 |
Историческая физика. Злое солнце всех погубит |
|
Историческая физика. Злое солнце всех погубит |
|
|
|
|
|
| Приёмная
комиссия.
Вступительное задание. Открытые уроки. Учебники по физике. Задачи по физике. Справочник по физике. Вопросы и консультации. Рефераты. Олимпиады и турниры по физике. Современная физика. Весёлая наука. Уголок крохобора. Не только физика. Директория ссылок. Репетиторы. Малая академия наук. . |
Злое солнце всех погубит, автор , , В будущем приблизительно через миллиард лет жизнь на нашей планете станет невозможной, а еще через семь с половиной миллиардов Земля испарится. Избежать апокалиптического сценария, с точки зрения ученых, можно только постоянной регулировкой земной орбиты
Рисунок: Константин Батынков
Забудьте на время о глобальном потеплении и таянии льдов в Арктике и Антарктике, парниковых газах и пресловутом антропогенном факторе. Все эти вялотекущие мигрени человечества не стоят и выеденного яйца на фоне апокалиптических откровений, недавно снизошедших на астрофизиков Роберта Смита из университета Сассекса (Великобритания) и Клауса Петера Шредера из университета Гуанахуато (Мексика). Десятистраничная статья этих двух ученых с на удивление игривым заголовком “Distant future of the Sun and Earth revisited” («Далекое будущее Солнца и Земли в новой редакции») в феврале нынешнего года была официально принята к публикации в британском журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, а ее препринт выложен на известном интернет-портале [1] . Окончательный диагноз, поставленный Смитом и Шредером, суров и безжалостен: по прошествии каких-то 7,5 (или, если следовать изощренным расчетам авторов, 7,59) миллиарда лет наша планета по спиралеобразной траектории погрузится во внешние слои безобразно распухшего в предсмертных корчах Солнца и полностью испарится, не оставив после себя даже жалкой кучки пепла. А за 3,8 млн до этого и за один миллион лет до гибели Земли та же печальная участь постигнет по порядку наших ближайших соседей Меркурий и Венеру. Увы, оспорить этот фатальный прогноз никто из коллег ученых пока не решился. Как заявил в одном из многочисленных интервью профессор Смит, «несмотря на то что до нас уже делались неоднократные попытки предсказать будущее Солнца и его планет, рискну заявить, что наш прогноз — лучший и наиболее качественный в научном плане из имеющихся к настоящему времени. Нам удалось значительно усовершенствовать существующие модели солнечной эволюции (и поздней эволюции звезд в целом) и произвести самые детальные расчеты на каждой из модельных итераций». На чем же основываются в своих детальных расчетах Смит и Шредер и что нового им удалось сделать по сравнению с их менее дотошными предшественниками? Прежде чем ответить на эти вопросы, необходимо совершить краткий экскурс в теорию звездной эволюции, поскольку без понимания базовых этапов жизненного цикла звезд умозаключения двух астрофизиков, по всей видимости, могут показаться несколько тяжеловесными. Гиганты, карлики и черные дырыКак установлено современной наукой, звезды образуются из межзвездных газовых облаков, находящихся в большинстве своем в галактических дисках. Согласно общепринятой гипотезе, звезда зарождается в результате гравитационного сжатия межзвездного облака, и по мере роста концентрации газа температура в центре облака постепенно растет. Температуры 10–20 млн °С достаточно для инициирования в этом центре — протозвезде — реакции термоядерного синтеза. Сжигая водород в процессе термоядерной реакции, звезда не дает силам гравитационного притяжения коллапсировать под влиянием собственной массы, противопоставляя им непрерывно возобновляемое внутреннее термическое давление, в результате чего возникает устойчивое энергетическое равновесие. Есть звезды так называемой главной последовательности; большая их часть на классической диаграмме Герцшпрунга—Рассела, выявляющей связь двух основных звездных параметров — абсолютной звездной величины (светимости) и температуры, расположена на диагональной полосе, проходящей из верхнего левого угла в нижний правый. Эти светила, к которым принадлежит и наше Солнце, пребывают в самой спокойной и стабильной фазе своей жизни, когда в их ядрах идет синтез атомов изотопов водорода в атомы гелия. Эта фаза — фаза желтой звезды — составляет порядка 90% от общего времени жизни любой звезды, однако абсолютная продолжительность нормальной жизни звезд сильно разнится. Так, если на главной последовательности остается звезда массы Солнца, то она выгорает примерно за 10 млрд лет, а на порядок большие светила уйдут из жизни значительно быстрее — всего за несколько сотен миллионов лет. Наше Солнце находится на активной (стабильной) стадии сжигания водорода уже почти 5 мрд лет (согласно современным расчетам, приведенным в том числе и в статье Смита—Шредера, ее возраст составляет 4,58 млрд лет), и запасов водорода в ядре для продолжения активного нуклеосинтеза ему должно хватить еще примерно на 5,5 миллиарда лет. Далее самое интересное — что будет происходить с нашим светилом в предпенсионном и пенсионном возрасте. По мере истощения запасов водорода в недрах звезды силы гравитационного сжатия постепенно берут верх, и под их воздействием звезда начинает сжиматься и уплотняться. У более крупных звезд, масса которых превышает массу Солнца в восемь и более раз, нормальный жизненный цикл эффектно завершается вспышками сверхновых — итогом мощного столкновения обрушившейся внешней оболочки звезды с ее ядром. В результате возникают либо компактные нейтронные звезды, либо черные дыры; для последнего варианта необходимо, чтобы масса звезды превышала 30 солнечных масс. Что же до звезд с малой массой (Солнца и ему подобных), то длительный процесс их сжатия и уплотнения приводит к несколько иным последствиям.
