22 January 2018

Спросите Итана: можем ли мы спасти Землю, переехав подальше от Солнца?

Popular sciencePhysicsAstronomy
Translation
Original author: Ethan Siegel

Ионный двигатель NEXIS от Лаборатории реактивного движения НАСА — прототип двигателя длительного действия, способного передвигать объекты большой массы на очень больших временных промежутках.

Когда-нибудь, в отдалённом будущем, океаны Земли закипят и уничтожат всё живое на её поверхности, превратив в необитаемую планету. Такое глобальное потепление не может предотвратить ни один человек: ему виной постепенно разогревающееся Солнце, сжигающее своё топливо в течении жизни. Но, возможно, есть способ сохранить Землю обитаемой, если спланировать очень долгосрочное решение: передвинуть всю Землю. Но реально ли это в принципе? Именно это хочет узнать наш читатель:
Я хотел бы помечтать: считаете ли вы, что было бы физически возможно передвинуть орбиту Земли, учитывая наши текущие научные познания?

Чтобы это выяснить, нам нужно понять, насколько жарко нам станет и насколько быстро поднимется температура, чтобы двигать Землю достаточно быстро для её спасения.


В разрезе показаны различные участки поверхности и внутренностей Солнца, включая ядро, в котором и идёт ядерный синтез

Любая звезда получает энергию, осуществляя синтез более тяжёлых элементов из более лёгких в своём ядре. В частности, наше Солнце превращает водород в гелий в тех участках ядра, где температура превышает 4 000 000 K. Чем горячее становится обстановка, тем быстрее идёт синтез; самый центр ядра может разогреваться даже до 15 000 000 K. Эта скорость почти идеально постоянна — но не совсем. На длительных временных промежутках меняется процентное соотношение водорода и гелия в ядре, из-за чего внутренности с течением миллиардов лет разогреваются всё больше. При разогреве происходят три вещи:

  • Звезда становится более яркой, то есть, излучает больше энергии в единицу времени.
  • Она немного раздувается, ощутимо увеличивая радиус, на несколько процентов каждый миллиард лет.
  • Её температура остаётся почти постоянной, меняясь не более, чем на 1% за миллиард лет.


Солнце увеличило размер, яркость и температуру, согласно построенным кривым, и три эти характеристики будут продолжать увеличиваться в будущем [рыжий — яркость, голубой — радиус, зелёный — температура]

Всё это ведёт к неудобному факту: количество достигающей Землю энергии со временем очень медленно растёт. За каждые 110 млн лет солнечная яркость будет увеличиваться примерно на 1%, что означает, что за это время достигающая Земли энергия тоже будет расти на 1%. Когда Земля была на 4 млрд лет моложе, наша планета получала едва ли 70% от той энергии, что мы имеем сегодня. А после одного-двух миллиардов лет, если мы ничего с этим не будем делать, это увеличение приведёт к серьёзным проблемам для Земли. На тот момент средняя температура поверхности достигнет 373 К (100 °C / 212 °F). Иначе говоря, в какой-то момент Солнце станет настолько ярким, что океаны Земли закипят.


Если температура поверхности поднимется слишком высоко, наша планета не сможет поддерживать существование жидкой воды на поверхности.

Как же мы можем этого избежать? Существует несколько потенциальных решений:

  • Можно расположить несколько крупных отражателей в точке Лагранжа L1, предотвращая поступление части света на Землю.
  • Можно посредством геологической инженерии изменить атмосферу и/или альбедо нашей планеты, чтобы отражать больше света и меньше поглощать.
  • Мы можем уменьшить парниковый эффект, удалив такие молекулы, как метан и CO2, из атмосферы.
  • Мы можем бросить Землю и сконцентрироваться на терраформировании внешних миров, например, Марса.


Вероятный путь терраформирования Марса в сторону схожести с Землёй

В теории всё это может сработать, но потребует огромного количества работы и поддержки результатов.

Однако решение об отодвигании Земли на более удалённую орбиту было бы постоянным! И хотя нам нужно будет довольно сильно расширить орбиту, чтобы поддерживать постоянную температуру, временные промежутки в миллионы лет дают нам достаточно времени для этого. Чтобы нивелировать эффект увеличения яркости Солнца на 1%, нам нужно отодвинуть Землю от него на 0,5%. Чтобы нивелировать увеличение на 20% (ожидаемое в ближайшие 2 млрд лет), нам нужно отодвинуть Землю на 9,5% расстояния от Солнца. Вместо того, чтобы находиться на среднем расстоянии от Солнца в 149 600 000 км, мы должны стремиться к величине порядка 164 000 000 км.


