Судьба Солнца и Солнечной системы – каково наше прошлое и будущее.
Каждому интересно узнать, что же происходило и, главное, будет с нашей планетой Землей. Но ее судьба тесно связана с Солнцем.
Рассмотрим сначала, каково было наше прошлое.
В 1944-49 гг. – О.Ю. Шмидт предлагает следующий сценарий образования Солнечной системы: Солнце и планеты образовались из единого газо-пылевого комплекса массой примерно 10 5 масс Солнца около 5 млрд. лет назад. Сначала образовалось Солнце, а затем около 4.6 млрд. лет назад — планеты.
Как считают сейчас учёные, Солнце и другие звёзды образуются из газо-пылевых облаков в результате небольшого гравитационного сжатия, при котором образуется небольшое уплотнение, к которому притягивается окружающий газ. Сжимаясь, эта протозвезда разогревается, пока в ней не начинаются термоядерные реакции. После этого звезда выдувает своим излучением вокруг себя газ, остатки которого вращаются в окружающем ёё газо-пылевом диске.
При вращении диска вокруг Солнца твердые породы слипались и образовывали планеты земной группы, а легкие элементы выносились солнечным излучением на периферию и из них сформировались планеты-гиганты.
После этого Солнце выходит на главную последовательность и находится в относительно стабильном состоянии, пока не выгорят запасы водорода в ядре.
Сейчас Солнце непрерывно перерабатывает водородное топливо в гелиевый «пепел», остающийся в ядре. Четыре ядра атома водорода превращаются в одно ядро атома гелия, поэтому средняя масса частиц в центре Солнца со временем возрастает. Вместе с тем ядра гелия создают меньшее давление по сравнению с ядрами водорода. За счет этого скорость превращения водорода в гелий снижается, что приводит к нарушению баланса между давлением и гравитацией. С течением времени размер ядра Солнца постепенно уменьшается. Но в более плотном и горячем ядре реакции синтеза элементов начинают протекать быстрее. Увеличивается количество вырабатываемой энергии, которая вырывается из центра: она понемногу расширяет внешние части звезды и увеличивает ее светимость.
Такие медленные изменения в ядре Солнца протекают с того момента, как наша звезда появилась «на свет». В настоящее время светимость Солнца примерно на 30% вышей той, которая была 4,6 миллиарда лет назад. Эта тенденция с постепенным ускорением сохранится и в будущем до тех пор, пока солнечный шар не расширится до гигантских размеров, и звезда не превратится в красный гигант. Это произойдет уже после истощения запасов водорода в ядре.
Таково наше прошлое и настоящее по мнению астрономов. А какое же будущее предрекает нам наука? Оказывается возрастание излучения Солнца приведет к гибели земной биосферы задолго до превращения Солнца в красный гигант.
Первыми учеными, которые обратили внимание на непосредственное влияние на Землю со стороны возрастающей светимости Солнца, были Джеймс Лавлок и Майкл Витфилд. В статье, опубликованной в 1982 году в журнале « Nature », они показали, что по мере нагревания Земли ее горные породы будут подвергаться нарастающему разрушительному воздействию со стороны атмосферы, в следствии чего усилится поглощение углекислого газа (С02): атмосферный углекислый газ в результате химических реакций будет связываться с осадочными горными породами. Лавлок и Витфилд подсчитали, что за 100 миллионов лет количество находящегося в атмосфере СО2 снизится до уровня, который уже не сможет обеспечивать фотосинтез. Начнут исчезать растения. За ними последуют и животные, которые питаются растениями и дышат кислородом — продуктом процесса фотосинтеза, протекающего в растениях. И все это, по мнению ученых, случится через промежуток времени не больше того, который отделяет нас от эры динозавров.
Современные ученые в целом соглашаются с выводами Лавлока и Витфилда, хотя и находят их излишне пессимистичными. Новая модель, разработанная учеными из Университета штата Пенсильвания (США) Кеном Кальдера и Джеймсом Кастингом, включает в себя более корректное толкование парникового эффекта, чем это имело место в работе Лавлока и Витфилда. В новой модели биосфера будет существовать еще, по крайней мере, в 10 раз больший период времени, чем тот, который прошел с момента ее образования.
Примерно через 3,5 миллиарда лет светимость Солнца возрастет на 40% по сравнению с настоящим уровнем. Все запасы воды с поверхности нашей планеты испарятся, поверхность иссушится, растрескается и будет похожа на поверхность Венеры наших дней. В отсутствие воды углекислый газ, 25-40% современного количества которого растворено в водах океанов, будет иметь только один путь — в атмосферу. Большее количество СО2 в атмосфере приведет к еще большему нагреванию поверхности планеты вследствие парникового эффекта. Земля покроется трещинами, и в результате увеличения вулканической активности в атмосферу попадет дополнительный объем углекислого газа. В итоге Земля не только лишится всех водных запасов, но и будет окутана тонкой оболочкой углекислого газа. Биосфера исчезнет.