Последние исследования NASA показывают, что Солнце и сегодня выглядит не очень доброй звездой Как следует из современных астрофизических концепций, водород в ядре начинает быстро иссякать и постепенно замещается гелием — продуктом первичного нуклеосинтеза, а базовая реакция термоядерного горения водорода перемещается в оболочку, непосредственно окружающую звездное ядро. Концентрирующийся же в ядре гелий вступает в новую, вторичную, реакцию термоядерного синтеза: из трех ядер гелия образуется одно ядро углерода. Причем при вторичном сгорании гелия в ядре выделяется так много энергии, что звезда начинает очень быстро раздуваться и переходит в так называемую стадию красного гиганта. Эта стадия занимает примерно 10% от общего времени активной жизни звезд. Все красные гиганты имеют горячее плотное ядро и очень разреженную, протяженную и относительно холодную оболочку, размеры которой в сотни и даже тысячи раз превышают базовые размеры светил в их бытность желтыми звездами. Наконец, в последней стадии эволюции звезды с малой массой постепенно деградируют и из красных гигантов превращаются в белых карликов — чрезвычайно плотные и компактные звезды в сто раз меньше Солнца. Эта стадия последнего гравитационного коллапса начинается после истощения топлива, питающего вторичную реакцию нуклеосинтеза. Однако гравитационный коллапс в белых карликах, в отличие от черных дыр, не бесконечен: его останавливает специфический квантовый эффект, связанный с компенсационным давлением, оказываемым электронами (давление вырожденного электронного газа). Причем, как показал индийский физик Субраманьян Чандрасекар еще в 1931 году, этот эффект действует только в тех звездах, масса которых не превышает 1,4 солнечной массы (предел Чандрасекара). По идее белые карлики рано или поздно должны окончательно остыть и превратиться в черных карликов, но, как иронично констатирует одна из астрофизических энциклопедий, «похоже, что этот процесс термической смерти идет настолько медленно с начала истории Вселенной, что еще не наступило время для образования хотя бы одного черного карлика». В плену разбухающего СолнцаОднако бог с ними, с черными карликами, вернемся к более актуальной для нас стадии красных гигантов и предшествующему ей стабильному периоду, поскольку специфические процессы, происходящие внутри и вокруг Солнца в эти отрезки времени, имеют первостепенное значение в описываемом Смитом и Шредером апокалиптическом сценарии полного и безоговорочного уничтожения Земли. Согласно их расчетам, которые в целом согласуются с данными более ранних эволюционных моделей, нынешняя светимость Солнца L* (светимость в астрономии — количество излучаемой звездой энергии в единицу времени) почти на треть выше, чем в начальный период его эволюции, его радиус R* по сравнению с той же начальной точкой больше на 11%, а эффективная температура поверхности выросла с 5596 до 5774 °К. Причем в среднем светимость Солнца вырастает на 1% каждые 110 млн лет, или на 10% каждый миллиард. В возрасте 7,13 млрд лет (то есть чуть более чем через 2,5 млрд) температура Солнца достигнет максимальной отметки 5820 °К, и, начиная с этой пиковой величины, оно постепенно станет охлаждаться. Однако его светимость при этом будет расти и дальше, поскольку падение температуры с лихвой компенсируется ростом лучеиспускающей поверхности светила. Через 10 млрд лет после своего рождения, когда процессы солнечной эволюции значительно ускорятся (как уже было отмечено, это произойдет после того, как основная масса водорода станет сжигаться уже не в ядре, а в окружающей его области, а внешняя оболочка начнет резко расширяться), светимость Солнца составит 1,84 L*, а радиус вырастет на 37% по сравнению с нынешним. Примерно с этого момента наша звезда официально получит статус красного гиганта и в максимальной точке своего последующего быстрого распухания, которая, по расчетам Смита и Шредера, наступит в возрасте 12,167 млрд лет, превратится в аморфного монстра, радиус которого достигнет 250 R*, а светимость вырастет до предельных 2730 L* (правда, эффективная температура при этом опустится до 2602 °К). Практически одновременно с наступлением этой пиковой отметки (через 7,59 млрд лет от наших с вами дней) и должно произойти торжественно анонсируемое двумя астрофизиками окончательное поглощение и полное испарение Земли Солнцем. Приливный бумерангК таким неутешительным выводам Смит и Шредер пришли после тщательного многофакторного анализа динамики ключевых