只是開闊的海洋，沒有陸地。海水錶面的反照率很低，只有 0.06，吸收了大部分入射的太陽輻射。隨著太陽的太陽輻射增加，水世界的表面溫度開始升高，水溫升高到足以蒸發成氣體，形成水蒸氣大氣，隨著溫度升高，大氣開始形成白雲。這些白雲的反照率很高，達到 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，星球開始冷卻。因此，就像雛菊世界一樣，水世界可以成為一個自我調節系統，並保持較長的平衡期。然而，這裡存在一個非常狹窄的容忍範圍，因為如果水世界冷卻過度，就會形成海冰。海冰表面的反照率很高，達到 0.70，這是一個 *正反饋*，這意味著如果冰開始覆蓋海洋，它會導致水世界冷卻，進而導致更多冰在水世界表面形成。在水世界模型中，崩潰走向一個被冰封鎖的星球——*冰凍世界*。
有證據表明，地球早期歷史上，整個地球變成了一個 巨大的雪球。隨著太陽輻射不斷增加，冰凍世界將一直保持冰凍狀態，直到太陽輻射高到足以開始融化冰，克服其冰凍表面的增強反照率。
此時，世界將迅速而突然地回到水世界，儘管如果太陽輻射繼續增加，海洋最終會蒸發，儘管雲層覆蓋率增加，反照率也更高，留下一片乾燥的陸地，以及極其濃厚的水蒸氣雲層。請注意，濃厚的水蒸氣雲層會捕獲更多的外向長波紅外輻射，導致正反饋。水世界最終將變成一個炎熱的雲層世界。
太陽系中存在著非常寒冷的冰凍世界和非常炎熱的雲層世界的例子。 木衛二，木星的四顆伽利略衛星之一，就是一個冰凍世界的例子，其永久反照率為 0.67。木衛二表面被厚厚的冰層覆蓋。這顆衛星圍繞著巨行星木星執行，木星對它冰封的表面進行拉扯，在月球冰封的表面產生了巨大的裂縫和裂隙，估計平均表面溫度為 -171.15° 攝氏度，或開氏溫度為 102 度。
金星，距離太陽第二近的行星，是一個雲層世界的例子，它擁有濃厚的大氣層，可以捕獲太陽的輻射。事實上，除了太陽之外，金星的表面是太陽系中最熱的地方，表面溫度為 462° 攝氏度，或開氏溫度為 737 度，幾乎足夠熱到足以熔化岩石，儘管其反照率略高於木衛二，約為 0.69 到 0.76。
太陽系包含了水世界的兩種最終狀態，而地球似乎處於理想的能量迴圈平衡之中，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，並且可以迅速傾斜到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，地球更可能出現的一種情況是雲層世界，你只需看看金星就能想象地球長期的非常炎熱的未來。
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