Расстояние от Земли до Солнца за последние 4,5 млрд лет особенно не менялось. Но если Солнце разогреется, и мы не захотим, чтобы разогревалась Земля, нам надо серьёзно рассмотреть переезд нашей планеты наружу

Это отнимет огромное количество энергии! Подвинув Землю — все шесть септиллионов (6 × 1024) кг — мы серьёзно изменим параметры нашей орбиты. И если мы увеличим среднее расстояние от Земли до Солнца до 164 000 000 км, мы заметим несколько значительных изменений:

  • У Земли уйдёт на 14,6% больше времени на завершение полного оборота вокруг Солнца.
  • Для поддержки стабильной орбиты нашу орбитальную скорость придётся замедлить, от 30 км/с до 28,5 км/с.
  • Если период вращения Земли останется тем же самым (24 часа), у нас будет 418 дней в году, а не 365.
  • Солнце будет казаться чуть меньше по размеру — примерно на 10% — и влияние Солнца на приливы и отливы уменьшится на несколько сантиметров.


Если Солнце раздуется, а Земля отодвинется, два этих эффекта не совсем нивелируют друг друга; Солнце будет казаться немного меньше по размеру.

Но чтобы отодвинуть Землю так далеко, нам потребуется серьёзное энергетическое изменение: нам надо будет изменить гравитационную потенциальную энергию системы Солнце-Земля. Даже учтя все остальные факторы, включая замедление скорости движения Земли вокруг Солнца, нам придётся изменить орбитальную энергию Земли на 4,7 × 1035 Дж, что эквивалентно 1,3 × 1020 ТВт*ч: порядка 1015 годовых потребностей человечества в энергии. Можно решить, что этой проблеме поможет срок в два миллиарда лет — и он поможет, но не сильно. Нам будет необходимо в 500 000 раз больше энергии, чем человечество создаёт сегодня, которую придётся вбухивать в задачу отодвигания планеты на безопасную устойчивую дистанцию.


Скорость вращения планет вокруг Солнца зависит от их расстояния до Солнца. Постепенное отодвигание Земли вовне на 9,5% не должно нарушить орбиты других планет.

И технология преобразования энергии — это наименьшая из наших забот. Самая большая проблема более фундаментальна: где взять всю эту энергию? Реалистично рассуждая, такое количество энергии найдётся только в одном месте — в самом Солнце. В настоящее время Земля получает от Солнца порядка 1500 Вт энергии на квадратный метр. Чтобы собрать достаточно энергии для того, чтобы отодвинуть Землю за нужное время, нам нужно будет построить космический массив, собирающий 4,7 × 1035 Дж энергии, постоянно, в течение всех двух миллиардов лет. Это означает массив размером 5 × 1015 м2, эффективный на 100%, или эквивалент десяти площадей поверхности планеты Земля.


Концепция космической солнечной электростанции существует довольно давно, но никто не задумывал массив размером в 5 млрд кв. км.

Получается, что для отодвигания Земли на более высокую, стабильную орбиту, нам потребуется на 100% эффективный солнечный массив площадью в пять миллиардов кв. км., вся энергия которого будет тратится исключительно на выталкивание Земли на более удалённую орбиту в течение двух миллиардов лет. Физически возможно? Конечно. С текущими технологиями? Без вариантов. Практически возможно? Почти наверняка нет, по крайней мере, на основании известных нам данных. Передвинуть целую планету тяжело по двум причинам: из-за очень сильного гравитационного притяжения Солнца и из-за очень большой массы Земли. Но вот такая у нас планета, вот такое Солнце, и Солнце будет разогреваться, вне зависимости от того, что мы будем делать. Пока мы не найдём способа собрать и утилизировать такое огромное количество энергии, нам понадобятся иные стратегии выживания финального апокалипсиса глобального потепления!

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы; почему возраст Вселенной не совпадает с радиусом наблюдаемой её части .
Tags:Спросите Итанасолнцемарсземлятерраформированиеорбита
Hubs: Popular science Physics Astronomy
+7
12.8k 27
Comments 61