физических процессов, определяющих будущее Солнца и близлежащих планет, и сравнительного моделирования эволюций звездных систем, схожих по своим характеристикам с нашей. Долгое время в астрофизической среде шла ожесточенная полемика вокруг вопроса, удастся ли Земле выжить во власти своего властелина, а может, даже избавиться от него, или она, как и планеты-соседки , будет им поглощена. Главным аргументом в пользу оптимистического сценария выступал фактор быстрой потери нашим светилом массы на стадии превращения в красного гиганта. Даже сегодня, когда Солнце пребывает в стабильной стадии своей эволюции, оно ежесекундно теряет примерно 4,5 млн тонн своего вещества только за счет излучения света, и, хотя по современным меркам такие потери представляются ничтожными по сравнению с общей солнечной массой (2*1027 тонн), на критической стадии красного гиганта этот процесс многократно ускорится. Соответственно, в результате прогрессирующего падения массы Солнца его гравитационное притяжение должно резко уменьшиться. Напрашивается вывод, что в таком случае все планеты Солнечной системы, поскольку их орбиты будут все более и более расширяться, должны начать очень шустро убегать от центральной звезды. Иными словами, если исходить из этой идеальной упрощенной модели, скорость распухания внешнего слоя Солнца (фотосферы и хромосферы) на стадии красного гиганта не должна помешать Земле и ее соседкам нарастить свои орбиты до такой величины, чтобы избежать попадания в солнечный капкан. Интересно отметить, что и сами Смит и Шредер в предыдущей совместной работе (более облегченном варианте нынешнего исследования) пришли было к выводу, что вероятность чудесного спасения Земли из цепких объятий располневшего Солнца существенно выше 50%, а уж Марс избежит поглощения почти со стопроцентной вероятностью. Однако новые, значительно усовершенствованные модели солнечной эволюции, разработанные двумя неутомимыми астрофизиками, похоже, поставили крест на этом оптимизме. В последней версии Смита и Шредера учитываются такие негативные моменты, как резкое уменьшение скорости вращения Солнца вокруг собственной оси на стадии красного гиганта и прогрессирующий рост динамического трения о внешние, разреженные области его разбухающей хромосферы. Так, если сейчас Солнце совершает один полный оборот вокруг своей оси за земной месяц, то на стадии красного гиганта это будет происходить всего раз в несколько тысяч лет. Из-за такого колоссального замедления вращения Солнца обратное гравитационное влияние Земли на наше светило, которое и сейчас отнюдь не ничтожно, резко возрастет. На поверхности звезды будет наблюдаться эффект, подобный приливам и отливам наших морей и океанов, на которые, как известно, влияют сила тяготения Солнца и гравитация Луны. В результате этого эффекта на ближайшей к нашей планете стороне Солнца возникнет огромный приливный горб — выпуклость, которая со временем станет быстро выпячиваться в сторону Земли. По словам Роберта Смита, этот приливный горб, в свою очередь, вызовет существенное замедление скорости расширения земной орбиты, что окажется в итоге более значимым, чем противодействующее позитивное влияние параллельной потери солнечной массы. Таким образом, из-за совместного влияния на нашу планету (а также и на Меркурий с Венерой) огромного приливного горба и быстрорастущей солнечной хромосферы (длинных нитей раскаленного газа) орбита Земли после некоторого первоначального расширения вновь станет уменьшаться, и незадолго до достижения гигантским красным Солнцем своей пиковой точки разбухания Земля по спирали ввинтится в него с последующим полным испарением. Более того, по мнению Смита, пресловутый час икс вполне может наступить даже раньше, чем через 7,59 млрд лет, поскольку в разработанном им со Шредером последнем сценарии не был учтен еще один неприятный фактор — дополнительное тормозящее воздействие на земную орбиту солнечного ветра, потока ионизированных частиц (в основном гелиево-водородной плазмы), проистекающего из солнечной короны. Судный день и нужно ли с ним боротьсяДобросовестные астрофизики не только с холодной дотошностью описали в своей статье основные механизмы наступления последнего дня Земли, но и представили новые подробные расчеты эволюционной динамики изменения границ «обитаемой зоны» Солнечной системы — региона, внутри которого будут сохраняться базовые предпосылки для возникновения и поддержания биологических форм жизни. Согласно их упрощенному