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太阳每秒亏损6亿吨质量!地球会不会因此离开太阳系的宜居带呢?

2020/6/24 12:11:48 来源:原创 浏览:

太阳是我们所处的太阳系中心的一颗古老恒星,自古以来人类就一直认为太阳对地球有着巨大的影响,也有许多文人作品将太阳当做神一样崇拜。 直到后来,科学家才对太阳的物质组成和能量来源有了一点认识。并认为是太阳产生的能量支持着地球上所有生物的生长,支配了地球的气候和天气。


而这些能量就是通过核聚变产生的。

地球轨道上的平均太阳辐射强度为1,369w/㎡,由此可以计算出,地球可以获得的能量为173,000TW。尽管太阳射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一,但是已经高达173,000TW,也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于燃烧500万吨煤所获取的能量。

核聚变是指两个较轻的核结合形成一个较重的核和一个极轻的核(或粒子)的一种核反应形式。在太阳内部发生的核聚变就是以氢的两种同位素氘(D)和氚(T)作为反应物,最终产生一个氦核和一个中子并释放能量。

上图为核聚变反应图

上图为“人造太阳”原理——可控核聚变

氢有三种同位素——氕(H)、氘(2H)、氚(3H),这个氕也就是最常见的一种,占99.985%。他们仨的主要不同就是中子个数不同(分别是0、1、2)

1905年,26岁的物理学家爱因斯坦在其发表的一篇论文中表明了质量和能量可互换的观点,即质能方程。

这里的c(光速)是定值3.0乘10的8次方,E即能量,也就是说质量的亏损值乘c的平方便是释放的能量,其大小我们可想而知。

太阳存在至今,已经稳定燃烧46亿年了。根据爱因斯坦的质能公式E=mc^2计算,每秒钟就有6亿多吨的氢被转化成氦。听起来感觉很多,但这其实只是太阳质量的很小一部分,按照这样的消耗速度,太阳此后还会继续燃烧50多亿年。

在上面质能方程中我们说到,质量和能量之间是可以相互转化的,太阳一直在往外释放能量,也就意味着它在不停地亏损质量。

根据万有引力定律,太阳对地球的引力F=GMm/r²,当太阳质量(M)变小时,引力常量G与地球质量m都不会发生变化,所以引力F会减小。

而地球之所以能够围绕着太阳做圆周运动是因为万有引力提供了向心力F=mv²/r,由于此时地球公转速率不变,所以向心力是不变的,然后引力又变小了,可想而知地球将会做离心运动,最终远离太阳。

不过这里我们还要考虑一个问题——因为太阳在加速膨胀,那么地球会不会被太阳吞没呢?答案是会的!不妨我们先来了解一些太阳的生命历程。

现有理论(星云说)认为,太阳和太阳系内的所有行星都产生于一团巨大的尘埃分子云,这些尘埃云通过互相冲撞,或是临近的超新星爆发使其中心发生了引力坍缩。

发生坍缩后的星际尘埃云开始聚集形成密度较大的区域,并吸引更多的星际物质在角动量守恒的情况下发生自转。与此同时,由于压力和温度的急剧升高,尘埃云中央形成了一个的大球体,其余则分散在扁平的盘面中,围绕着这个球体旋转。这便是太阳系!

成为恒星后的太阳,已经可以不断的发生核聚变反应释放大量能量,大约每秒钟就有6亿吨的物质被转化成中微子、太阳辐射和大约3.8*10^26焦耳的能量。这些被释放的热量使恒星本身向外膨胀与向内坍塌的引力平衡,达到稳定的状态即壮年——主序阶段。现在的太阳就是在壮年时期,并且还会持续数十亿年。

上图为美国宇航局发布的太阳能量流动图片

到目前为止,太阳已经把100倍地球质量的物质转化成了氦和能量。随着核聚变的进行,氢会越来越少,太阳的内核也会持续收缩,外层受到更大的引力向中心靠拢,主序恒星开始向老年期过渡。为了抵消向内坍塌导致的引力,太阳会继续加快消耗核心的氢,释放更多的太阳的能量。当前,太阳的光度正在以每1亿年1%的速度增加。在今后45亿年中,太阳的光度将增加30%。

50多亿年后,太阳的辐射能量将达到现在的2倍多。在如此强烈的辐射下,地球表面的温度甚至可以达到300多摄氏度,海洋和湖泊早已消失殆尽。而这时,太阳已经退出主序阶段,进入红巨星阶段。

