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天文科普 | 太阳和地球的未来——《流浪地球》靠谱的与不靠谱的

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流浪地球2》上映,修改之前的文章,再蹭热度强行科普。

 

流浪地球中,最基本的假设是:太阳即将离开主序星阶段,会发生氦闪,从而造成人类无法再在地球上生存(准确的说,是地球轨道不再是宜居带),所以人类必须去寻找新的家园。

如果流浪地球中的场景真的发生,数亿人乃至数十亿人死亡是完全可能甚至是肯定的,甚至地球人直接灭亡都有可能。那么,地球真的可能会有这样的未来吗?很遗憾,还真的会!

按照当前太阳演化的模型,太阳真的会逐渐膨胀并吞没地球,也会发生恐怖的氦闪。不过,大家大可以放心,这个事情要50亿年后才会发生。就算从非洲南方古猿算起,人类历史也就数百万年而已。地球被太阳吞没,还早着呢。相反,我们更应该考虑的是,早在太阳膨胀到吞没地球之前,地球早就不再适合人类居住了。

太阳的基本结构

 

不关心(物理差看不懂)这一段的可以直接跳到最后的结论

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核心

从太阳中心到0.25个太阳半径,属于太阳的内核。这里有高温(1500万摄氏度),高压(2.65X10¹帕斯卡,地球大气压的260亿倍)。在这个高温高压下,发生着4个氢原子聚变成一个氦原子并释放能量的过程。

辐射区和对流区

从核心外一直到接近太阳表面,核心区产生的能量通过这两个区域,首先通过辐射(辐射区),然后通过对流(对流区)传递到太阳表面,温度由1500万摄氏度降低到大约5500摄氏度。太阳核心产生的能量(主要是γ射线),在传递到太阳表面的过程中,不断的与太阳内部的物质相互作用,降低能量,直至到达太阳表面,主要以可见光的形式离开太阳,照耀整个太阳系。这个过程非常曲折,虽然离开太阳表面的光,8分钟多就能到达地球,但核心产生的能量,要数万年才能传递到太阳表面。

光球层

光球层就是太阳表面,我们平时看到的太阳就是这一层。光球层温度大约5500摄氏度,我们可以在光球层看到太阳黑子现象。光球层非常薄,只有大约100千米厚。

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太阳光球和太阳黑子,米粒组织

太阳大气

光球层以上的部分,都可以称为太阳大气,由内向外分别是色球层(借助日珥望远镜可以看到这一层,可以看到漂亮的日珥)、日冕层(日全食时可以看到)、太阳风层(这一层范围极大,从大约20个太阳半径,一直到太阳系的边界)

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太阳色球和日珥,摄影,天下建筑

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日全食/日冕,摄影,梓阳

太阳的核反应过程

太阳别看那么大(直径是地球的109倍,体积是地球的130万倍,质量是地球的33万倍),但基本上由两种物质构成,一种是氢(没错,就是氢气球的那个氢),占太阳总质量的73.46%;一种是氦,占太阳总质量的24.85%。氢和氦两种元素占了太阳总质量的98.3%!

在太阳核心,0.8%的太阳体积,集中了34%的太阳质量。在这里,日夜不息的进行着4个氢原子聚变成一个氦原子的过程,并释放大量的能量。

大约太阳质量的恒星,其核心发生的核反应过程被称为质子-质子反应链,具体过程为:

  1. 两个质子(即氢原子核)聚合成为一个氘原子核,并释放中微子和正电子;
  2. 氘原子核和一个质子聚合,成为一个氦3原子核;
  3. 两个氦3原子核聚合,成为一个氦原子核,并释放两个质子。
太阳巨大的引力一直促使太阳收缩,而核反应产生的巨大能量促使太阳膨胀。随着反应的进行,太阳核心的核反应一直在加速,不断加速的核反应,导致太阳的亮度和体积都一直在增加。从太阳诞生到现在的大约46亿年中,太阳的亮度增加了大约30%,半径增加了大约10%。

太阳的膨胀过程

在今后的日子里,太阳核心的核反应速率进一步加快,太阳不断膨胀,太阳的表面亮度大约以每一亿年增加1%的速率在增加,这个速度看起来很慢,但长期的,影响巨大。

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25亿年后,太阳的表面亮度增加26%,表面温度增加大约50摄氏度。之后,太阳的亮度和半径继续增加,但表面温度开始降低。

大约54亿年后,太阳寿命100亿年,此时,太阳的表面亮度几乎加倍,而半径增加超过三分之一。这时候,太阳核心内部的氢消耗巨大,核心外围氢的核聚变开始占主导地位,太阳的膨胀加速,开始向红巨星转变。

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再经过大约20亿年的演化,太阳的表面亮度增加到现在的2700倍,半径增加到现在的大约250倍,大约1.7亿千米,超过地球的轨道半径1.5亿千米,真的吞没地球不过此时,由于体积膨胀,太阳的表面温度降低到仅有大约2400摄氏度,太阳看起来不再是金黄色的,而是红色的。太阳成为一颗红巨星

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这时,一个更加好玩的事情发生了。由于太阳核心的氢已经燃烧殆尽,核反应速率暂时变慢,太阳核心在引力作用下塌缩,压力及温度增加,直至点燃氦元素。氦元素一旦点燃,由于反应极为剧烈,并且越来越快,在几分钟之内,就将核心大约6%的物质(太阳总质量的40%)转变为碳元素。这个过程被称为氦闪。太阳发生氦闪时,短短几分钟之内,核反应释放的能量就达到了当前太阳大约2亿年释放的能量总和!

