"50亿年后,太阳膨胀成红巨星,一口把地球吞掉。"
这个说法你肯定刷到过,画面感拉满,吓人得很。
但如果你真去翻天文学家的论文,会发现这事到今天都没有定论。吞,或者不吞,两边都能拿出模型说话。
不过今天想聊的,其实不是这个。
纠结吞不吞,有点像讨论一个人是被火烧死还是被烟呛死,过程不一样,结局没区别。
无论地球最后有没有掉进太阳怀里,都逃不掉一个更彻底的下场:整颗星球被蒸发,连一块完整的石头都剩不下。
先从一个小得几乎看不见的数字讲起。
太阳的光度,也就是它每秒往外吐的能量,并不是恒定的。它在以每年大约一百亿分之一的速度,慢悠悠地往上涨。
这个数有多小?攒上一千万年,也就千分之一左右,扔在任何仪器上都不显眼。
但时间这个东西,一旦拉长到十亿年的量级,味道就变了。
可能有人会问:太阳好好烧着,为什么会越来越亮?
简单讲,太阳靠核心的氢聚变发光。氢烧成氦,核心里氦的比例越来越高,能产生压力的粒子数变少,核心只好慢慢收缩、升温来维持平衡。而聚变反应对温度极其敏感,稍微热一点,烧得就快一点,光度跟着往上抬。这是一个一旦启动就停不下来的慢动作。
算下来,差不多11亿年后,太阳的光度会比现在亮10%。
10%是什么概念?
现在的太阳常数,也就是垂直照射方向上单位面积收到的辐射功率,是1367瓦每平方米。其中大约34%会被大气和地表反射、散射掉。把这些扣除,再算上新增的10%,直射到地表的热辐射大概在1000瓦每平方米上下。
那地表能热到什么程度?
有个叫斯特藩-玻尔兹曼的定律可以算。
名字听着唬人,道理不复杂:一个物体辐射的功率,跟它热力学温度的四次方挂钩。
把地表近似当成黑体处理,也就是辐射系数取1,常量是5.67×10^-8,数字代进去,太阳直射的地方,最高温度能到91℃出头,也就是364K左右。
注意,这是直射点的极端温度,不是全球平均温度。
同一套计算里,地球的平均温度其实只上升大约6℃。
这就出现一个挺反直觉的局面。
看平均值,好像也就比现在严重一点的温室效应,温带、寒带的生物未必马上完蛋;但看赤道,直射点长期在90℃上下晃,那里的生态系统是第一批崩的。热带会朝着温带的方向挪,超级沙漠、超级风暴这些极端戏码,会先在全球轮着上演。
但真正的大麻烦,还不是热本身,是水。
水本来是地球的命根子,可在升温的剧本里,它会反过来帮倒忙。
海水大量蒸发,水蒸气是温室气体,留在大气里锁住更多热量;于是更热,蒸发更多,又锁住更多热量。典型的正反馈,转起来就很难刹住车。
到15亿年前后,大气温度可能超过100℃。整个地球像一口烧干之前的高压锅,气压越来越高,而生物在这之前,就已经陆续退场了。
顺带说一句,现在有研究认为,生命的大限可能比这还早。几亿年后,大气里的二氧化碳浓度会跌到某些植物光合作用的门槛以下,先扛不住的是植物,然后是整条食物链。这算支线,先放一边,主线还是热。
再往后的剧情,其实不用瞎猜,抬头看看太阳系的邻居,就能找到现成的参照。
35亿年后,太阳光度涨40%。这时候地球的水已经跑得差不多了。有个细节听着挺奇怪:水全没了之后,平均温度反而可能稍微回落一点,因为温室效应的主力水蒸气退场了。
但回落不了多少。因为高温会把地壳里的碳酸盐烤分解,憋出大量二氧化碳。
说到这儿,金星必须出场。
它离太阳只比地球近30%左右,却顶着一颗92倍地球大气压、96.5%成分都是二氧化碳的大气,表面均温462℃,昼夜几乎没温差,铅块掉上去都能化。这就是二氧化碳失控的样板间,现成的。
地球可能先经历一个类似火星的过渡阶段,水干了,大气稀薄,然后二氧化碳慢慢接管一切,温度爬到300℃上下。
65亿年后,太阳光度增加120%,比现在翻了一倍还多。地球接收的辐射比今天的金星还高,大气浓度超过现在的220倍,均温超过500℃。
一颗超级金星,就这么炼成了。
也正是在这之后,太阳的主序星时代走到头,红巨星正式上线。
现在可以认真聊聊开头那个问题了:到底吞不吞?
红巨星阶段,太阳内核的氢烧完,核心收缩,外面的氢壳层开始疯狂燃烧,整个外层被吹得膨胀起来。
巅峰时期,半径能膨胀到现在的170倍,水星当场没了,金星大概率也保不住,膨胀的边缘直接顶到地球轨道附近。
再往后进入渐近支阶段,半径达到213倍,相当于日地距离的99%。
听着好像地球必没?
