地球每年遠離太陽1釐米,為何10億年後會因為太熱而不適宜生存?

2020-12-03 薛丁格的科學

我們都知道太陽燃燒的原理和氫彈的原理有點類似,都是核聚變反應。而核聚變反應前後,會損失一部分質量,這部分質量會以能量的形式釋放出來。

那麼問題就來了,按照這個想法來看,太陽每天燃燒都會損失質量,所以引力就會變小,那地球就應該會越來越遠離太陽。離太陽越遠,獲取到的太陽熱量就會越少,那應該溫度越來越低才對,可為什麼地球將會在10億年後因為太熱而不再有任何的生物?

太陽核聚變

這事情是要從太陽核聚變說起。我們都知道太陽是核聚變反應,可是太陽為什麼會平白無故就發生核聚變反應?還有太陽系除了太陽之外,其他的天體為什麼不會像太陽這樣自發地發生核聚變反應?

其實這和太陽的質量有關。太陽的質量在太陽系中是絕對的主宰,佔據太陽系總質量99.86%以上。

這就使得太陽的引力巨大,這個引力使得太陽內部的溫度急劇升高,可以達到1500多萬度,200多萬個標準大強壓。這就使得太陽並非是我們常見的普通物質狀態,而是等離子態。等離子態意思是說,構成太陽的原子中,電子獲得了足夠多的能量。於是,不再受原子核的束縛,開始自由奔放地在太陽內部瞎逛。所以,此時的太陽更像是一鍋粒子粥。

而構成太陽的主要是氫元素,也就是說,太陽就像是一鍋氫原子核(質子),電子,光子構成的粒子粥。照理說,原子核是帶正電,同種電荷相互排斥,也就是說,想要讓原子核之間發生核融合,也就是核聚變反應,是很難的,需要克服靜電斥力。

想要實現這個氫原子核的核聚變的條件大概是1億度,所以,太陽照理說是不應該發生核聚變反應。這也是為什麼我們引爆氫彈之前,都會先引爆一顆原子彈,原子彈是可以提供氫彈核聚變反應所需要的溫度。

雖然溫度不夠高,但太陽足夠大,粒子數足夠多。而在微觀世界中存在著一種量子效應叫做隧穿效應。意思是說,原本需要能量才能實現的事情,在微觀世界中也有一定概率發生。對於一堆原子核來說,大概在10億年左右才能發生一次反應。

而太陽的粒子數足夠多,所以反應得以進行,只不過會以「非常溫和」的方式進行,這才確保了太陽不像氫彈那樣一下子全炸了。在隧穿效應的幫助下,太陽內核會發生4個氫原子核最終聚合成一個氦原子核的過程。這個過程有兩條路徑,一條叫做質子-質子反應鏈,另一條叫作碳氮氧循環。

地球真的在遠離太陽?

太陽的核聚變反應確實會使得太陽的質量減小,大概每秒鐘會損失420萬噸的質量(4.2*10^7噸),這部分質量以能量的形式釋放出來。這質量看起來已經很多了,但如果我們對比一下太陽自身的質量1.9891*10^27噸,就會發現核聚變損失的質量相對於太陽自身質量是一個很小的數字,完全可以忽略不計。

但是太陽是持續在燃燒,所以量變還是會引發質變的。科學家發現,地球每年大概會遠離太陽1.5釐米。其實不只是地球在遠離太陽,金星,火星等太陽系的天體也有類似的情況,比如:金星每年會遠離太陽1釐米左右。

不過,我們要知道的是,1.5釐米相對於日地距離1.5億公裡,也是極其小的數,同樣是可以忽略不計的。所以,地球遠離太陽這件事情其實對於地球的影響並不大,對於地球的環境和氣候幾乎是沒有任何的影響。那地球未來到底是會升溫還是降溫呢?

地球的未來

我們都知道,地球的主要能量來源就是太陽的輻射。地球上的植物通過光合作用,利用太陽光,把二氧化碳和水合成富能有機物,這也是食物鏈的基礎。

而陽光照射到地球後,由於地球有大氣層、以及海水佔據表面積70%,地球可以很好地保住自己的溫度,不讓熱量快速流失,所以地球的晝夜溫差和其他天體比起來是非常小的。

這其實側面也反映了地球到底宜居不宜居和太陽的輻射強度有關。如果太陽的輻射強度增大,那地球就會升溫,當增大到一定程度後,地球可能就不再適宜居住了。所以,要知道地球將來的溫度變化,實際上得看太陽未來輻射強度的變化。

我們在開頭也說到了,太陽的輻射是依靠核聚變反應。所以,我們又可以把問題轉化為太陽未來核聚變反應強度是變大了還是變小了?

實際上的答案是:變大了。為什麼會這樣呢?

我們可以從宏觀視角來看這個問題,太陽之所以還夠保持一定的體積範圍。是因為太陽有一對力處於動態平衡,一個是自身的引力,另外一個就是核聚變產生的對外壓力。

當太陽的質量減少後,引力就會減少,因此,引力對抗核聚變對外壓力的能力就下降了。而原本引力是可以約束核聚變反應強度的,現在約束的強度下降了,太陽的核聚變反應就會愈加劇烈。

所以,太陽的輻射強度是在升高的。科學家估算過,再過10~20億年後,地球將會因為太熱而不再適合生物居住,也就是說地球在那時起就不在宜居帶內了。不過,火星恰好是在宜居帶內的,所以,如果那個時候還有人類,最好的辦法就搬家到火星。

總結

根據上文的分析,我們知道,地球確實是在遠離太陽,每年大概是1.5釐米左右。但這些偏移量其實並不會造成多大的影響。而隨著太陽輻射強度的升高,地球在未來10~20億後就因為太熱而不再適合宜居了,而此時的火星恰好是在宜居帶內。

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  • 地球與太陽之間的距離如果變化20釐米,會有影響嗎?
    那麼,如果地球向太陽方向靠近20釐米,會出現什麼情況呢?黃赤交角並非一成不變,會隨著月球對地球的引力,使地球自轉軸有向著與地月質心連線相垂直的變化趨勢,不過月球相對於黃道平面也是呈周期性的兩側擺動,所以黃赤交角會有輕微的浮動變化,不過這個變化過於微小,通常情況下會忽略不計。從公轉速度上看,地球公轉軌道的總長度約為9.4億公裡,按照恆星年來計算地球公轉的平均線速度約為29.8公裡每秒。
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