Затем в течение нескольких миллиардов лет безжизненная Земля изменяться не будет, за исключением непрерывного повышения температуры ее поверхности. Но через 7 миллиардов лет излучение нашего светила начнет резко возрастать, что будет означать переход Солнца в следующую фазу эволюции. Когда возраст Солнца достигнет 12 миллиардов, лет запасы водорода в его ядре иссякнут.
После этого ядро звезды начнет стремительно сжиматься, поскольку гравитационному сжатию больше ничто не препятствует. В результате сжатия температура внутри ядра резко возрастет и поступающий из внешних слоев водород вновь начнет превращаться в гелий с еще большей скоростью. Выделяющаяся при этом энергия устремится к внешним слоям звезды, расширяя их сначала в 2, затем в 3 раза и более. Солнце закончит пребывание на главной последовательности эволюции звезд и примерно на 700 миллионов лет превратится в субгигант.
Когда весь водород в ядре Солнца израсходуется, ядерное горение переместится в расширяющуюся оболочку ядра. Это изменение приведет к событиям, которые резко увеличат потребление водорода и выделение энергии, что приведет к расширению поверхностных слоев нашего светила до ошеломляющих размеров. Оно превратится в раздувшуюся карикатуру своей первоначальной формы, его диаметр возрастет более чем в 160 раз. Солнце станет красным гигантом.
В ту эпоху для внутренних областей Солнечной системы наступят действительно тяжелые времена. По мере увеличения размера Солнца, превращающегося в красного гиганта, оно поглотит и испарит сначала Меркурий, затем Венеру. В Солнечной системе на две планеты станет меньше. Но что случится с Землей? Ответ неоднозначный. Дело в том, что на стадии красного гиганта эволюционирующая звезда теряет большую часть своей массы, которую уносит в открытый космос мощный звездный ветер. Солнце теряет свое вещество и сейчас. Его уносит в окружающее пространство вырывающийся из солнечной короны поток разреженной плазмы. В настоящее время Солнце теряет едва ли более одной сотой процента своей массы за один миллиард лет. Но звездный ветер красных гигантов, находящихся на поздних стадиях, например, переменных звезд типа Миры Кита, обладает гораздо более страшной силой. Он просто сдувает с красного гиганта в космическое пространство легкие фракции вещества. Так образуются планетарные туманности. Модели эволюции звезд показывают, что Солнце потеряет почти половину своей массы, прежде чем станет белым карликом.
По мере потери Солнцем своей массы планеты будут двигаться вокруг него по все более увеличивающимся орбитам из-за ослабления гравитационного притяжения Солнца. По этой причине конечная судьба Земли остается неопределенной. Возможно, наша планета избежит встречи с раздувшимся Солнцем, перейдя на орбиту, на которой в настоящее время находится Марс.
Произойдет это или нет, зависит от того, потеряет ли Солнце достаточную массу перед тем, как расширится. Некоторые модели предсказывают, что у Земли будет достаточно времени для того, чтобы избежать гибели. Но другие модели предсказывают совершенно иной результат. Согласно вычислениям, выполненным Джорджем Боуеном и Ли Энн Виллсон из Университета штата Айова (США), основная потеря массы Солнца произойдет лишь после того, как оно проглотит Землю.
Астрономы не знают точно, что произойдет с Солнцем в конце фазы красного гиганта, поскольку пока не удалось построить подходящую модель для событий, связанных с гелиевой вспышкой — началом горения гелия в ядре звезды. Исследования Виллсон привели ее к выводу о том, что Солнце, возможно, доживет до гелиевой вспышки, еще не потеряв своей основной массы. По ее мнению, Земля сгорит дотла, а ее пепел будет развеян солнечным ветром.
Каспер Рибики из Польской Академии наук и Карло Денис из Университета города Льеж (Бельгия) полагают, что Приливное взаимодействие приведет к уменьшению орбиты Земли. Внешняя оболочка Солнца, по всей видимости, «захватит» Землю, и будет «затягивать» ее к ядру, особенно на последних стадиях жизни красного гиганта, когда повторяющиеся кратковременные гелиевые вспышки раздуют звезду до максимальных размеров.
Даже если Земле удастся избежать этой опасности, она будет изрядно «поджарена». Когда светимость Солнца увеличится от 2000 до 3000 раз по сравнению с настоящим уровнем, температура поверхности Земли достигнет 1500°С.
Наша планета в итоге превратится в шар расплавленной лавы, а вся ее атмосфера и твердый поверхностный слой просто выкипят.
