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2009-04-22  伽玛
转个长文:从尘世到永恒——太阳和地球的命运

Gregory P. Laughlin
译自Sky & Telescope, Vol. 113, No. 6 (2007)

生命可以继续在地球上存在几亿年。但直到海水开始沸腾……

我一直着迷于H. G. 威尔斯在1895年经典小说《时间机器》中对驶向地球未来的生动描述。威尔斯描述道,一位英国的村民先是来到模模糊糊的几年之后,然后是很久以后:“我看到了树木象水蒸气团一样生长变化……模糊中我看到宏伟高大的建筑拔地而起,就象做梦一样。整个地球表面都象是改变过了,在我的眼皮底下融化流淌。”

从威尔斯的时代以来,我们对地球遥远未来的认识有了很大的进展。虽然时间机器仍处在科幻故事之中,由于我们对太阳的演化有所了解,所以详细并科学可靠地勾勒出地球在很久以后的情况还是可能的。

如果我们可以看到在未来2亿年左右的时间内地球随时间变化的镜头,我们会看到,各大陆并合形成了泛古陆的未来版本,并随之分裂成新的大陆板块。地球内部的热源主要是铀-238的放射性衰变,该元素的半衰期是45亿年。因此这时地球的内部产生热量的速度是初始的1半。随着内核的冷却,地球的地质更新作用趋于停止,行星将进入衰老期。火山熄灭,大陆趋于终态分布。在接下来的10亿年中,由于水被平稳冷却的地壳所吸收,海平面会略微下降。

不过在地球内部冷却的同时,地表温度不会下降。太阳自诞生以来就在无情地缓慢变亮。给予生命的温暖恒星正在变为威胁地球生存的炽热祸害。


不易的平衡

与大多数恒星一样,太阳处在向内的引力和向外的压力(由核反应产生的热量维持)稳定的既定平衡状态。这种平衡是自我调节的。太阳收缩一点,其中心密度和温度会上升,使核反应加速,产生的更多热量会让太阳向外膨胀。稍许的膨胀会使中心略微冷却,使核反应产生的能量减少,导致太阳收缩。所以太阳能保持平衡状态。

但在几亿年之后,平衡会稍稍有所偏移。随着氢巨变成氦,太阳核心区域的氢会减少。氦是惰性气体,因此核心处必须收缩,变得更热,以维系聚变反应。在诞生后的45.4亿年间,太阳消耗了初始氢元素的一半不到,形成了富氦核心。随着气体日益减少,太阳会作出一连串迂回的反应,其中没有一项是有利于地球的。

太阳这样的主序星在消耗氢元素并让核心更加致密的过程中,中心温度会升高到,加速氢的聚变。自诞生以来,太阳的亮度已经增加了30%。在接下来的12亿年间,其亮度会继续增加10%,体积会有些许膨胀,表面温度增加150摄氏度(270华氏度)。

 

失控的温室效应

非常有意思的一个问题是,地球这一复杂系统的反应是什么样的。到目前为止,地球为对抗太阳持续增加的亮度,维护稳定的表面温度作出了很好的表现。但在很久以前,也出现过明显的波动,其中包括远古时期在生命出现在地面上之前至少两次的“冰雪地球”,在此期间从极地到赤道的整个地球被完全冰封。过去也有过比现在更热的时代,那时极地也覆盖着温带森林。

在接下来一个多世纪的时间里,我们要进行一次大范围的戏剧性实验,这是因为我们还在继续向大气中释放大量的二氧化碳(CO2)。其对地球气候的影响会带来宝贵信息,会增强我们对行星长期面对太阳持续增加的输出能量如何反馈的了解。

在相当长的时间内,热得多的地球对于生命来说实际上可能是有利的,这是因为从极地到热带,生物圈趋于富饶。温室中的生物更加兴旺。也许历经几百万年进化的缓慢适应,这一趋势会使生物圈更加繁盛,直到温度达到水的沸点。

但这一致命的温度终会到达。无云的气候模型指出,在12亿年之后,地球会到达失控的水蒸气温室效应(runaway moist greenhouse)状态。这比我们当前释放CO2带来的任何后果都要具有毁灭性,因为水蒸气只要数量足够,本身就是有效的温室气体。在失控的水蒸气温室效应状态,极高的温度导致海洋蒸发量的巨大增加,大气中有了更多水蒸气,因此温度会更高,如此这般直到海洋蒸发殆尽。在10亿年多一点之后,我们认为,地球会变成炙热、贫瘠、干旱的沙漠。很难想象多细胞生物在这样的环境下如何存活。

