Пока что наша Земля неплохо себя чувствует. С тех пор, как наше Солнце сформировалось порядка 4,5 млрд лет назад, наша протоземля сформировалась во внутренней Солнечной системе, столкновение породило пару Земля/Луна, известную нам сегодня, и комбинация начальных условий и поздней бомбардировки привела к появлению океанов и атмосферы. За срок больший, чем 4 млрд лет, Солнце постоянно светило, и жизнь зародилась и процветала. Но это не может продолжаться вечно! Приведёт ли к нашему вымиранию окончание топлива на Солнце? На этой неделе мы обсуждаем этот вопрос благодаря читателю, который спрашивает:
Уменьшается ли ядерная энергия Солнца или остаётся стабильной? Сколько времени осталось существованию жизни на нашей планете, если Солнце уменьшает своё ядерное топливо?
Если отвлечься от возможных катастроф, инициированных самой Землёй (типа сверхвулкана или отравления биосферы) или Вселенной в целом (сильное столкновение, стерилизующий всплеск гамма-лучей или вспыхнувшая поблизости сверхновая), Солнце в итоге погубит всю жизнь на Земле.
Цепочка протон-протон, ответственная за производство большей части энергии Солнца
Такие звёзды, как наше Солнце, работают на ядерном синтезе: синтезируя из наилегчайшего, самого распространённого элемента Вселенной (водорода) второй по лёгкости и распространённости элемент (гелий) в ходе цепной реакции. В цепную реакцию, благодаря которой Солнце вырабатывает большую часть энергии, включает:
• Два протона формируют дейтерий, позитрон (аннигилирующий с электроном и выдающий высокоэнергетические протоны), нейтрино и свободную энергию.
• Дейтрон с протоном выдают гелий-3, высокоэнергетический фотон и свободную энергию.
• Два ядра гелия-3 сливаются вместе и дают гелий-4, два свободных протона и ещё больше свободной энергии.
Это самый распространённый источник энергии на Солнце, и в этой реакции 0,7% изначальной массы четырёх протонов превращается в энергию согласно эйнштейновскому E = mc2. Каждую секунду огромное количество протонов, 4 ? 1038 превращаются в гелий-4, испуская порядка 4 ? 1026 Вт энергии.
Солнце также огромно и массивно, и состоит из порядка 1057 частиц. Но, несмотря на такие огромные количества, общий запас топлива Солнца конечен, и если ждать достаточно долго, Солнце сожжёт всё своё топливо. Ещё большей проблемой будет то, что Солнце не использует весь свой водород – только тот, что находится в его ядре, где температуры выше всего. Самые первые протоны не будут участвовать в синтезе, пока вы не погрузитесь на глубину, превышающую половину радиуса, где температуры превышают 4 000 000 K. И только в самых глубинах Солнца, где температуры превышают 10 000 000 K и достигают максимума в 15 000 000 K, производится 99% энергии.
Это означает, что со временем самые внутренние части Солнца быстрее всего сожгут всё топливо. Можно ожидать, как писал наш читатель, что это будет означать постепенное уменьшение яркости Солнца. Но без этих реакций внутри ядра на самом деле ядро начнёт сжиматься, а это гравитационное сжатие будет выделять ещё больше энергии, что приведёт к увеличению температуры. После этого синтез начнёт идти быстрее и в большем объёме Солнца, чем раньше. Иначе говоря, со временем энергетический выхлоп Солнца будет увеличиваться, и это будет происходить на отрезке времени длиной в четыре млрд лет!
Когда Солнце было новорожденной звездой, её энергетический выход составлял порядка 75-80% от сегодняшнего. Благодаря флоре, фауне, океанам и атмосфере нашей планеты, мы смогли адаптироваться к постоянно растущим температурам Солнца на всём протяжении истории Солнечной системы. Но всему есть предел: в какой-то момент яркость Солнца увеличится так сильно, что Земля, находясь на таком же расстоянии от него, как сейчас, разогреется так сильно, что её океаны закипят. После этого тепличная цепная реакция, подобная той, что произошла на Венере – где планету окутывает толстый слой облаков – случится и на Земле, и вся жизнь на её поверхности исчезнет.