определению, «планету следует считать теоретически пригодной для жизни в том случае, если природные условия на ней не исключают возможности наличия на ее поверхности жидкой воды». Руководствуясь этим условным постулатом, Смит и Шредер для начала приняли на веру консервативную оценку, сделанную еще в 1993 году американцами Джеймсом Кастингом , Дэниелом Уитмайром и Реем Рейнолдсом , по которой «текущая обитаемая зона» Солнечной системы заключена в диапазоне от 0,95 до 1,37 астрономических единиц (а. е.) от нашего светила (1 а. е. соответствует нынешнему среднему расстоянию между Землей и Солнцем — 149,6 млн км). Затем Смит и Шредер согласились со сделанной задолго до них оценкой, что уже через миллиард лет из-за роста светимости Солнца примерно на 10% по сравнению с текущим уровнем внутренняя граница «обитаемой зоны» сместится дальше 1 а. е., то бишь выйдет за пределы нынешнего среднеорбитального расстояния между Землей и Солнцем. Через 5,5 млрд лет, когда Солнцу стукнет 10 миллиардов и оно начнет трансформироваться в красного гиганта, диапазон границ будет находиться между 1,29 и 1,86 а. е. А на пике стадии красного гиганта через 7,5 млрд лет, подсчитали ученые, «зона, пригодная для жизни», окажется на самых задворках Солнечной системы — между 49,4 и 71,4 а. е., то есть где-то в районе пояса Койпера! Что ж, прикидки Смита и Шредера в очередной раз подтверждают научную гипотезу: полное вымирание homo sapiens и прочих форм жизни на Земле произойдет намного раньше пресловутого судного дня и все страсти-мордасти с окончательным испарением нашей планеты случатся без какого-либо непосредственного освидетельствования их живыми существами. Скорее всего, поголовное вымирание наступит даже задолго до превращения Солнца в крайне несимпатичного красного гиганта, поскольку всего через миллиард лет средняя температура поверхности Земли вырастет до нескольких сот градусов Цельсия. Неизбежные следствия этой экстремальной бани достаточно подробно описаны во многих научно-популярных книгах и учебниках: быстрый рост концентрации водяного пара (главного парникового газа) в атмосфере, прогрессирующее испарение мирового океана вплоть до полного исчезновения в нем воды, окончательное улетучивание в околоземное пространство самой атмосферы и проч. Есть ли возможность уцелеть? Два въедливых ученых пришли к весьма любопытному выводу: по их прогнозу, будь орбитальный радиус Земли 1,15 а. е. (или более), а не 1,0, как сейчас, этого бы вполне хватило, чтобы избежать итогового летального сближения с Солнцем незадолго до наступления пиковой точки расширения светила. В более ранних исследованиях по аналогичной проблематике утверждалось, что для сохранения целостности планеты в Солнечной системе ее минимальный орбитальный радиус должен составлять три или больше астрономические единицы. Иными словами, для какого-то, пусть призрачного, шанса выжить в будущих далеких катаклизмах Земле, по оценкам Смита и Шредера, не хватает совсем небольшой дополнительной прибавки к нынешней орбите. Самое главное, что, по крайней мере теоретически, вполне возможно искусственно нарастить земную орбиту до нужной критической величины и даже сверх нее. В частности, довольно подробное описание плана спасения нашей планеты под заголовком «Астрономический инжиниринг, стратегия модификации планетарных орбит» было предложено еще в 2001 году группой американских ученых из Университета Санта-Круз (Калифорния). Дон Корикански , Грег Лафлин и Фред Адамс вбросили идею использования периодического прохождения в непосредственной близости от Земли какого-нибудь крупного астероида (например, одного из объектов того же пояса Койпера) для избирательной корректировки земной орбиты по методу «гравитационной рогатки». При этом, по оценочным прикидкам авторов, для долговременного поддержания текущего уровня притока солнечной энергии на Землю, то есть для сохранения климатических условий в привычных нам температурных и прочих рамках, такая периодическая орбитальная коррекция должна происходить примерно один раз в шесть тысяч лет. Роберт Смит и Клаус Петер Шредер тоже упомянули об этой идее американской троицы в своей статье и даже признали, что «такой вариант выглядит вполне реализуемым в принципе как технологически, так и энергетически. Разумеется, сейчас наши технологические возможности весьма далеки от того уровня, который обеспечит успешную реализацию этого проекта, но большой спешки в данном вопросе пока, слава богу, еще не требуется».
|
