地球每秒鐘都吸收著太陽巨大能量,最終能夠承受得了嗎?

2020-12-04 時空通訊

不少網友很擔憂地球每時每刻不斷的吸取著太陽能量,會不會總有一天承受不了而被「撐爆」呢?

這種擔憂比「杞人憂天」還荒唐些,因為地球已經存在46億年了,每天都接受太陽輻射,還沒看到它吃飽了的樣子,更別說「撐爆」了。

其實這個問題很好回答,只要問問提這種問題網友自己的感受就有答案了。

你天天都在吃飯喝水吃零食,怎麼沒見你「撐爆」呢?

可能你會回答:咋了,每天吃的東西不都拉了撒了嗎,運動勞動消耗掉了嗎,還有長肚皮長個子積存起來了嗎?這還不簡單?

但地球又不會拉和撒,它吃的東西到哪去了呢?怎麼不會撐破肚皮爆炸呢?

如果我回答你,地球也會拉和撒,也會運動消耗,也會長大長胖,你信嗎?

你不信,現在時空通訊就來和你掰扯掰扯。

首先我們來說說地球吸收到的太陽能量有多少。

我們太陽的能量是依靠核聚變得來的。

太陽是一個直徑有139.2萬千米的等離子體球,體積是地球的130萬倍,質量是地球的33萬倍。

太陽中心在1500萬K溫度下,在3000億個大氣壓的高壓下,氫的外層電子被剝離了,露出了一個光禿禿的原子核,於是原子核擠在一起融合成氦核,這就是核聚變。

太陽巨大的能量就是中心每時每刻進行著的核聚變中來的。這個能量有多大呢?

太陽每秒鐘有6億噸的氫參與核聚變,形成5.958億噸的氦,其中每秒鐘420萬噸的質量沒了,它們到哪兒去了呢?

這就是核聚變質量的轉化率,也就是0.7%的質量轉化成了能量,我們計算一下這個能量有多大。

計算嚴格遵循愛因斯坦的質能方程,這個方程的表達式為E=MC

式中,E是能量,單位焦耳(J);M是質量,單位公斤(kg);C為光速,單位米(m)。

E=4200000000kgx90000000000000000m=3.78x10^26J

太陽的這些能量以電磁輻射的方式放射到了太空中,我們地球作為一個小小寰球,從中能夠瓜分到22億分之一,每秒鐘得到1.72x10^17J的能量。

這些能量相當於1000萬座三峽大壩發電總量,3000多顆廣島原子彈同時爆炸的威力,地表每平方米得到1300多瓦的功率。

但這些能量根據質能方程,只有約19公斤質量完全轉化而來,也就是說太陽照射到地球上的能量全部轉化為質量,也就是每秒約19公斤。

如果這些能量還原為物質,一天就有約1642噸質量的物質來到地球,一年就是約60萬噸了。

看起來這個量似乎不小,然而地球的總質量約60萬億億噸,每年增加60萬噸,只是地球總質量的億億分之一。

現在地球還有50億年壽命,因此到了地球末日,按照這種速度增加,地球也只能增加質量3000萬億噸,是地球總質量的千億分之五,對地球似乎並無大礙。

何況太陽的這些能量並沒有轉化為質量在地球上儲存起來。

就好比你在陽光下曬曬太陽,如果不吃飯不喝水,照樣活不下去,太陽的能量並沒有轉化為食物讓你充飢解渴。

在質能轉化這個相互等效的過程,實際上並不能完全劃等號。在質能相互轉化過程中,雖然都是要極端高溫或者高壓,但質量轉化為能量相對容易些,而能量轉化為質量卻難上加難。

這是因為能量轉化為物質,需要比物質轉化為能量更極端的溫度或壓力。

太陽賦予地球的能量是通過電磁輻射過來的,電磁輻射的傳播媒介是光子。

因此如果太陽能量要轉化為物質,就需要光子轉化為物質。

光子轉化為物質的前提是,一對光子碰撞生成一對正負電子,電子就是物質的形式了。

太陽這麼多光子襲擊地球,難道就不能碰撞出電子嗎?

不能,因為光子本身一般不會碰撞的。幾乎所有光子都很孤傲,與自己的同類擦身而過連一個招呼也不會打,就像沒看見,或假裝沒看見。

所以如果兩束光交叉或者對射在一起,不會發生碰撞和散射,而是互不幹擾,繼續向前。

只有攜帶能量極大的光子,符合質能方程E=MC的光子,也就是說單個光子達到MC的能量,才會碰撞產生一個質量為M的粒子。

這需要高能γ光子才能夠起作用,而且這種光子還必須在重原子核或者黑洞附近,才能夠滿足能量和動量兩個守恆定律。

那麼太陽能否產生高能γ光子呢?