Возможно, что некоторые формы жизни будут существовать высоко в облаках, и что человечество сможет придумать, как выжить в таких условиях, если ещё будет существовать. Но это случится задолго до того, как в ядре Солнца закончится водородное топливо. Действительно, наше Солнце на периоде в 5-7 млрд лет претерпит следующие изменения:
• Исчерпает водород в ядре.
• Расширится до очень яркой звезды-субгиганта, когда водород выгорит в оболочке вокруг ядра.
• Начнёт синтез гелия в ядре, когда температура достигнет критической отметки.
• Расширится до красного гиганта.
• В итоге умрёт, сбросив внешние слои, превратив их в планетарную туманность, а ядро сожмётся до белого карлика.
Но уже всего через 1-2 млрд лет Солнце станет настолько горячим, что океаны начнут закипать. В этот момент нам придётся найти новый дом, поскольку поверхность Земли станет необитаемой. В итоге это будет единственным значимым глобальным потеплением, и Солнце станет намного горячее перед тем, как произойдёт большое и финальное замерзание Солнечной системы. Мы уже прошли большую часть временного отрезка, на котором Земля обитаема, так что лучше попытаться взять всё возможное от оставшегося у нас времени!
Комментарии (34)
mironoffe
07.07.2017 11:09А можно ли запустить вокруг точки Лагранжа L1 (точнее чуть ближе к Солнцу, что бы компенсировать «сдувание» Солнечным ветром) множество аппаратов в плоскости перпендикулярной отрезку Солнце-Земля на разных орбитах, закрывающих Землю от излишнего излучения? Будет ли такая структура хоть сколько бы устойчивой, пусть даже с возможностью коррекции ионными двигателями аппаратов и «поддержкой» нашей цивилизацией?
Протянем ли мы ещё пару миллиардов лет или уже пора готовится к неминуемой смерти?
black_semargl
07.07.2017 12:35Примерно такой же проект есть для Венеры, так что для Земли он тоже будет рабочим.
Но требует непрерывного активного удержания (хотя достаточно будет просто отражать свет в требуемом направлении)
vedenin1980
07.07.2017 23:36А можно ли запустить вокруг точки Лагранжа L1 (точнее чуть ближе к Солнцу, что бы компенсировать «сдувание» Солнечным ветром) множество аппаратов в плоскости перпендикулярной отрезку Солнце-Земля на разных орбитах, закрывающих Землю от излишнего излучения
А зачем у точки Лагранжа? Можно же и просто на геостационарной (или выше) орбите вокруг Земли, тогда этим аппаратам некуда будет деваться, их потребуется меньше и двигатели им не будут не особо нужны, по сути это будут очень тонкие зеркала (вроде солнечных парусов) с высокой отражающей способностью. Даже для текущего уровня цивилизации при наличие 50-100 лет это решаемая задача, ИМХО.black_semargl
08.07.2017 19:11Геостационарная орбита слишком узкая.
Чтобы перекрыть значимое количество света — надо щит диаметром в десяток тысяч км.vedenin1980
08.07.2017 20:56Щит может быть в виде большого количества мелкой пыли, например. Либо быть зеркалом/солнечными батареями в считанные сотни атомов толщиной (проекты солнечных парусов с такой толщиной уже разрабатываются).
Как будто у точки Лагранжа потребуется щит меньшего размера.black_semargl
08.07.2017 23:361) Если мы делаем щит размером с Землю, то на высоте геостационара его края будут на 30 градусов в сторону. Т.е. он просто сложится к центру от земного притяжения.
2) плоскость экватора вообще говоря сильно наклонена относительно эклиптики. Это значит что щит большую времени вообще заслонять не будет. Плюс ещё прецессия и прочие радости.rPman
09.07.2017 20:36Конструкции такого размера вообще не должны быть пассивными, т.е. должны иметь свои двигатели, модульную систему и т.п.
Но в контексте данной реализации, щит не обязан быть плоским, его поверхность может быть изогнутой, как раз по линиям гравитационной устойчивости, для гарантии еще раскрутить можно немного, в пределах прочности материала.
ferreto
11.07.2017 08:21Лучше не пыли, а морской воды. Кристаллики соли сделают облака менее проницаемыми. Такой проект был в НАСА...
