轉(zhuǎn)個(gè)長(zhǎng)文：從塵世到永恒——太陽(yáng)和地球的命運(yùn)
Gregory P. Laughlin
譯自Sky & Telescope, Vol. 113, No. 6 (2007)
生命可以繼續(xù)在地球上存在幾億年。但直到海水開(kāi)始沸騰……
我一直著迷于H. G. 威爾斯在1895年經(jīng)典小說(shuō)《時(shí)間機(jī)器》中對(duì)駛向地球未來(lái)的生動(dòng)描述。威爾斯描述道，一位英國(guó)的村民先是來(lái)到模模糊糊的幾年之后，然后是很久以后：“我看到了樹(shù)木象水蒸氣團(tuán)一樣生長(zhǎng)變化……模糊中我看到宏偉高大的建筑拔地而起，就象做夢(mèng)一樣。整個(gè)地球表面都象是改變過(guò)了，在我的眼皮底下融化流淌。”
從威爾斯的時(shí)代以來(lái)，我們對(duì)地球遙遠(yuǎn)未來(lái)的認(rèn)識(shí)有了很大的進(jìn)展。雖然時(shí)間機(jī)器仍處在科幻故事之中，由于我們對(duì)太陽(yáng)的演化有所了解，所以詳細(xì)并科學(xué)可靠地勾勒出地球在很久以后的情況還是可能的。
如果我們可以看到在未來(lái)2億年左右的時(shí)間內(nèi)陸球隨時(shí)間變化的鏡頭，我們會(huì)看到，各大陸并合形成了泛古陸的未來(lái)版本，并隨之分裂成新的大陸板塊。地球內(nèi)部的熱源主要是鈾-238的放射性衰變，該元素的半衰期是45億年。因此這時(shí)地球的內(nèi)部產(chǎn)生熱量的速度是初始的1半。隨著內(nèi)核的冷卻，地球的地質(zhì)更新作用趨于停止，行星將進(jìn)入衰老期。火山熄滅，大陸趨于終態(tài)分布。在接下來(lái)的10億年中，由于水被平穩(wěn)冷卻的地殼所吸收，海平面會(huì)略微下降。
不過(guò)在地球內(nèi)部冷卻的同時(shí)，地表溫度不會(huì)下降。太陽(yáng)自誕生以來(lái)就在無(wú)情地緩慢變亮。給予生命的溫暖恒星正在變?yōu)橥{地球生存的熾熱禍害。
不易的平衡
與大多數(shù)恒星一樣，太陽(yáng)處在向內(nèi)的引力和向外的壓力（由核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量維持）穩(wěn)定的既定平衡狀態(tài)。這種平衡是自我調(diào)節(jié)的。太陽(yáng)收縮一點(diǎn)，其中心密度和溫度會(huì)上升，使核反應(yīng)加速，產(chǎn)生的更多熱量會(huì)讓太陽(yáng)向外膨脹。稍許的膨脹會(huì)使中心略微冷卻，使核反應(yīng)產(chǎn)生的能量減少，導(dǎo)致太陽(yáng)收縮。所以太陽(yáng)能保持平衡狀態(tài)。
但在幾億年之后，平衡會(huì)稍稍有所偏移。隨著氫巨變成氦，太陽(yáng)核心區(qū)域的氫會(huì)減少。氦是惰性氣體，因此核心處必須收縮，變得更熱，以維系聚變反應(yīng)。在誕生后的45.4億年間，太陽(yáng)消耗了初始?xì)湓氐囊话氩坏剑纬闪烁缓ず诵摹ｋS著氣體日益減少，太陽(yáng)會(huì)作出一連串迂回的反應(yīng)，其中沒(méi)有一項(xiàng)是有利于地球的。
太陽(yáng)這樣的主序星在消耗氫元素并讓核心更加致密的過(guò)程中，中心溫度會(huì)升高到，加速氫的聚變。自誕生以來(lái)，太陽(yáng)的亮度已經(jīng)增加了30%。在接下來(lái)的12億年間，其亮度會(huì)繼續(xù)增加10%，體積會(huì)有些許膨脹，表面溫度增加150攝氏度（270華氏度）。
失控的溫室效應(yīng)
