每年,地球繞軸旋轉一圈時,繞太陽旋轉一圈。在逐年的基礎上,我們的軌道變化微乎其微,以至於幾乎無法察覺,因為與行星繞太陽公轉的總時間(約45億年)相比,一次公轉(1年)的持續時間很小十億年)。然而,我們對宇宙的了解足夠廣泛,而我們的現代儀器也足夠敏感,我們不僅知道地球的軌道會隨著時間的推移而略有變化,而且我們可以量化並確切地說出這些變化將是什麼。這對地球繞太陽的速度意味著什麼?這就是許多人想要知道的,有人這樣問我:
「我讀過您的一篇文章說,(目前)地球軌道正在緩慢地遠離太陽移動。地球繞太陽旋轉是更快或更慢嗎?你能為我澄清一下嗎?」
這是一個令人著迷的問題,答案確實如此。每年,地球遷移都離太陽如此微小,並且花費更長的時間才能完成一次完整的公轉。
我們必須考慮的第一個效果是太陽照耀的事實。在這個宇宙中,沒有自由能之類的東西,甚至對於像太陽之類的東西也是如此,它發出高達4×10^26 W的連續功率。能量從何而來?從氫核(從質子開始)到氦-4(具有兩個質子和兩個中子)的核聚變,在這個鏈鎖反應中會釋放大量的能量。
每次四個質子融合在一起,最終產生一個氦-4核,就會釋放出總共28 MeV(其中MeV是一百萬電子伏特)的能量。如果將其轉換為質量(愛因斯坦最著名的方程式E = mc^2可以使我們做到),我們將了解到,由於核聚變的每一秒鐘,太陽總共損失了約400萬噸的質量。在我們的太陽系的整個生命周期中,由於核聚變或近似於土星的質量,太陽的質量下降了約95個地球質量。
除了由於高能輻射離開太陽而失去質量外,我們的母星還散發出粒子:太陽風。太陽邊緣處的粒子非常鬆散地固定在光球的邊緣。像電子、質子,甚至更重的原子核這樣的粒子可以獲取足夠的動能,以完全從太陽中彈出,從而形成一束粒子流,我們稱其為太陽風。此外,太陽耀斑、日冕物質拋射以及其他劇烈事件會定期且不定期地發生,從而進一步加劇了太陽的質量損失。
它們散布在整個太陽系中,絕大多數以星際介質纏繞著,目前每秒約運載160萬噸的質量。在太陽的整個生命周期中,這會導致約30個地球質量因太陽風而損失。當我們將太陽風損失與核聚變質量損失結合起來時,我們發現今天的太陽比太陽系誕生後大約45億年前的太陽輕約10^27千克。
當然,太陽風的存在不僅會影響太陽的質量和將地球與我們的太陽束縛的引力,而且其中的一部分也會粉碎進入我們的星球,從而產生各種影響。這些帶電粒子被地球磁場集中到我們的兩極,在撞擊大氣層時產生極光。與我們的星球碰撞的一些微粒子可以將大氣組成分子踢入太空,使它們完全逃離地球。
並且,與地球軌道變化問題有關,我們還可以使這些太陽風粒子與地球發生非彈性碰撞,從而改變我們的運動、質量以及線性和角動量。每年總共有約18,000噸物質撞擊我們的星球,從太陽到地球旅行大約需要3天。就像前面的兩種效應一樣(太陽由於核聚變而造成的質量損失和粒子的發射),這種效應也會隨著時間的推移非常輕微地改變地球的軌道。
這三個影響是目前唯一重要的影響,因此從長遠來看,我們可以計算出它們對地球軌道的影響。
太陽風猛烈撞擊地球的影響使我們一直向外微弱,但是與撞擊我們的少量太陽風相比,巨大的地球質量確保了這種影響很小。在每百萬年的過程中,它將地球的軌道向外推出大約一個質子的寬度:1,即整個太陽系生命周期將地球軌道向外推出半微米。然而,造成太陽質量損失的兩個原因——太陽風產生的約30個地球質量和輻射產生的約95個地球質量-更為重要。隨著時間的流逝,這種質量損失意味著地球每年以約1.5釐米(約0.6英寸)的速度向外盤旋。在太陽系的歷史上,考慮到太陽的變化,與45億年前相比,我們距離太陽約50,000公裡。
