太阳燃烧损失很大质量,据万有引力地球轨道应越来越远吗,会变冷吗?

如题所述

第1个回答  2022-08-17
太阳确实在损失质量,而且太阳的万有引力也确实随之下降,而地球的轨道也会逐渐向外扩展,但只是这个过程非常缓慢。

太阳每秒种损失多少质量?
核聚变是太阳释放能量的方式,太阳的引力能够部分但无法万千阻止能量逃逸,这些逃逸的能量辐射通到太空中,其中一小部分最终到达地球,使我们的星球上的生命成为可能。通过聚变,太阳每秒“燃烧”约5.64亿吨氢,产生5.597亿吨氦。每秒 约430万吨的质量损失转化为能量 。但是不用担心,它仅占太阳总质量的0.0000000000000000002。尽管看起来很少,但趋势是太阳确实持续不断地“ 减肥”。那部分失去的质量变成了能量,相当于每秒扔出去 4万亿 个轰炸广岛的原子弹。

上图:太阳风的三种形式。太阳风是太阳直接喷出物质导致质量损失的事件。

这些损失的质量必然会导致太阳的引力下降。

地球的轨道是否在扩张呢?
数千年来,全球不同文明的观星人都一直在尝试测量日地距离。在公元前三世纪,萨摩斯岛的阿里斯塔丘斯(Aristarchus)是第一个主张日心说的学者,他估计地球到太阳的距离是到月亮的20倍。虽然这个估计不那么准确,但也算是朝正确的方向上迈出了第一步,实际上这个比例大概是400倍。

20世纪晚期,天文学家发明了一个更好的距离度量单位,被称为 “天文单位” ,这简直是个“偷懒”的好方法——把太阳到地球的距离定义为1个天文单位。由于近代人类发射的雷达束为了追踪星际航天器,几乎测定了地球到太阳系各大行星的距离,星际间的测距技术得到了极大的发展,因此太阳-地球距离的测定已经达到了非常高的精度。目前日地平均距离值被精确测算为 149597870.696公里(注意哦,这个距离精确到米呢)。

有了如此精确的准绳,俄罗斯力学家格雷戈里·A·克拉辛斯基和维克托·布伦伯格在2004年计算出太阳和地球正在逐渐彼此远离——虽然不大, 每年仅15厘米 ,但由于这个值比测量误差大100倍,因此地球确实是在向外逃离太阳。

地球为什么会缓慢远离太阳呢?

有几种观点:

上图:地月之间的潮汐作用,会导致地球的角动量通过引力传递给月球,使得月球轨道扩张。

但到目前为止,上述假说中没有一个被证明。

地球轨道扩张,不大可能在远期造成地球变冷
比较确定的说,如果不发生大撞击事件,地球在数亿年到数十亿年的远期表面温度都不大可能变冷。原因解释如下:

根据之前的介绍,地球每年远离太阳仅15厘米。而太阳系的寿命大概还剩40-50亿年,到那个时候衰老的太阳会变成一颗红巨星,实际上这个过程在太阳衰老末期就会渐渐发展。太阳的外壳会快速向外扩展,发展到红巨星阶段的时候,据估计,太阳的表面会扩展到地球轨道附近。到时候地球别提有多热了呢!

上图:太阳的生命周期。

我们就拿50亿年作为太阳余下的寿命来计算, 0.15米*5,000,000,000年=75万千米 。

前面介绍了,地球目前到太阳的平均距离是:149597870.696千米,因此就算太阳寿终正寝,地球也只不过“流浪”了 不到目前日地距离的200分之1 。

上图:地球远地点和近地点。

看到了吗?若以现在的“流浪”速度,50亿年后地球跑出去的距离,还没有地球每年近日点和远日点之间的距离大。所以其造成的地表温度变化 基本上可以忽略 。

“逃”得不够快,地球反而会逐渐变热
这就是因为前面提到的太阳会变成“红巨星”的缘故。

实际上太阳在刚刚形成的时候,它的总体辐射强度没有今天这么强,太阳实际上是越来越亮了。我们的星球受到的辐射是越来越强了。而这个趋势是会持续下去的,而且在太阳寿命的末期还会加速。据估算, 40亿年前的太阳辐射功率比现在低26% ,而 35亿年后,太阳的视觉亮度要比目前强40%!

虽然决定地球表面温度的不仅仅只有太阳辐射功率这一个因素,但这个因素是所有因素中最基础的,因为没有太阳,地球就基本上没有能量输入,尤其是地表温度,受这个因素影响极其强烈。

上图:当太阳变成红巨星,地球和火星的轨道的相对位置。

总结
太阳燃烧的确损失了很多质量,这导致了太阳的引力缓慢地下降,但地球的轨道变大也不完全跟太阳引力降低相关。地球轨道距离太阳越来越远的趋势是比较确定的,但原因很多,也可能是多种原因综合导致,但地球轨道扩张的速度总体而言是非常微小的,几乎不具有影响地球表面温度的意义。而不得不说的是,太阳的辐射强度在逐步增加,地球如果以这个速度“流浪”是逃不出太阳未来红巨星结局的毁灭性灾难的!

太阳每时每刻都在发生核聚变反应,释放巨量的光和热,其质量也在不断地损失,那么地球轨道会不会越来越远呢?

太阳是一个由氢和氦组成的气体星球,太阳内部在高温高压下,持续地发生着由氢向氦转变的聚变反应,以太阳目前黄矮星的体量,这个氢的核聚变类型目前还是质子—质子的链式反应,即4个氢原子核聚变为1个氦原子核,由于聚变过程中1个氦原子的质量要比4个氢原子少,根据爱因斯坦质能方程,质量的差异会释放一定的能量,根据测算,每一次质子—质子链式反应,可以释放大约4*10^(-12)焦耳的能量。

然后,我们根据测算出的太阳辐射功率,可以计算出太阳单位时间运行链式反应的次数,从而得出每秒释放的能量值约为3.8*10^26焦耳,按照质能方程,推导出每秒钟损失的质量为4.2*10^9千克,即420万吨,看上去很大,如果和太阳的总质量2*10^30千克相比,连九牛一毛都算不上。即使把太阳形成46亿年所有的质量损失加一块,也不过6*10^26千克,不到万分之三。

我们再拿太阳46亿年质量的损失,推导地球轨道的变化,主要依据地球公转环绕速度公式和角动量守恒定理,理论上可以推导出在太阳质量减少万分之三的情况下,地球轨道远离太阳不到20万千米,这与日地距离1.5亿千米相比仅增加了千分之一,影响微乎其微。

太阳在50亿年以后,由于氢元素的消耗殆尽,太阳体积将持续膨胀,由于质量损失还是不大,地球轨道向外推移的幅度也及其微小,那时要应对的不是地球轨道外移变冷,而是太阳体积膨胀地球变热的问题了。

放心吧,至少从你往下传N代也不会发生任何微小的变化。