非常有意思的一個(gè)問(wèn)題是，地球這一復(fù)雜系統(tǒng)的反應(yīng)是什么樣的。到目前為止，地球?yàn)閷?duì)抗太陽(yáng)持續(xù)增加的亮度，維護(hù)穩(wěn)定的表面溫度作出了很好的表現(xiàn)。但在很久以前，也出現(xiàn)過(guò)明顯的波動(dòng)，其中包括遠(yuǎn)古時(shí)期在生命出現(xiàn)在地面上之前至少兩次的“冰雪地球”，在此期間從極地到赤道的整個(gè)地球被完全冰封。過(guò)去也有過(guò)比現(xiàn)在更熱的時(shí)代，那時(shí)極地也覆蓋著溫帶森林。
在接下來(lái)一個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間里，我們要進(jìn)行一次大范圍的戲劇性實(shí)驗(yàn)，這是因?yàn)槲覀冞€在繼續(xù)向大氣中釋放大量的二氧化碳（CO2）。其對(duì)地球氣候的影響會(huì)帶來(lái)寶貴信息，會(huì)增強(qiáng)我們對(duì)行星長(zhǎng)期面對(duì)太陽(yáng)持續(xù)增加的輸出能量如何反饋的了解。
在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，熱得多的地球?qū)τ谏鼇?lái)說(shuō)實(shí)際上可能是有利的，這是因?yàn)閺臉O地到熱帶，生物圈趨于富饒。溫室中的生物更加興旺。也許歷經(jīng)幾百萬(wàn)年進(jìn)化的緩慢適應(yīng)，這一趨勢(shì)會(huì)使生物圈更加繁盛，直到溫度達(dá)到水的沸點(diǎn)。
但這一致命的溫度終會(huì)到達(dá)。無(wú)云的氣候模型指出，在12億年之后，地球會(huì)到達(dá)失控的水蒸氣溫室效應(yīng)（runaway moist greenhouse）狀態(tài)。這比我們當(dāng)前釋放CO2帶來(lái)的任何后果都要具有毀滅性，因?yàn)樗魵庵灰獢?shù)量足夠，本身就是有效的溫室氣體。在失控的水蒸氣溫室效應(yīng)狀態(tài)，極高的溫度導(dǎo)致海洋蒸發(fā)量的巨大增加，大氣中有了更多水蒸氣，因此溫度會(huì)更高，如此這般直到海洋蒸發(fā)殆盡。在10億年多一點(diǎn)之后，我們認(rèn)為，地球會(huì)變成炙熱、貧瘠、干旱的沙漠。很難想象多細(xì)胞生物在這樣的環(huán)境下如何存活。
當(dāng)塑的水蒸氣都蒸發(fā)到極干旱的陸地之上后，會(huì)發(fā)生些什么呢？當(dāng)前，水蒸氣大都束縛在對(duì)流層內(nèi)，這是大氣的低層，氣候變化就發(fā)生在這里。同溫層的水蒸氣很少，其上阻攔陽(yáng)光紫外線的臭氧層就更少了。因此，地球上的水分絕少會(huì)被光分解，也就是陽(yáng)光中的紫外線打下水分子H2O中的一個(gè)氫原子，破壞水分子。所以我們的水是安然無(wú)恙的。
地球大氣層頂?shù)臏囟茸阋宰屓魏巫杂蓺渲饾u逃逸到太空中。所以如果水位于臭氧層之上的話，它就會(huì)逐漸逃走。在水蒸氣溫室效應(yīng)劇變之后，地球會(huì)逐漸丟掉所有的水分，行星會(huì)轉(zhuǎn)而禁受更可怕的干旱溫室效應(yīng)（dry greenhouse），與當(dāng)下支配金星的效應(yīng)類似。
實(shí)際上，金星可能一度更為溫和，也與地球更為類似。對(duì)其大氣中氘氫比例的測(cè)量說(shuō)明，金星在歷史上損失了其相當(dāng)?shù)乃郑瑪?shù)量似乎與一片海洋相當(dāng)。雖然現(xiàn)在金星接收到的陽(yáng)光比地球多，但在太陽(yáng)的早期，它接收到的能量也比現(xiàn)在少30%。如果我們能知道，金星是是什么時(shí)候環(huán)境惡化的。我們可能會(huì)作出更精確的地球長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)。