圖註:雖然地球的軌道在不同時間尺度上經歷周期性的振蕩變化,但隨著時間的推移,還有非常小的長期變化。雖然與這些長期變化相比,地球軌道形狀的變化很大,但後者是累積的,因此很重要。
如果願意,我們可以使用它來計算我們的軌道速度也發生了多少變化。
約29.78 km / s(18.51 mi / s),或光速的約0.01%。實際上,這略有不同,因為地球繞太陽繞橢圓軌道運行:在近日點處移動得更快(離太陽最近),而在頂頭點處移動得更慢(離太陽最遠)。差異很小,但可以計算。以,我們以30.29 km / s(18.83 mi / s)的最快的速度穿越太空,我們以29.29 km / s(18.20 mi / s)的最慢的速度穿越太空。
儘管我們尚無法精確地測量出我們在太空中的速度如何變化,但我們對正在發揮作用的物理的理解(軌道動力學,角動量的行為以及引力的工作原理)使我們能夠計算出不斷變化的太陽系影響(並將繼續影響)我們的速度。每過一年,地球移動速度就比上一年快了3納米/秒。從以前的數學推論得出,在太陽系已有45億年的歷史中,我們的星球以每秒約10米的速度或每小時約22英裡的速度減速。
請注意,這就是今天地球軌道的變化方式,以及迄今為止的變化方式。同樣的分析非常適用於我們的過去以及近期的未來。但是,隨著我們尋找越來越長的時間尺度以及太陽系的遙遠未來,我們可以確定出三個未來影響,這些影響在最終變得重要時可能會大大改變我們的軌道。
還有一些。 隨著時間的流逝,彼此拉動的行星的引力效應可能會導致我們的軌道變得混亂。例如,儘管在接下來的十億年內,內部行星都是安全的,但大約有1%的機會使我們中的四個(水星,金星,地球或火星)之一在我們的太陽系軌道上變得不穩定。如果發生這種情況,地球的軌道可能會發生重大變化,甚至可能將我們的星球拋向太陽或將其完全從太陽系中彈出。 這是我們行星軌道中最不可預測的部分。
此外,太陽將在壽命快結束時迅速發展,噴射出大量物質並膨脹成紅色巨人。在這個階段,地球的軌道將顯著向外螺旋,增加大約10-15%,而我們的軌道速度減少大約相同的百分比。同時,太陽正在膨脹,據估計它將吞沒水星和金星,並且會比地球目前的軌道大,但幅度不會太大。地球的最終命運仍然未知。
發生的隨機遭遇是我們無法預測的很遠:流氓恆星、褐矮星和其他質量通過我們的太陽系。它們中的任何一個都有可能發射出地球或擾亂我們的軌道,但是這些變化是無法預測的。
最後,有引力波。如果所有其他方法都失敗了,地球將以引力輻射的形式輻射出其軌道能量,從而導致我們的軌道衰減,並且地球又在大約10^26年後旋入太陽的剩餘部分。這與今天的時間範圍無關,但距離未來足夠遠,這可能是任何後果的唯一軌道效應。
總而言之,地球每年以約1.5釐米的速度遠離太陽旋轉,導致其軌道速度在該時間範圍內每秒下降約3納米。如果將太陽系歷史上發生的所有微小變化加在一起,您會發現我們現在的軌道比45億年前的軌道距離更遠了50,000公裡,並以大約10米的距離移動太陽周圍的每秒速度比我們過去時慢。隨著時間的流逝,隨著太陽繼續由於核聚變和太陽風而失去質量,我們將繼續走慢並減速。
這似乎有悖常理,但如果你像把一個球放在繩子上旋轉一樣,想想地球繞太陽運行的想法就更有意義了。如果你的繩很短,你施加的力很大,球會旋轉得非常快。如果你繩子的很長,力很小,球旋轉更慢。當我們拉長代表地球與太陽距離的繩子時,引力會變弱一點,因此地球別無選擇,只能更慢地移動。逐年影響可能很小,但據我們所知,宇宙具有無限的耐心。享受您最近一次圍繞太陽的旅程,因為我們再也不會經歷如此快速的旅程了。