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當孩子問「地球什麽時候會消失」該如何回答?

2021-11-19知識

地球最可能的結局:被太陽蒸發,最終化作宇宙塵埃。

11億年後,太陽光度增加10%。

平均溫度達到20℃,赤道和兩極動植物受到明顯影響。

太陽常數為1367W/m2,大約有34%的熱量被大氣和地球反射/散射。太陽光度增加10%之後,地球接受的直射熱放射線約1000W/m2。根據放射線定律j*=εσΤ4,可計算出,地球平均溫度會增加6℃。

在此之後,隨著水分的大量蒸發,造成嚴重的溫室效應,地球一邊升溫,一邊大量流失水分。隨著氣壓的上升,15億年後,大氣溫度會超過100℃,整個地球會變成一個超高壓大蒸籠,全球生物逐漸走向滅絕。

35億年後,太陽光度增加40%。

經過20多億年的時間,隨著地球水分的全面流失,地球平均溫度反而可能有所下降。但依舊比40℃(從現在的大氣結構推算)的理論溫度高很多。這是因為在高溫下,碳酸鹽會分解釋放出大量的二氧化碳。

例如,金星軌域僅僅比地球近了30%,但有地球92倍壓力的大氣,以及96.5%的二氧化碳,所以它的溫度高達462 °C。

如果地球上的水蒸發得足夠的快,地球可能會先經歷一個類似火星的階段

隨著水蒸氣消失,地球大氣中的二氧化碳已經成為主要成分。溫度會比金星低一些,大約300℃上下。

65億年後,太陽光度增加120%。

經過數十億年的高溫,碳酸鹽中的二氧化碳得到大量的釋放。

此時地球接收到的熱放射線,比現今的金星稍高一些。

地球變成一顆超級金星,大氣濃度超過現今的220倍以上,均溫也超過500℃。

緊接著,太陽主序星時代結束,進入紅巨星模式。

72億年後(紅巨星7億年),太陽光度恒定增加到130%。

這個階段,太陽的變化比較恒定,相對來說,對地球的影響並不算大。

但緊接著太陽開始爆發,隨著太陽內核燃燒的速度加快。

太陽光度達到現今的17倍(增加1600%)。

由於溫度過高,再加上強烈的太陽風,可能會在數億年的時間中,吹散地球大氣。

沒有大氣層的地球,地球變成了一顆超級水星。

陽面的溫度高達500℃以上,而陰面溫度低於-100℃。

此時夜晚的地表,也和水星、月球夜晚冷寂的表面,沒有什麽兩樣:

緊接著太陽內核的光度達到現今的34倍,但隨著太陽的急遽膨脹,表面光度反而有所下降。

經過數億年的時間,太陽達到紅巨星的巔峰狀態,光度升高到現今的2349倍。

被太陽直射的地表已經達到2470℃,地表逐漸融化,徹底化作熔巖星球。

而此時,太陽半徑也膨脹了170倍,吞沒了水星,也有一定可能性吞沒金星,到達地球軌域附近。

經過1億年的時間,太陽進入紅巨星的漸近支(AGB)階段。半徑膨脹213倍,達到日地距離的99%。此時太陽品質已經損失了30%,由於軌域和太陽品質平方反比,所以日地軌域會增加約20%。

所以,地球可能並不會被吞沒,但根據預估數據的不同 [1] ,以及太陽膨脹之後自轉變慢,潮汐效應令地球公轉角速度降低,軌域反而會收縮。所以,地球也可能剛好被吞沒。

但不被吞沒的機率,會大一些。

然而,以上情況,並不是地球遭遇的最極端環境。

到達紅巨星巔峰狀態後,太陽內核溫度達到1億K,發生氦閃。在足夠短的時間內,釋放出了過去數百萬年的總融合能量,達到5×10^41 J [2] ,約為超星新爆發的0.3%。地球吸收的氦閃能量,就高達10^32 J,相當於地球的重力結合能。

極短的時間內,太陽內核的光度增加10^10倍。

但由於簡並度的提升,以及太陽的膨脹,大量的能量不會瞬間釋放出來,太陽表面的光度會低兩個數量級。

但哪怕如此,也是現今光度的1億倍,即便考慮地球軌域的增加,也可導致地球表面的溫度高達3.5萬℃。

這個溫度,足以把地球表面的物質摧毀成等離子狀態。

在接下來的1萬年的時間內,太陽光度在今天100萬倍附近震蕩 [3]

雖然太陽最終品質下降到現今的50%左右,地球軌域半徑增加40%,但這個光度,帶給地球的溫度,同樣高達1萬℃。

上萬℃,1萬年的照射,足以徹底地蒸發整個地球。

透過地球品質已經構成的元素來預估,蒸發地球的能量不超過10^33 J。但是,1萬年的高達100萬倍現今太陽的光度,對地球產生的熱量卻高達10^35 J。而在後續,太陽還會發生多次殼層氦閃,每次持續數百萬年。

氦閃時,飛散而出的恒星物質和能量,也會對地球造成致命的沖擊。

蒸發掉的地球去了哪裏?它化作了圍繞太陽的星際物質。

氦閃徹底結束之後,太陽化作一顆內部具有熾熱(12000K)白矮星的行星狀星雲。

而地球,會是行星狀星雲的一部份。

星雲寬達1光年,猶如一顆巨大的天眼,回望著那充滿生機的過去:

或許,在接下來的數十億年,在宇宙塵埃中,可能會誕生一顆新的太陽。

而原本組成地球的那些星際物質,也可能再次形成新的行星。

它或許也會誕生新的生命,開啟下一個輪回。

參考

  1. ^ Schröder, K. -P, Smith R C . Distant future of the Sun and Earth revisited[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 386.
  2. ^ Edwards A C . The Hydrodynamics of the Helium Flash[J]. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 1969(4):4.
  3. ^ Sackmann I J , Boothroyd, A. ~ I , et al. Our Sun. III. Present and Future[J]. Astrophysical Journal, 1993, 418(1):457-468.