Спросите Итана: когда Солнце сделает Землю необитаемой?

Пока что наша Земля неплохо себя чувствует. С тех пор, как наше Солнце сформировалось порядка 4,5 млрд лет назад, наша протоземля сформировалась во внутренней Солнечной системе, столкновение породило пару Земля/Луна, известную нам сегодня, и комбинация начальных условий и поздней бомбардировки привела к появлению океанов и атмосферы. За срок больший, чем 4 млрд лет, Солнце постоянно светило, и жизнь зародилась и процветала. Но это не может продолжаться вечно! Приведёт ли к нашему вымиранию окончание топлива на Солнце? На этой неделе мы обсуждаем этот вопрос благодаря читателю, который спрашивает:

Уменьшается ли ядерная энергия Солнца или остаётся стабильной? Сколько времени осталось существованию жизни на нашей планете, если Солнце уменьшает своё ядерное топливо?

Если отвлечься от возможных катастроф, инициированных самой Землёй (типа сверхвулкана или отравления биосферы) или Вселенной в целом (сильное столкновение, стерилизующий всплеск гамма-лучей или вспыхнувшая поблизости сверхновая), Солнце в итоге погубит всю жизнь на Земле.

Цепочка протон-протон, ответственная за производство большей части энергии Солнца

Такие звёзды, как наше Солнце, работают на ядерном синтезе: синтезируя из наилегчайшего, самого распространённого элемента Вселенной (водорода) второй по лёгкости и распространённости элемент (гелий) в ходе цепной реакции. В цепную реакцию, благодаря которой Солнце вырабатывает большую часть энергии, включает:

• Два протона формируют дейтерий, позитрон (аннигилирующий с электроном и выдающий высокоэнергетические протоны), нейтрино и свободную энергию.
• Дейтрон с протоном выдают гелий-3, высокоэнергетический фотон и свободную энергию.
• Два ядра гелия-3 сливаются вместе и дают гелий-4, два свободных протона и ещё больше свободной энергии.

Это самый распространённый источник энергии на Солнце, и в этой реакции 0,7% изначальной массы четырёх протонов превращается в энергию согласно эйнштейновскому E = mc². Каждую секунду огромное количество протонов, 4 ? 10³⁸ превращаются в гелий-4, испуская порядка 4 ? 10²⁶ Вт энергии.

Солнце также огромно и массивно, и состоит из порядка 10⁵⁷ частиц. Но, несмотря на такие огромные количества, общий запас топлива Солнца конечен, и если ждать достаточно долго, Солнце сожжёт всё своё топливо. Ещё большей проблемой будет то, что Солнце не использует весь свой водород – только тот, что находится в его ядре, где температуры выше всего. Самые первые протоны не будут участвовать в синтезе, пока вы не погрузитесь на глубину, превышающую половину радиуса, где температуры превышают 4 000 000 K. И только в самых глубинах Солнца, где температуры превышают 10 000 000 K и достигают максимума в 15 000 000 K, производится 99% энергии.

Это означает, что со временем самые внутренние части Солнца быстрее всего сожгут всё топливо. Можно ожидать, как писал наш читатель, что это будет означать постепенное уменьшение яркости Солнца. Но без этих реакций внутри ядра на самом деле ядро начнёт сжиматься, а это гравитационное сжатие будет выделять ещё больше энергии, что приведёт к увеличению температуры. После этого синтез начнёт идти быстрее и в большем объёме Солнца, чем раньше. Иначе говоря, со временем энергетический выхлоп Солнца будет увеличиваться, и это будет происходить на отрезке времени длиной в четыре млрд лет!

Когда Солнце было новорожденной звездой, её энергетический выход составлял порядка 75-80% от сегодняшнего. Благодаря флоре, фауне, океанам и атмосфере нашей планеты, мы смогли адаптироваться к постоянно растущим температурам Солнца на всём протяжении истории Солнечной системы. Но всему есть предел: в какой-то момент яркость Солнца увеличится так сильно, что Земля, находясь на таком же расстоянии от него, как сейчас, разогреется так сильно, что её океаны закипят. После этого тепличная цепная реакция, подобная той, что произошла на Венере – где планету окутывает толстый слой облаков – случится и на Земле, и вся жизнь на её поверхности исчезнет.

Возможно, что некоторые формы жизни будут существовать высоко в облаках, и что человечество сможет придумать, как выжить в таких условиях, если ещё будет существовать. Но это случится задолго до того, как в ядре Солнца закончится водородное топливо. Действительно, наше Солнце на периоде в 5-7 млрд лет претерпит следующие изменения:

• Исчерпает водород в ядре.
• Расширится до очень яркой звезды-субгиганта, когда водород выгорит в оболочке вокруг ядра.
• Начнёт синтез гелия в ядре, когда температура достигнет критической отметки.
• Расширится до красного гиганта.
• В итоге умрёт, сбросив внешние слои, превратив их в планетарную туманность, а ядро сожмётся до белого карлика.

Но уже всего через 1-2 млрд лет Солнце станет настолько горячим, что океаны начнут закипать. В этот момент нам придётся найти новый дома, поскольку поверхность Земли станет необитаемой. В итоге это будет единственным значимым глобальным потеплением, и Солнце станет намного горячее перед тем, как произойдёт большое и финальное замерзание Солнечной системы. Мы уже прошли большую часть временного отрезка, на котором Земля обитаема, так что лучше попытаться взять всё возможное от оставшегося у нас времени!