太阳内核产生的能量已经无法与向内坍塌的压力平衡,内核开始收缩,然后氢核聚变会往外进行,于是发展为内核缩小,外壳却增大的红巨星。这将是太阳系的灭顶之灾。

计算结果表明,太阳的大小随后便会到现在的大约10倍,光度变成现在的50倍,膨胀的太阳足以容纳水星、金星,甚至是地球轨道。即便地球幸免于难,红太阳的巨大热量也会把地球烧焦,任何生命都无法幸存。

在此之后,太阳还会变成超新星最终成为黑洞。那时人类早已经灭绝,或是移民到了另外一个宜居星球。

虽然随着太阳质量的损失,引力的束缚将会减小,地球越跑越远。但是随着太阳往红巨星时期过渡,地球也有被吞没化为灰烬的风险。


现在我们回答标题中的问题,假设地球不会被吞没反而被越甩越远,那么它会离开太阳系的宜居带吗?这里我们就要了解什么是宜居带?

其实对于任何动物、植物、以至于微生物来说,在宇宙中都会有一个最合适其生存的地带,我们称之为“适合居住带”。这里我们主要讨论“动物宜居带”。

天文学家认为宜居性取决于许多因素,但液态水和大气是两个最为重要的因素。而与这两个重要因素息息相关的就是星球所处的位置。

在液态水方面,天文学家认为太阳系中的宜居带范围应该由外部边缘的低温和内部边缘的高温限定。因为在太阳系中越靠近太阳的星球温度就会越高,水就会蒸发成为水蒸气;而越远离太阳的星球温度就会越低,水则会以冰的形式存在。比如太阳系的两个邻居——金星和火星就给出了宜居带外部边界的例子。距离太阳较近的金星表面温度高达480摄氏度,距离太阳较远的火星表面温度才零下40摄氏度,它们都不存在稳定的液态水,所以不会适合动物生存。

在大气方面,氧气就不用多说了。另外还要讲一下一个重要的效应——“二氧化碳—硅酸盐循环”。在人体中有一个“负反馈调节”可以把体温维持在36.5°上下,这个“二氧化碳—硅酸盐循环”也一样可以将地球的温度调节在一个合适的范围。

在这个调节中,由于地表风化作用,当行星温度较高时,充分的光照和降水冲刷作用会使得风化速度加快,此时,从硅酸盐中释放出来的金属离子就会和大气中的二氧化碳反应沉淀成碳酸盐,导致大气温度下降。而温度下降使地表太冷的时候,风化作用和二氧化碳的沉淀速率也会下降,这时候由于火山喷发等释放的二氧化碳增加使温室效应增强,大气温度又重新回到正常状态。

所以美国宾州州立大学的天体生物学家詹姆士·卡斯廷和他的同事将“持续宜居带”定义为:在恒星周围的一个类地行星,拥有一个含有氧气、水和二氧化碳的大气,并且形成的气候可以维持以水为基础的生命。

除此之外,如果考虑现代人类的宜居地带,那还要附加更多的条件,比如可以生长足够庄稼供人食用、地表平均温度不能太高、大气压强等等。

综合很多因素后,科学家在1993年估计,太阳系持续宜居带的宽度在0.95到1.15个天文单位。(1天文单位=149597870700米)


那么地球到底会不会移出太阳系的宜居带?其实还有最后一个问题——时间问题!随着太阳不断辐射出能量,不仅会导致地球轨道变大,还会导致宜居带的向外移动。前面我们说了,在50多亿年后太阳的辐射将达到现在的2倍多,所以随着太阳辐射的增加,一个曾处于冻结状态的星球可能会变得适合生命生存和繁衍。比如火星。

上图为目前的宜居带

据专家推测当太阳到红巨星时期,太阳系的宜居带已经转移到了木星与土星的轨道!并且足够在木星或土星上孕育一种新生命。

此图为太阳在红巨星时期的宜居带,图中可以看出水星和金星已经被太阳吞没,而地球(EARTH)也已经成为一个火球。

不过就目前的科学技术,人类还无法推测地球到底是被太阳吞没还是被推出太阳系以外。

看看网友怎么说

v77225852645:太阳在不断澎胀怎么不见太阳变大

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