Такой бесславный конец ожидает нашу родную планету в отдаленном будущем. И если человечество не найдет способа переместиться в другую пригодную для жизни область космоса само на космических кораблях или вместе с планетой Земля, то нашу цивилизацию ждет гибель. Однако в нашем распоряжении еще есть, как минимум, сотни миллионов лет. За это время можно найти выход.
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов
Источник
Все за сегодня
Политика
Экономика
Наука
Война и ВПК
Общество
ИноБлоги
Подкасты
Мультимедиа
Наука
Forbes (США): пока Земля удаляется от Солнца, но со временем она столкнется с ним
Будь у нас возможность измерять среднее расстояние от Земли до Солнца в течение целого года и на протяжении нескольких лет, мы бы обнаружили нечто весьма тревожное. С каждым годом наша планета понемногу удаляется от Солнца — примерно на полтора сантиметра в год. Миллиарды лет Земля медленно мигрирует по своей орбите вовне, и эта тенденция должна сохраниться на миллиарды лет.
И все равно это лишь временное явление. Со временем Земля утратит свою орбитальную энергию и полетит в сторону Солнца, даже если оно не поглотит нашу планету, когда станет красным гигантом. В далеком будущем в игру в Солнечной системе вступит множество факторов, но в итоге последнее слово будет за Эйнштейном. Как же будет меняться орбита Земли вплоть до ее печальной кончины?
Мысль о том, что земная орбита со временем меняется, многим кажется странной и обескураживающей. В конце концов, мы со времен Кеплера, то есть, более 400 лет очень хорошо понимаем, как движутся планеты. Его первый закон планетарного движения гласит: орбита каждой планеты — эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце. И этот закон полностью соответствует ньютоновской теории тяготения.
Это производит еще большее впечатление, если задуматься о том, что закон всемирного тяготения Ньютона был сформулирован лишь спустя 60 лет после того, как Кеплер изложил свои законы. Тем не менее, законы Кеплера и Ньютона в действительности верны лишь приблизительно. Есть шесть отдельных явлений, которые играют роль «спойлера» в этом точном и совершенно стабильном решении. Перечислим каждое из них и расскажем о тех эффектах, которые эти явления производят.
1. Ядерный синтез в Солнце. Каждую секунду значительное количество легких атомных ядер внутри Солнца превращается в более тяжелые элементы и изотопы в ходе реакции ядерного синтеза. Когда легкие элементы объединяются в более тяжелые, тяжелые ядра становятся прочно связанными, но для этого требуется выделение энергии. Конечный продукт солнечного синтеза гелий-4 на 0,7% легче, чем четыре протона, которые образуют его в результате цепной реакции.
Таким образом, Солнце каждую секунду теряет в целом четыре миллиона тонн массы по формуле Эйнштейна E = mc². Такая потеря массы ничтожно мала, но со временем она накапливается. С каждым годом из-за такой потери массы в результате ядерного синтеза земная орбита увеличивается на полтора сантиметра. За все время своего существования Солнце из-за ядерного синтеза потеряло такое количество массы, которое соответствует массе Сатурна.
2. Обращаясь по орбите вокруг Солнца, Земля сталкивается с частицами. Это производило колоссальный эффект на раннем этапе существования Солнечной системы, когда Солнце окружал протопланетный диск вещества. Это снова будет производить колоссальный эффект, когда Солнце станет красным гигантом, потому что через 7,6 миллиарда лет оно выбросит огромное количество вещества, составляющее около 33% его общей массы.
В обоих случаях, когда это вещество сталкивается с Землей, наша орбита меняется. Точное количество этих изменений зависит от скорости вещества относительно Земли. При формировании Солнечной системы это движение вовнутрь, а в конце жизни Солнца это движение наружу. Но сейчас нас бомбардируют в основном только частицы солнечного ветра, масса которых ничтожна, составляя около 18 000 тонн в год. Это очень мало. Под воздействием этих частиц земная орбита каждый миллион лет меняется всего на ширину протона.
3. Гравитационное воздействие других массивных тел в нашей Солнечной системе. Это может играть существенную роль, а может и не играть. В нашей Солнечной системе есть много объектов, обращающихся по орбите вокруг Солнца и вокруг других тел. У каждого из них вполне определенный и немалый размер и масса, и они оказывают друг на друга взаимное гравитационное воздействие. Когда это происходит, появляется шанс на то, что эти орбиты со временем изменятся и станут хаотичными.
Согласно выводам одного недавнего исследования, существует примерно однопроцентный шанс на то, что одна или более из четырех внутренних планет Солнечной системы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) в предстоящие несколько миллиардов лет утратят свою орбитальную устойчивость. Если такое случится, орбита Земли может существенно измениться. Не исключено, что под воздействием этих сил наша планета врежется в Солнце или покинет пределы Солнечной системы. Это самая непредсказуемая составляющая земной орбиты.