当塑的水蒸气都蒸发到极干旱的陆地之上后,会发生些什么呢?当前,水蒸气大都束缚在对流层内,这是大气的低层,气候变化就发生在这里。同温层的水蒸气很少,其上阻拦阳光紫外线的臭氧层就更少了。因此,地球上的水分绝少会被光分解,也就是阳光中的紫外线打下水分子H2O中的一个氢原子,破坏水分子。所以我们的水是安然无恙的。

地球大气层顶的温度足以让任何自由氢逐渐逃逸到太空中。所以如果水位于臭氧层之上的话,它就会逐渐逃走。在水蒸气温室效应剧变之后,地球会逐渐丢掉所有的水分,行星会转而禁受更可怕的干旱温室效应(dry greenhouse),与当下支配金星的效应类似。

实际上,金星可能一度更为温和,也与地球更为类似。对其大气中氘氢比例的测量说明,金星在历史上损失了其相当的水分,数量似乎与一片海洋相当。虽然现在金星接收到的阳光比地球多,但在太阳的早期,它接收到的能量也比现在少30%。如果我们能知道,金星是是什么时候环境恶化的。我们可能会作出更精确的地球长期天气预报。

宾夕法尼亚州立大学的James Kasting提出的模型说明,干旱温室效应会在大约30亿年后降临地球,这是在最后一滴水蒸发的20亿年之后。那时的温度会再度飚升到400摄氏度(750华氏度)。而那时的太阳只比现在亮40%,距离氢燃料耗尽的时间还有几十亿年。

 

推迟必然

2000年,我与密歇根大学的Fred Adams和加州大学圣克鲁兹分校的Don Korycansky一起设计了一个非常可行的计划,以在未来几十亿年太阳热量增加的情况下,将地球的温度稳定在当前适宜的温度上。关键是有大量的时间可以利用。我们证明,只需消耗一点点能量,就可以在数以千计或百万计的时间内,让一颗大型小行星或柯伊伯带天体反复接近地球和木星,这样可以把木星巨大的轨道能量向地球转移一点点。如果每10000年接近一次,就足以靠地球轨道的外移来抵消太阳持续的增亮了。

虽然开始着一计划所需的技术几乎已在手边,首先必须大大改进的是人类自我的稳定和长期计划。这不仅仅是因为微小的计算错误就可以导致使生物灭绝的撞击。当我们把工作发表之后,展示给我们的是智慧生命的当前形态。媒体的报道完全错误,他们说,这一计划会终结人为活动带来的短期全球变暖。这些报道鼓动了报纸编辑、脱口秀喋喋不休的赞赏以及铺天盖地的威胁电话和信件。在计划开始之前,1000万年的等待是相当长的时间。实际问题是,文明是否会持续这一长度的千分之一。

但不论我们遥远未来的后代会做些什么,太阳的演化最终会加速。高精度的计算机模型以及对晚年类太阳恒星的仔细观测说明,氢燃烧会转移到太阳核心区域之外的壳层中,进行得越来越快。能量产出会显著增加,导致太阳的外层体积膨胀。

当前的模型告诉我们,63.6亿年之后,太阳的亮度是现在的2.2倍,而火星接收到的热量与现在的地球相同。但对于火星来说,这次解冻来得似乎太迟了——它的引力太弱,不足以束缚住浓密的大气,使它无法在这样晚的时候产生生物。

在接下来的7.3亿年中,太阳的亮度会增加到现在的2.7倍,直径是现在的2.3倍。实际上,这时的太阳系已经是荒无人烟了。金星和地球成了地狱般的双胞胎;火星则是炎热的沙漠。木星的卫星仍旧冰封,但解冻在迫近。之后的5.9亿年,太阳上升到了恒星演化的红巨星支,接下来的事情比之前的都要激烈了。

 

红巨星

现在,你可以按如下方式做一个日地系统的比例模型:一只手拿起一粒沙子,另一手拿一枚一角硬币,尽量把两臂伸远。在太阳演化为红巨星的时候,一角硬币要先用1/4美元硬币来替换,然后是柠檬,之后是柚子。这时,木星的卫星木卫二、木卫三和木卫四都会形成厚厚的水蒸气大气,进入失控的水蒸气温室效应阶段;之后它们的水分都会被光分解,逃入太空。

土星最大的卫星——土卫六的距离是前者的两倍,这时的温度温暖适宜。Chris McKay效力于NASA的Ames研究中心,他和同事发现了土卫六的几百万年周期,此时其上的液氨海洋是稳定的。在其丰富的有机物环境下,会发生复杂的化学反应,也许会产生新的生命——但不会持久。

那么地球呢?现在的问题是,这颗炽热的行星还能否存在。

在我们的比例模型中,太阳从柚子的大小膨胀到篮球,之后是球形救生器的尺寸,它至少能吞进水星的轨道。而由于其亮度增加到了现在的几百倍,而表面引力因其膨胀而减小,太阳会开始吹出强大的星风,最终会吹走太阳质量的1/4。因此太阳的引力会减小1/4,行星轨道会向外膨胀。

