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  • 1 # 八戒科學

    太陽是我們所處的太陽系中心的一顆古老恆星,自古以來人類就一直認為太陽對地球有著巨大的影響,也有許多文人作品將太陽當做神一樣崇拜。 直到後來,科學家才對太陽的物質組成和能量來源有了一點認識。並認為是太陽產生的能量支援著地球上所有生物的生長,支配了地球的氣候和天氣。

    而這些能量就是透過核聚變產生的。

    地球軌道上的平均太陽輻射強度為1,369w/㎡,由此可以計算出,地球可以獲得的能量為173,000TW。儘管太陽射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量的22億分之一,但是已經高達173,000TW,也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當於燃燒500萬噸煤所獲取的能量。

    核聚變是指兩個較輕的核結合形成一個較重的核和一個極輕的核(或粒子)的一種核反應形式。在太陽內部發生的核聚變就是以氫的兩種同位素氘(D)和氚(T)作為反應物,最終產生一個氦核和一箇中子並釋放能量。

    上圖為核聚變反應圖

    上圖為“人造太陽”原理——可控核聚變

    氫有三種同位素——氕(H)、氘(2H)、氚(3H),這個氕也就是最常見的一種,佔99.985%。他們仨的主要不同就是中子個數不同(分別是0、1、2)

    1905年,26歲的物理學家愛因斯坦在其發表的一篇論文中表明瞭質量和能量可互換的觀點,即質能方程。

    這裡的c(光速)是定值3.0乘10的8次方,E即能量,也就是說質量的虧損值乘c的平方便是釋放的能量,其大小我們可想而知。

    太陽存在至今,已經穩定燃燒46億年了。根據愛因斯坦的質能公式E=mc^2計算,每秒鐘就有6億多噸的氫被轉化成氦。聽起來感覺很多,但這其實只是太陽質量的很小一部分,按照這樣的消耗速度,太陽此後還會繼續燃燒50多億年。

    在上面質能方程中我們說到,質量和能量之間是可以相互轉化的,太陽一直在往外釋放能量,也就意味著它在不停地虧損質量。

    根據萬有引力定律,太陽對地球的引力F=GMm/r²,當太陽質量(M)變小時,引力常量G與地球質量m都不會發生變化,所以引力F會減小。

    而地球之所以能夠圍繞著太陽做圓周運動是因為萬有引力提供了向心力F=mv²/r,由於此時地球公轉速率不變,所以向心力是不變的,然後引力又變小了,可想而知地球將會做離心運動,最終遠離太陽。

    不過這裡我們還要考慮一個問題,地球會不會被太陽吞沒?答案是會的!不妨我們先來了解一些太陽的生命歷程。

    現有理論(星雲說)認為,太陽和太陽系內的所有行星都產生於一團巨大的塵埃分子云,這些塵埃雲透過互相沖撞,或是臨近的超新星爆發使其中心發生了引力坍縮。

    發生坍縮後的星際塵埃雲開始聚集形成密度較大的區域,並吸引更多的星際物質在角動量守恆的情況下發生自轉。與此同時,由於壓力和溫度的急劇升高,塵埃雲中央形成了一個的大球體,其餘則分散在扁平的盤面中,圍繞著這個球體旋轉。這便是太陽系!

    成為恆星後的太陽,已經可以不斷的發生核聚變反應釋放大量能量,大約每秒鐘就有6億噸的物質被轉化成中微子、太陽輻射和大約3.8*10^26焦耳的能量。這些被釋放的熱量使恆星本身向外膨脹與向內坍塌的引力平衡,達到穩定的狀態即壯年——主序階段。現在的太陽就是在壯年時期,並且還會持續數十億年。

    上圖為美國宇航局釋出的太陽能量流動圖片

    到目前為止,太陽已經把100倍地球質量的物質轉化成了氦和能量。隨著核聚變的進行,氫會越來越少,太陽的核心也會持續收縮,外層受到更大的引力向中心靠攏,主序恆星開始向老年期過渡。為了抵消向內坍塌導致的引力,太陽會繼續加快消耗核心的氫,釋放更多的太陽的能量。當前,太陽的光度正在以每1億年1%的速度增加。在今後45億年中,太陽的光度將增加30%。

