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为什么说地球宜居的时间只有10亿年了呢?简单来讲就是,在过去的日子里,太阳一直在变亮,其释放出的能量也越来越多,而这样的情况在未来仍然会继续,估计在10亿年之后,太阳的亮度将在现有的基础上增加10%左右,进而导致地球不再宜居。
太阳持续变亮的原因是什么?
(资料图片仅供参考)
宇宙中恒星的能量产生机制可以简单地描述为,恒星的引力坍缩会使其核心区域的温度和压强越来越高,当达到一定程度的时候,就会引发核心区物质的核聚变,而核聚变释放出的能量就会形成一个向外的辐射压,当恒星引力与辐射压达到平衡时,恒星就会处于一种稳定的状态,从而持续地发光发热。
太阳就是一颗稳定“燃烧”的恒星,其核心区的核聚变主要是“质子-质子链反应”(如上图所示),我们可以简单地理解为,在太阳的核心区,氢原子核源源不断地聚变成氦原子核,并向外释放出巨大的能量。
由于太阳核心区的温度和压强都不满足氦的聚变条件,因此太阳核心区的氦在生成之后就会不断堆积,这样就会造成核聚变的功率密度降低(或者说单位体积释放的能量减少),如此一来,太阳内部的辐射压就会变弱,于是太阳就会发生引力坍缩,而这会使其核心区的温度和压强出现提升。
宜居带被用来描述了恒星周围的一个宜居区域,在这个区域内,类地行星的表面平均温度允许液态水的存在,液态水对地球上的所有生命都是必不可少的,所以宜居带的定义是基于地外生命也有这一需求的假设。不同质量和分类的恒星有不同的宜居带距离,并不是所有在宜居带的行星都是宜居的,处在宜居带只是宜居的前提,事实上,目前为止在宜居带内发现的行星都不适合人类居住。
由于核聚变反应的速率对温度和压强非常敏感,因此当太阳核心区的温度和压强提升之后,核聚变反应就会趋向激烈,其形成的辐射压也会相应地增加,这样就阻止了太阳的进一步坍缩,从而达到一个新的平衡。然而这种新的平衡其实是建立在更高温度和压强的基础上的,这就意味着,在太阳核聚变反应区外缘的邻近区域,此时也达到了核聚变的条件,换句话来讲就是,更多的物质会参与到太阳的核聚变中,这就会造成太阳的核心区比之前更大,释放的能量也就越多。
2013年发表在《天体生物学》杂志上的一项研究中,科学家使用恒星演化模型,通过确定地球何时不再处于宜居带,来估计地球宜居寿命的终结。结果显示,地球将在15亿到35亿年内的某个时间不再适宜居住。在这一点之后,地球将处于太阳的热区,温度高到海洋蒸发,导致地球所有生命的灾难性和最终灭绝事件,接近地球宜居尾声时,只有某些环境中的微生物才能忍受极端高温。
宜居带在时间和空间上都不是静止的,当一颗恒星变老时,它的大小会变到原来尺寸的数百倍,并将附近的行星吞噬。大多数恒星都遵循一定规律运行,即首先一颗恒星的密度足够大到支持将氢聚变成氦;随着时间的推移,这些恒星温度越来越高,直到氢耗尽,附近的行星也变得越来越热,直到最后由于缺乏地表水而变得不适合居住。
据预测,太阳本身将在未来54亿年内变成一颗红巨星,其半径将超过地球目前的轨道。在那之后,它将开始氦聚变而不是氢聚变,最终形成一个行星状星云,内部核能耗尽之后坍塌变成一颗白矮星。以上所述是一个缓慢而渐进的过程。因此,随着太阳变得越来越亮,越来越热,更多的水从地球表面蒸发到大气中,在那里吸收更多的热量。最终,地球的温室效应将失去控制,蒸发掉地球上所有的水,结束所有生命,地球不再宜居。