4. Солнце превратится в гигантскую красную звезду. Мы знаем, что это случится, и нам также примерно известно, как это произойдет. Внутреннее ядро сократится и раскалится; внешние слои вспучатся и чудовищно увеличатся в размерах; в ядре звезды начнется гелиевый синтез; Солнце выбросит значительную часть своей массы. Но для нас важнее всего другое. Превратившись в красный гигант и увеличившись, Солнце поглотит внутренние планеты.
Исчезнет Меркурий. Венеру Солнце тоже проглотит. Земле также наступит конец, если только она не сумеет отдалиться от Солнца более чем на 15% от своего нынешнего радиуса, что весьма сомнительно и потребует от нее усиления орбитальной нестабильности в период от настоящего времени до превращения Солнца в красный гигант. Но чтобы Земля выжила при красном гиганте (а она может), ее отдаление от Солнца должно закончиться уже сейчас.
5. Другие тела в галактике. Время от времени вблизи нашей Солнечной системы будет проходить крупная масса, скажем, звезда, коричневый карлик или блуждающая планета. Очень маловероятно, что такой объект пролетит достаточно близко и выведет земную орбиту из стабильного состояния до того, как Солнце превратится в красный гигант. Но после этой фазы времени будет очень много. К тому моменту, когда возраст Вселенной в 100 тысяч раз превысит ее нынешний возраст, близкое гравитационное схождение будет намного вероятнее.
Когда исчезнет Меркурий и Венера, Земля станет самой близкой к Солнцу планетой. Когда случится неизбежное, может произойти одно из двух. Либо вторгшаяся масса выведет Землю из состояния покоя, сделав ее орбиту нестабильной, либо система Солнце-Земля (возможно, вместе с Марсом, Юпитером и другими оставшимися планетами) будет выброшена из нашей Галактики. Это хаотичный и непредсказуемый процесс, и может случиться что угодно. Надо только дождаться.
6. Гравитационное излучение. Но если Земля останется привязанной к Солнцу — а такое вполне вероятно, если остатки Солнечной системы будут выброшены за пределы Галактики, то гравитационное излучение заставит Землю медленно приближаться к Солнцу. Согласно эйнштейновской теории тяготения, когда две массы обращаются по орбите друг вокруг друга, излучаются гравитационные волны.
Контекст
Forbes: Солнце — виновник скачка содержания углерода на Земле
Коронавирус: причем здесь Солнце? (Печат)
Оптимальное топливо — на Луне
Все шесть перечисленных явлений вполне реальны, и все они способствуют изменению орбиты Земли. Каждое из них в отдельности в свое время может стать самым важным.
1. На ранних этапах существования Солнечной системы, когда планеты и их спутники еще формировались, столкновения между планетами и планетозималями очень сильно влияли на изменения в орбите Земли (прото-Земли).
2. Сегодня потеря массы из-за ядерного синтеза сильнее всего влияет на удаление Земли от Солнца.
3. При возникновении гравитационной нестабильности влияние других планет может изменить и даже разрушить орбиту Земли до того, как Солнце станет красным гигантом.
4. Когда Солнце станет превращаться в красный гигант, все будет зависеть от того, поглотит оно Землю или нет. Если поглотит, нашей планете придет конец.
5. После того как Солнце станет белым карликом, начнется космический гравитационный бильярд. Либо Земля оторвется от Солнца, либо вся оставшаяся Солнечная система вместе с Землей полетит прочь.
6. Но если Земля к тому времени еще сохранится, она будет продолжать гравитационное движение вовнутрь, пока ее не поглотит черный карлик, в которого к тому времени превратится Солнце.
Сейчас Земля медленно отдаляется от Солнца под воздействием неумолимого ядерного синтеза внутри нашей звезды. Со временем Солнце будет постепенно сжигать свое топливо, теряя при этом массу и ослабляя свою гравитационную хватку. Если это будет продолжаться до его превращения в красный гигант, к тому времени либо Солнце поглотит Землю, либо она выживет и станет свидетельницей его превращения в белый карлик.
В этот момент гравитационное излучение приведет к медленному ослаблению орбитального движения Земли, в результате чего она начнет приближаться к Солнцу. Если через Солнечную систему не пролетит блуждающий объект и не вытолкнет из нее Землю, ее сближение с Солнцем будет продолжаться, и со временем она упадет на солнечный труп. Произойдет это, когда Вселенная станет в 10 квадриллионов раз старше. Пока Земля дрейфует в сторону от Солнца, но если мы не оторвемся от нашей звезды, нашей неизбежной судьбой на отдаленную перспективу станет медленное падение на нее.
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.
Источник