    50多億年後,太陽的輻射能量將達到現在的2倍多。在如此強烈的輻射下,地球表面的溫度甚至可以達到300多攝氏度,海洋和湖泊早已消失殆盡。而這時,太陽已經退出主序階段,進入紅巨星階段。

    太陽核心產生的能量已經無法與向內坍塌的壓力平衡,核心開始收縮,然後氫核聚變會往外進行,於是發展為核心縮小,外殼卻增大的紅巨星。這將是太陽系的滅頂之災。

    計算結果表明,太陽的大小隨後便會到現在的大約10倍,光度變成現在的50倍,膨脹的太陽足以容納水星、金星,甚至是地球軌道。即便地球倖免於難,紅太陽的巨大熱量也會把地球燒焦,任何生命都無法倖存。

    在此之後,太陽還會變成白矮星。那時人類早已經滅絕,或是移民到了另外一個宜居星球。

    雖然隨著太陽會質量的損失,引力的束縛將會減小,地球會越跑越遠。但是隨著太陽往紅巨星過渡,地球也有被吞沒化為灰燼的風險。

    為了回答題主的問題,這裡我們就假設地球不會被吞沒反而被越甩越遠,那麼它會離開太陽系的宜居帶嗎?這裡我們就要了解什麼是宜居帶?

    天文學家認為宜居性取決於許多因素,但液態水和大氣是兩個最為重要的因素。而與這兩個重要因素息息相關的就是星球所處的位置。

    在液態水方面,天文學家認為太陽系中的宜居帶範圍應該由外部邊緣的低溫和內部邊緣的高溫限定。因為在太陽系中越靠近太陽的星球溫度就會越高,水就會蒸發成為水蒸氣;而越遠離太陽的星球溫度就會越低,水則會以冰的形式存在。比如太陽系的兩個鄰居——金星和火星就給出了宜居帶外部邊界的例子。距離太陽較近的金星表面溫度高達480攝氏度度,距離太陽較遠的火星表面溫度才零下40攝氏度,它們都不存在穩定的液態水,所以不會適合動物生存。

    在大氣方面,氧氣就不用多說了。另外還要講一下一個重要的效應——“二氧化碳—矽酸鹽迴圈”。在人體中有一個“負反饋調節”可以把體溫維持在36.5°上下,這個“二氧化碳—矽酸鹽迴圈”也一樣可以將地球的溫度調節在一個合適的範圍。

    在這個調節中,由於地表風化作用,當行星溫度較高時,充分的光照和降水沖刷作用會使得風化速度加快,此時,從矽酸鹽中釋放出來的金屬離子就會和大氣中的二氧化碳反應沉澱成碳酸鹽,導致大氣溫度下降。而溫度下降使地表太冷的時候,風化作用和二氧化碳的沉澱速率也會下降,這時候由於火山噴發等釋放的二氧化碳增加使溫室效應增強,大氣溫度又重新回到正常狀態。

    所以美國濱州州立大學的天體生物學家詹姆士·卡斯廷和他的同事將“持續宜居帶”定義為:在恆星周圍的一個類地行星,擁有一個含有氧氣、水和二氧化碳的大氣,並且形成的氣候可以維持以水為基礎的生命。

    除此之外,如果考慮現代人類的宜居地帶,那還要附加更多的條件,比如可以生長足夠莊稼供人食用、地表平均溫度不能太高、大氣壓強等等。

    綜合很多因素後,科學家在1993年估計,太陽系持續宜居帶的寬度在0.95到1.15個天文單位。(1天文單位=149597870700米)

    那麼地球到底會不會移出太陽系的宜居帶?其實還有最後一個問題——時間問題!隨著太陽不斷輻射出能量,不僅會導致地球軌道變大,還會導致宜居帶的向外移動。前面我們說了,在50多億年後太陽的輻射將達到現在的2倍多,所以隨著太陽輻射的增加,一個曾處於凍結狀態的星球可能會變得適合生命生存和繁衍。

    上圖為目前的宜居帶

    據專家推測當太陽到紅巨星時期,太陽系的宜居帶已經轉移到了木星與土星的軌道!並且足夠孕育一種新生命。

    此圖為太陽在紅巨星時期的宜居帶,圖中可以看出水星和金星已經被太陽吞沒,而地球(EARTH)也已經成為一個火球。

    不過就目前的科學技術,人類還無法推測地球到底是被太陽吞沒還是被推出太陽系以外。

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