我們檢測一下太陽光譜就知道,太陽電磁輻射光譜波長99%以上在150~4000納米,而高能γ光子的波長在0.01埃米以下,也就是千分之一納米以下,太陽光譜裡基本沒有這種光子。

雖然太陽在耀斑爆發時會產生一些γ光子,但在整個光譜裡及其少量,成不了氣候。不過對於研究高能光子的科學家們有很大幫助。

高能γ光子的產生需要高輻射溫度,還必須存在於重原子核或黑洞附近,滿足能量和動量兩個守恆定律。

而太陽光子完全不具備這樣的條件。

太陽的質量限定了它無法達到產生高能γ光子的輻射溫度,所以陽光來到地球不會轉變成質量。

輻射溫度和能量關係表達式為E=KT

式中E為光子動能量;K為波爾茲曼常數,取值1.30864852x10^-23J/k;T為輻射溫度,單位k。

再把質能方程代入,得出T=MC/K。

也就是說,光子的溫度達到這個閾值(臨界值),才能夠達到產生粒子的能量。

根據電子質量9.1x10^-31千克,光速C為3.10^8米/秒計算,得出產生能製造出電子的高能γ光子閾值溫度為62億度以上,而產生一個質子溫度閾值則需要達到10萬億度。

從這個意義上來說,宇宙大爆炸和超新星大爆炸才能夠產生這種高能光子,因此這種極端天體事件是宇宙物質的主要來源。

但這種極高能量的光子極難到達我們的視野,因為在宇宙漫長的旅行中,有大量的宇宙微波背景輻射等低能光子攔截它們。

它們的特點再也不是孤傲地視而不見,它們財大氣粗,衣角也會打人,見到光子就撞,因此死得也就快,一撞就產生出正負電子對而湮滅了。

因此這種高能量光子很難到達地球的上空,科學家們窮追了幾十年,也沒有得到一個,只得在歐洲最大的強子對撞機裡用巨大能量催動粒子接近光速進行碰撞,如今已經進行了數萬億次的碰撞,才觀測到了幾十次這樣的高能光子可能的碰撞。

而我們太陽的溫度才1500萬K,差了多少數量級了,怎麼可能產生這種能夠碰撞出物質的高能光子呢?

從另一方面來說,這是人類和生態的幸運。如果真有很多這樣的高能光子到達地球,實際上也就是伽馬射線暴,俺們還有命活嗎?

即便是太陽溫和的能量,也不會在地球上積聚起來,而是白天吸收,夜間釋放,我把它叫做「拉了」。

地球在不斷的公轉,向陽的一面接收太陽能量,背陽的一面向太空釋放能量。要知道地球千公裡的高空,溫度只有-200℃以下,而且空間巨大,如果不是地球大氣有一定的儲能和保護作用,地球一到晚上就會成為一個超低溫冰窟。

距離太陽最近的水星就是典型的例子。水星向陽一面溫度高達427℃,而背陽一面,溫度低至-173℃。

所以晚上釋放輻射能量,就是地球的拉。

那麼地球「撒」又是怎麼撒出去的呢?就是大氣的飄散。

地球大氣在地表高度12公裡以內佔據了75%以上,這一層大氣叫對流層。我們人類享受的風雨雷電之類熱熱鬧鬧的氣氛,都發生在這個層級。

在這之上有平流層、中間層、熱層、散逸層。

這上面每個層次的大氣越往上走就越稀薄,但每個層次的大氣都有其不可或缺的功能,保護著人類和生態的存活繁衍。這不是本文的主題,在此不多做議論。

散逸層在800千米高空,一直到3000千米,這裡大氣已經非常稀薄,只佔地球大氣密度的10^-11。

但在這之上,還能夠探測到微量的大氣,一直到距離地球60萬千米的地方,也就是比月球還遠的地方,還有大氣存在。

散逸層之所以叫散逸層,就是從這裡開始,在太陽風的作用下,大氣就被源源不斷地吹走,吹散到宇宙空間去了。

據研究,地球大氣每分鐘有180公斤被太空抽走,一年下來就有近10萬噸之多。

這樣地球大氣豈不是越來越少,地球最後不就成了個裸球了?

不會的。地球大氣總量約6.0x10^22公斤,也就是約6000億億噸,約佔地球總質量的1%。

一年10萬噸只佔大氣重量的1.6x10^-15,也就是千萬億分之1.6。地球還有50億年的壽命,即便按這樣少下去,50億年也才損失了百萬分之八,無傷大礙。

但地球大氣並沒有這樣少下去,而是大氣被抽取的同時,也不斷的得到補充。

補充的方式有兩點:一點是太陽風雖然抽取了大氣,地球也從太陽風中剝奪氣體粒子,同時從圍繞太陽的公轉軌道上爭奪氣體離子;另外地面上的植物通過陽光的光合作用,也會產生氣體,不斷的補充大氣,而且將人們呼出的二氧化碳置換為氧氣,淨化空氣。

因此,地球大氣是在飄散和獲取生成中,保持了一個平衡。

而地球總體上質量還是在不斷增加的,但增加的量並不大。

地球每天都有許多的宇宙塵埃和隕石掉落在地表,這樣每年會增加約5~10萬噸的質量。

這點質量對地球來說實在是不值一提。

地球總質量約60萬億億噸,每年按增加10萬噸計算,只佔地球總質量的1.7x10^-17,也就是十億億分之1.7。地球壽命還有50億年,都按這樣增加,50億年質量也就增加了億分之八多點。

其實地球誕生早期就與一個火星大小的行星相撞,合併成了現在的樣子,質量至少增加了8%,還形成了一個月球。所以長胖點也沒啥。

地球就是在這種基本平衡中保持著穩定,給生態萬物提供了一個良好的環境。

現在真正值得擔心的是人類活動對環境和生態的影響,溫室效應已經嚴重威脅著人類的生存和發展,最近發生的冠狀病毒感染傳播或許也是人類肆意殺戮食用野生動物受到的報復。

人類必須改變自己的行為習慣,嚴戒惡習,與大自然和諧共存才能夠持續發展,走得更遠。

就是這樣,歡迎討論,感謝閱讀。

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