别急,这里有两股力量在反着拉。
第一股,太阳在膨胀过程中会通过太阳风大量丢质量,前后能丢掉三成,最后只剩现在的一半左右。中心天体变轻,引力就拽不住原来的轨道,地球会往外挪,轨道半径能增加20%到40%。按这个剧本,地球刚好能擦着边躲开。
第二股,潮汐效应。太阳膨胀后自转变慢,潮汐力会拖着地球的公转变慢;再加上如果地球擦到太阳外层的稀薄包层,那点气体阻力虽然不大,但摊到几百万年的尺度上,足够让轨道一点点往里掉。按这个剧本,地球照样栽进去。
看明白了吧。
吞不吞,取决于哪套模型的参数更接近真实,天文学家自己也在吵,网上那些一口咬定"地球必被吞"的说法,其实并不严谨。
不过,就算地球靠外挪躲过了正面撞击,它也早就不是现在的地球了。
红巨星早期有个阶段,太阳光度冲到现在的17倍,再加上凶猛的太阳风,地球大气可能在几亿年里被一层层剥光,吹进太空。
没有大气的地球,长得更像水星和月球:向阳面500℃以上,背阳面跌到零下100多℃,夜晚的地表又冷又硬,一片死寂。热量没法再通过大气循环分配,半个星球烤、半个星球冻,跟现在的地球完全是两个世界。
红巨星巅峰还藏着一个大事件:氦闪。
这时候太阳内核被压缩到1亿K,里面的氦已经处于电子简并态,靠一种量子效应硬撑着,而不是普通的热压力。
这种状态有个要命的特点:温度升高,压力却不跟着涨,热量没法通过膨胀释放,反应直接失控,氦在极短时间内聚变成碳,一口气释放出约5×10^41焦耳的能量。
什么概念?大致相当于太阳过去几百万年释放能量的总和,约为一次超新星爆发的0.3%。内核的光度瞬间暴涨100亿倍。
早期研究觉得,这一下地球直接完蛋。
但后来的计算修正了这个看法。氦闪发生在恒星肚子里,绝大部分能量被外层的恒星物质吸收、稀释,真正传到地球轨道的,表面光度大约是现在的5000倍,直射地表的温度3000℃上下。
3000℃是什么概念?地表岩石的主要成分是硅酸盐,熔点也就一千多摄氏度,沸点两三千摄氏度。哪怕按这个修正后的温和版本,地表也会直接变成等离子体,"固体表面"这四个字,从此不存在了。
而且氦闪还不止一次。
接下来的100万年里,太阳会周期性地闹壳层氦闪,每次脉冲持续几百年,反反复复。还有大约10%的概率,发生一次中级氦闪,光度冲到现在的100万倍。即便地球轨道已经外扩,地表温度照样能摸到1万℃。
讲到这儿,其实可以算一笔粗账,看看"蒸发地球"到底需要多少能量。
把地球从表层岩石到深处地核全部气化,估算下来,需要的能量不超过10^33焦耳。
而红巨星阶段,哪怕只按100万倍光度照射1万年算,地球收到的热量就有10^35焦耳,是所需能量的100倍。
这就意味着,能量预算富余得离谱。
只要地球被太阳的日冕包层吞进去,或者长期泡在高密度的高温星风里,不管它轨道外扩了多少,残余的大气和岩石都会被一层层剥蚀、气化。挥发成分先走,硅酸盐岩石跟着熔化、沸腾,整个过程快则几个月,慢也就几年。
所谓"吞不吞"的区别,只是气化发生在太阳包层里面,还是包层边缘而已。
人没了,区别在于是在屋里没的还是门口没的,没有本质意义。
那气化之后的地球,去了哪里?
它没有消失,只是换了种存在方式。
这些物质被恒星风抛洒到太空,混在太阳外层吐出来的气体尘埃里,成为围绕太阳的星际物质。
太阳最后稳定下来,核心缩成一颗地球大小、表面温度约12000K的白矮星,外面裹着一层直径可达一光年的行星状星云。
顺便说,这名字跟行星没半点关系,只是早年望远镜里看着像个圆盘面,才叫了这个名字,叫习惯了改不掉。
曾经的地球,就是这团星云的一部分。
它里面的每一个原子,都可能在未来某一天被卷进新的恒星形成区,成为另一颗行星、另一片海洋,或者另一个生命身上的某一块骨头。
太阳没有杀死地球,它只是把地球拆散了,还给了银河。
所以下次再刷到"地球将被太阳吞没"的标题,不用急着害怕,也不用急着反驳。
真正的答案是:吞不吞,天文学家还没吵完;但地球会以等离子体的形式谢幕,这件事基本没有悬念。
好在那是几十亿年以后的事。
人类文明如果真能活到那天,要么早就走出了太阳系,要么早就自己把自己折腾没了,后者的概率,说实话可能还大一点。
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