不过,氦闪发生的时候,虽然产生了大量的能量,不过这些能量基本上都用来改变太阳核心的状态,被太阳核心吸收,几乎没有多少能量传递到太阳外层。所以,对于外界的观测者,如果不借助精密的仪器,几乎无法感觉到氦闪的发生。另外,氦闪后,太阳的体积和亮度大大缩水,半径减小到大约现在的11倍,亮度是现在的大约50倍。

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氦闪后的太阳

 

氦闪以后,太阳是一个类似于洋葱的多层结构。最核心是一个由碳和氧元素构成的核心,碳-氧核心外侧的一层,进行着氦元素的聚变,不断的将氦元素聚变成碳元素,并增加碳-氧核心。再向外,是一个没有发生聚变的氦元素壳层。氦元素壳层外,发生着氢元素的聚变,并不断增大下面的氦元素壳层。

 

在此后的1亿多年里,随着核心氦元素的聚变,太阳再次经历表面亮度和半径的增加,表面亮度最高可能会增加到现在的3000倍以上,太阳体积也可能再次膨胀到现在的地球轨道附近。另外,随着核心氦元素的消耗,同时由于氦元素的聚变速度快于氢元素的聚变,氦的聚变逐渐向外膨胀追上氢元素的聚变。这样,导致核心缺少氦元素从而核反应中止。不过,外层的燃烧很快使核心再次集中足够的氦元素,导致氦元素的再次点燃。

 

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这个过程反复发生多次,将太阳外层物质吹离太阳,形成行星状星云。这样,将近一半的太阳质量形成漂亮的行星状星云,为附近智慧生命的天文爱好者增加了一个观测目标。而太阳的核心物质,形成一个主要由碳元素构成的白矮星,变成一颗超级大的钻石。
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地球人何去何从

与大多数人所想不同的是,即使太阳膨胀到地球轨道把地球吞没,地球并不会被太阳烧掉。这时,地球轨道附近的太阳物质密度非常低,和真空没有太大的差别,地球依然会安然无恙的绕着太阳转,当然,地球上的生命可就没法安然无恙了。类似的现象是,彗星的彗尾也会扫过地球,除了形成大量流星外,对地球不会有多大的影响。

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想象图,地球在红巨星的太阳中运行。Image: © James Gitlin/STScI AVL

实际上,早在太阳膨胀到地球轨道之前,地球早就不适合人类居住了。这里,需要讲解一下宜居带的概念。

宜居带是说,一颗恒星外面一个适当的距离范围,在这个距离范围内的行星,表面温度比较合适,可以允许液态水的存在,从而适合人类这种生命的存在。当前,太阳的宜居带就在地球轨道附近。很明显,恒星的表面亮度越大,宜居带就会距离恒星越远。

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实际上,仅仅大约10亿年后,太阳的表面亮度增加了大约10%,这时,宜居带就会离开地球轨道。除非地球人想出给地球降温的办法,或者进化得很耐热,否则就必须再找个窝了。

太阳年龄大约100亿年,太阳还没有膨胀到水星轨道,太阳的质量也仅仅耗费了不到1%。所以,地球还在当前的轨道转圈,但宜居带跑到了火星轨道附近,所以,移民火星确实是一个好主意。

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当太阳年龄达到120亿年,太阳成为一颗红巨星,太阳吞没了地球(轨道)。不过,由于这时太阳已经丢失了大约三分之一的质量,所以地球会自然的远离太阳,会跑到当前火星的轨道附近继续绕太阳转圈。难道地球又宜居了?错!因为宜居带又跑了,跑到哪里呢?大约在50AU到70AU之间(AU即天文单位,是一个距离单位,1AU等于地球轨道的半径大约1.5亿千米),作为对比,冥王星的轨道半径大约39AU,也就是说,那时候的宜居带跑到了冥王星轨道外侧,到了柯伊伯带!所以,寻找第十大行星真的很有必要啊!

 

《流浪地球》中靠谱和不靠谱的

 

所以,大刘对《流浪地球》的设定,大方向没问题,不过细节方面,问题多多。

 

太阳确实会膨胀并吞没地球,太阳确实会发生氦闪并短时间内释放巨大的能量,太阳内的氦元素确实会多次点燃。地球人如果要固守地球,确实会死路一条。

不过:

  1. 这事儿早着呢,要几十亿年以后呢~
  2. 氦闪发生的时候,这个过程本身,对地球几乎没有影响。
  3. 实际上在氦闪发生前,地球已经被太阳吞没并且烤熟了。
  4. 地球会被太阳烤熟,不过地球还会安然无恙的绕着太阳转。
  5. 实际上在地球被太阳吞没之前几十亿年,地球早就热的不要不要了。

 

公众号:positron的科学世界

公众号简介:物理学,天文学方向的科普文章,以及小学科学涉及到的各类科学知识。 作者秦鸿翼,网名positron,理论物理硕士,国内知名业余天文学家,天文科普作家,天文摄影师。杭州市天文学会创始人之一,首任理事长。现在致力于推动杭州市青少年的天文科普。

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