当太阳达到红巨星阶段的顶点之时,其会膨胀到当前大小的200倍,会轻易吞入现今金星的轨道,将将达到现今的地球轨道。不过那时的金星可能会退到目前地球的位置,地球可能会靠近现在的火星。所以乍看起来地球可以将将逃过一劫。

但在最近,波兰科学院地理学研究所的Kacper R. Pybicki和比利时Liège大学的Carlos Denis仔细研究了太阳作为红巨星对太阳系造成的影响。他们得到了一个重要的结果:潮汐力是决定地球命运的决定因素。随着太阳的膨胀,地球的引力会在太眼表面造成一个很小的鼓包。在鼓包试图跟随地球的轨道位置时,摩擦力使得它会稍稍滞后。这一滞后对我们的行星施加了持续的引力拖延,使其向内缓慢螺旋运动。这一情形类似月球对地球的潮汐作用导致月球外移,只是正好相反,这是因为太眼的自转比地球的公转速度慢而不是快的缘故。

由于这所有的不确定因素,我们并不清楚,地球是否能避免被太阳吞噬的命运。

当核心温度达到1亿摄氏度,氦开始聚变为碳并提供全新能源时,太阳作为红巨星的第一阶段突然终结了。太阳对这一新矿藏的反应是(似乎是荒谬地)剧烈收缩,并将其亮度减少将近100倍。在几百万年的时间里,太阳稳定地燃烧着氦,太阳系也可以在一连串的灾变之后喘上一口气了。如果地球仍旧存在(下上 75%几率的赌注),它会有熔融硅的岩石表面,暴露在太空的真空之下,白天午间的温度是炽热的600摄氏度。行星上存在过生物圈的任何痕迹都早已被融掉,并让遗忘重新结晶。

 

濒死挣扎

氦元素基本耗尽之后,太阳残留的是类似白矮星的核心,由碳和氧组成。同时,太阳的外层会再度膨胀并冷却,太阳又成为了红巨星。天文学家将第二个红巨星阶段称为“渐近支”阶段,这是由其在赫罗图上的位置而得名的。太阳再度成为了地球星体存在的威胁。在第二个红巨星阶段,它要经历数次能量的大规模输出 ——氦闪,这会导致为期约10000年的体积脉动。显然可能的是,地球在脉动中可能会被直接吞入,而还来不及螺旋而入并被完全毁灭。

之后,在第二个红巨星阶段开始后的1亿年,太阳会把大质量外壳完全抛出,形成行星状星云,模样可能和上图一样,并留下一颗炽热微小的白矮星。

随之而来的还有另一大威胁。

我们业已看到,太阳的质量损失对于地球的存在来说是个威胁。但如果太阳损失的质量比预期更多,巨行星木星和土星会彼此发生剧烈的引力相互作用。它们会驱使自身沿长长的椭圆轨道疯狂掠过,结果将瓦解太阳系的剩余部分。在随即的混乱中,天体遭到撞击,飞到星际空间中去,并落入太阳,终其一生。在2刻白矮星周围已发现了可能属于破碎太阳系的残片,而多至40颗白矮星周围可能也有类似情况,其中有一颗新近损失的质量产生了我们所熟悉的螺旋星云。

太阳转变为白矮星,使得太阳在故事中的角色得以完结。残留的行星(其中或许包括地球和火星的残烬)将围绕白矮星静静地稳定运转数千万年,期间自身和太阳那小小的残骸会冷却到趋近绝对零度,并等候着之后宇宙灾难的古怪事件。

在作为白矮星的太阳逐渐没入黑暗的同时,灿烂的夜空也将变暗。宇宙目前正进入加速膨胀的阶段,在几千亿年的时间内,除本星系群外的所有星系都会没入我们的因果视界之外。银河系自身早就与仙女座星云并合了,产生一个庞大的椭圆星系。在约莫100万亿年的时间内,预期我们会看到随机的白矮星残骸到达距离地球足够近的地方,把地球撕裂,并让它飞入业已黑暗的星系中,也许再任其独自漫游上1018年。

在更遥远的未来,如果地球可以免于与星系中央的黑洞碰撞,与过路星骸的偶遇会最终让它完全飞出星系。如果地球以这种形式得以解放,宇宙的继续膨胀会让银河系到达视界以外而不能被目睹或进行因果联系,而我们的地球会独自在墨黑的虚空里进入延展的时间。

加州大学圣克鲁兹分校的Gregory P. Laughlin在搜寻并研究太阳系以外的行星。他和Fred Adams合写了The Five Ages of the Universe: Inside the Phyisics of Eternity一书。他们在1998年8月号的Sky & Telescope杂志上,描述了未来10^120年的情形。

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