Caseor
14.07.2017 17:16Геостационарная орбита означает, что спутник неподвижен относительно поверхности Земли, но ведь Солнце не неподвижно. Спутник на такой орбите будет защищать раз в сутки.
Правильная орбита должна быть такой, чтобы спутник обращался вокруг планеты (не относительно поверхности) один раз за год. Это слишком высокая орбита, чтобы спутник там мог стабильно находиться. Поэтому придётся использовать точку Лагранжа, в ней условие тоже выполнится.
Есть альтернативный проект — увеличение орбиты Земли. На мой взгляд это проще и надёжнее, кроме того решается сопутствующая проблема отклонения астероидов от столкновения с планетой.
Jack_London
14.07.2017 17:15Давайте обсудим это через миллион лет, если у что нас еще останется ну как минимум 999 миллионов
cheburen
07.07.2017 11:09+1осталось придумать как, хотя если погода удачно пошутит несколько лет подряд, с последующим глобальным неурожаем — не успеем, просто сожрем друг-друга.
GlukKazan
07.07.2017 13:14Цепочка протон-протон, ответственная за производство большей части энергии Солнца
Хмм. А как же углеродный цикл?
Все разобрался. Он оказывается для больших звёзд. Наш удел: водородный цикл.
inferrna
07.07.2017 16:52К тому времени орбита Земли будет надёжно прикрыта от избыточного тепла толстым слоем космического мусора. Слава му?сорам!11
Goodkat
07.07.2017 19:16Закинуть на высокую орбиту побольше пыли для отражения солнечных лучей?
apiksDen
07.07.2017 23:01Или подвинуть Землю подальше, делов-то
vedenin1980
08.07.2017 00:22подвинуть Землю подальше, делов-то
Кстати, интересно посчитать какая мощность нужна чтобы двигая землю стабильно на протяжение 1 млд, лет подвинуть ее на расстояние, скажем Юпитера:
итак масса Земли — 5,97219 ? 1024 кг
время — 1 млд, лет или 10 ^ 9 лет = 10 ^ 9 * 365 * 24 * 60 * 60 = 3 * 10 ^ 17 секунд
двигаем ее равноускорено по формуле, найдем ускорение a = 2 * S / t ^ 2 = 2 * (6,3 * 10 ^ 11 метров) / (9 * 10 ^ 34 секунд) = 1,4 * 10 ^ — 23,
Найдем силу F = m * a = 5,9 ? 10 ^ 24 * 1,4 * 10 ^ — 23 = 82,6 ньютонов, что даже для современного человечества вполне под силам, достаточно запустить гравиционно-связаный с Землей аппарат, который будет тянуть ее в сторону хотя бы с относительно крошечной тягой в 82 Ньютона (скажем, обычный велосипедист развивает силу до 400 — 500 ньютонов).
Так что ничего сложного в том чтобы подвинуть Землю за миллиард лет — нет.QWhisper
08.07.2017 10:52Во первых мало орбиту перетянуть, надо еще и набрать скорость, я так понимаю вы просто двигали ее по эклиптике, это даст нам эллиптическую орбиту. Во вторых мне кажется, масса тела, способного оказать значимое гравитационное воздействие на Землю, вызовет массу других проблем.
rPman
07.07.2017 22:39+1Полагаю точка не выживания (самостоятельного, самоподдерживаемого, без участия технологий человека) жизни на земле из-за повышения температуры солнца наступит заметно раньше.
Ожидал в статье расчеты этого, а не крайности вида — выкипит вся вода.
Хотя бы порядок — сотни тысяч лет? десятки? а может уже через тысячу лет солнечные циклы станут представлять заметную опасность, ну например потому что амплитуда их влияния станет выше или активность солнца увеличится на столько что солнечные вспышки станут такими частыми и сильными, что жизнь вернется в океан и под землю?
sHaggY_caT
08.07.2017 15:18+1Хотя бы порядок — сотни тысяч лет? десятки? а может уже через тысячу лет солнечные циклы станут представлять заметную опасность, ну например потому что амплитуда их влияния станет выше или активность солнца увеличится на столько что солнечные вспышки станут такими частыми и сильными, что жизнь вернется в океан и под землю?
