暗い初期太陽のパラドックス

太陽が誕生してから約46億年が経った。この間，太陽は一日も休まず輝き続けてきた。

そのエネルギー源は，太陽中心部で起こる核融合反応である。この反応で，4個の水素原子核から1個のヘリウム原子核が作られ，大きなエネルギーが発生する。このエネルギーで，太陽は輝いている。

核融合反応によって，太陽の中心部では，水素原子核が徐々にヘリウム原子核に変わった。その結果，中心の密度は高くなり，温度も高くなる。すると，核融合反応が進んで，よりエネルギーを多く生み出す。このように，太陽の核融合反応が進むと，太陽自身に変化が起こる。最も大きな変化として，太陽が徐々に明るくなる。

この，太陽の内部構造の進化は，多くの天文学者が研究し，同様の結論を導いた。形成してまもないころの太陽の明るさは，現在の約70％しかなかった (図)。

気候学者によると，現在の地球では，太陽の明るさが数％減るだけで寒冷化し，地球表面が完全に凍ってしまう。地球表層環境が昔も今と同じだったら，先カンブリア時代の地球表面は完全に凍結し，海も全て氷床で覆われていたはずだ。

ところが，地層や岩石に残された記録によると，38億年前から現在までずっと海があり，海が氷床で覆われてしまうようなことはほとんどなかった。

このように，太陽の進化モデルは地質学的証拠と矛盾していた。この矛盾は1970年代始めに惑星科学者が指摘し， “暗い初期太陽のパラドックス” と呼ばれた。

このパラドックスを解決するには， “過去ほど大気の温室効果が大きかった” と考えればいい。

大気中の微量成分である二酸化炭素やメタンは，地表からの赤外線放射を吸収し，地表温度を高温に保つ。現在の大気中の二酸化炭素濃度は0.036％だが，先カンブリア時代にはそれより大量の二酸化炭素が大気中にあり，その温室効果で地表が凍結しなかった。

カスティング[解説]は，地表が凍結したことはないいう条件をもとに，過去の二酸化炭素濃度の変遷を求めた。このうして得られたグラフが図である。ただしこれは，7億年前と25億年前の氷河時代を計算に入れている。

過去の大気組成を調べることはたいへん困難である。大気が 〝化石〟 として残ることはほとんどない。

過去数十万年間に対しては，南極氷床コアの解析から大気組成が調べられた。氷床は，毎年降り積もった雪が固まってできるので，雪の結晶の間に大気分子が閉じこめられて気泡を作る。厚い氷床を掘削して筒状の試料 (コア) を採り，閉じこめられている気体を取り出して分析すれば，当時の大気組成がわかる。しかし，このような大気そのものの記録は，ごく最近の時代に限られる。

カスティングは，太陽の進化に関する計算結果を使って大気組成を推定した。しかし，この推定には，不確定なことが多く，あまり精密ではないことに注意する必要がある。