Очевидно, что десятки или сотни миллионов лет. Думать в рамках тысяч лет очень антропоцентрично :(
Хотя мы и сами можем справится с убийством биосферы, если, например, гипотеза металлогидратного ружья верна. Тогда это случится в пределах сотен лет-тысячи лет.
artemt
14.07.2017 17:15Миллиард лет? Тогда не стоит беспокоиться. Через 10 — 100 миллионов лет в сверхновую типа Ia рванёт Сириус B. Учитывая что до него 8.6 световых лет, мы получим второе солнце с более жёстким спектром, уничтожение озонового слоя и прочие ништяки.
vedenin1980
14.07.2017 17:32Откуда дровишки? Сириус B белый карлик с массой меньшей солнечной, гравиционный колапс звезд меньше 3 солнечных масс по современным представлениям невозможен.
vedenin1980
14.07.2017 18:00+1Вру, Сирус В мог бы рвануть если откуда-то взял бы еще половину своей массы, в теории белый карлик может перетянуть массу у соседа или поглотить красный карлик, но Сирус А далеко, а красных карликов в системе нет. Поэтому в списках даже потенциальных кандидатов на сверхновые Сируса В нет (ну или дайте пруф где вы нашли эти данные про 10-100 млн.лет)
artemt
16.07.2017 11:22Сириус B тянет массу с Сириуса А. Только забрать он должен больше половины (емнип), вроде как за 100 млн. лет это и должно произойти. Доказательств не приведу, не обессудьте. Другое дело, что Солнце и Сириус, действительно, расходятся. Но опять же, с какой скоростью не скажу :) В любом случае, риск что в пределах десяти парсек рванёт сверхновая в ближайший миллиард лет достаточно велик.
vedenin1980
16.07.2017 11:37+1Сирис В находится от Сириуса А на расстоянии в 20 раз большем чем Земля от Солнца (где то на расстоянин Урана), на таком расстоянии он перетягивать массу может не больше, чем Юпитер у Солнца. И шансы что он рванет примерно такие же как то что Юпитер превратится в полноценную звезду.
Dimmis
14.07.2017 17:15Но уже всего через 1-2 млрд лет Солнце станет настолько горячим, что океаны начнут закипать.
На приведенном в статье графике видно, что температура солнца остается практически постоянной на ближайшие 4,5 млрд. лет, а светимость через 1 млрд лет вырастет примерно на 10%. Достаточно ли этого, чтобы океаны начали выкипать? Или это с учетом парникового эффекта и положительной обратной связи?
voyager-1
14.07.2017 19:40На приведенном в статье графике видно, что температура солнца остается практически постоянной на ближайшие 4,5 млрд. лет, а светимость через 1 млрд лет вырастет примерно на 10%.
Так это — только температура останется стабильной. А радиус — постоянно растёт (а светимость — растёт от его квадрата).
Достаточно ли этого, чтобы океаны начали выкипать?
Температура Земли со светимостью Солнца следующей формулой связана (весьма упрощённо конечно):
Так как кроме L и Te — в данном случае всё остальное константы, то температура — зависит от корня четвёртой степени. Только тут надо помнить — что температура в Кельвинах берётся, и текущие значения такие: 255 K — эффективная температура, и 288 K — реальная средняя.
Или это с учетом парникового эффекта и положительной обратной связи?
Да, с учётом эффектов. Только Солнце ещё весьма серьёзно «подтолкнуть» этот процесс может запросто. А циклы — ещё друг на друга накладываются. Так что мы пока можем только ориентировочные цифры назвать.
Ansin
Миллиард лет — это даже по эволюционным меркам большой срок. Приспособимся, будем купаться в кипящих океанах.
Вам никакая эволюция не поможет заменить одну из основ вашего организма, которая при 50°C — начинает разрушаться. И 1 млрд лет — это самые оптимистичные оценки. И до этого — ещё дожить надо, а у нас пока — концентрация CO2 (парникового газа) — растёт темпами в два раза за 40-50 лет. А один блондин — не хочет признавать очевидные вещи.
Ansin
14.07.2017 17:15Миллиард лет — это даже по эволюционным меркам большой срок. Приспособимся, будем купаться в кипящих океанах.
zookko
Пока валить с этой обречённой планеты!