賓夕法尼亞州立大學(xué)的James Kasting提出的模型說(shuō)明，干旱溫室效應(yīng)會(huì)在大約30億年后降臨地球，這是在最后一滴水蒸發(fā)的20億年之后。那時(shí)的溫度會(huì)再度飚升到400攝氏度（750華氏度）。而那時(shí)的太陽(yáng)只比現(xiàn)在亮40%，距離氫燃料耗盡的時(shí)間還有幾十億年。
推遲必然
2000年，我與密歇根大學(xué)的Fred Adams和加州大學(xué)圣克魯茲分校的Don Korycansky一起設(shè)計(jì)了一個(gè)非常可行的計(jì)劃，以在未來(lái)幾十億年太陽(yáng)熱量增加的情況下，將地球的溫度穩(wěn)定在當(dāng)前適宜的溫度上。關(guān)鍵是有大量的時(shí)間可以利用。我們證明，只需消耗一點(diǎn)點(diǎn)能量，就可以在數(shù)以千計(jì)或百萬(wàn)計(jì)的時(shí)間內(nèi)，讓一顆大型小行星或柯伊伯帶天體反復(fù)接近地球和木星，這樣可以把木星巨大的軌道能量向地球轉(zhuǎn)移一點(diǎn)點(diǎn)。如果每10000年接近一次，就足以靠地球軌道的外移來(lái)抵消太陽(yáng)持續(xù)的增亮了。
雖然開(kāi)始著一計(jì)劃所需的技術(shù)幾乎已在手邊，首先必須大大改進(jìn)的是人類自我的穩(wěn)定和長(zhǎng)期計(jì)劃。這不僅僅是因?yàn)槲⑿〉挠?jì)算錯(cuò)誤就可以導(dǎo)致使生物滅絕的撞擊。當(dāng)我們把工作發(fā)表之后，展示給我們的是智慧生命的當(dāng)前形態(tài)。媒體的報(bào)道完全錯(cuò)誤，他們說(shuō)，這一計(jì)劃會(huì)終結(jié)人為活動(dòng)帶來(lái)的短期全球變暖。這些報(bào)道鼓動(dòng)了報(bào)紙編輯、脫口秀喋喋不休的贊賞以及鋪天蓋地的威脅電話和信件。在計(jì)劃開(kāi)始之前，1000萬(wàn)年的等待是相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。實(shí)際問(wèn)題是，文明是否會(huì)持續(xù)這一長(zhǎng)度的千分之一。
但不論我們遙遠(yuǎn)未來(lái)的后代會(huì)做些什么，太陽(yáng)的演化最終會(huì)加速。高精度的計(jì)算機(jī)模型以及對(duì)晚年類太陽(yáng)恒星的仔細(xì)觀測(cè)說(shuō)明，氫燃燒會(huì)轉(zhuǎn)移到太陽(yáng)核心區(qū)域之外的殼層中，進(jìn)行得越來(lái)越快。能量產(chǎn)出會(huì)顯著增加，導(dǎo)致太陽(yáng)的外層體積膨脹。
當(dāng)前的模型告訴我們，63.6億年之后，太陽(yáng)的亮度是現(xiàn)在的2.2倍，而火星接收到的熱量與現(xiàn)在的地球相同。但對(duì)于火星來(lái)說(shuō)，這次解凍來(lái)得似乎太遲了——它的引力太弱，不足以束縛住濃密的大氣，使它無(wú)法在這樣晚的時(shí)候產(chǎn)生生物。
在接下來(lái)的7.3億年中，太陽(yáng)的亮度會(huì)增加到現(xiàn)在的2.7倍，直徑是現(xiàn)在的2.3倍。實(shí)際上，這時(shí)的太陽(yáng)系已經(jīng)是荒無(wú)人煙了。金星和地球成了地獄般的雙胞胎；火星則是炎熱的沙漠。木星的衛(wèi)星仍舊冰封，但解凍在迫近。之后的5.9億年，太陽(yáng)上升到了恒星演化的紅巨星支，接下來(lái)的事情比之前的都要激烈了。
紅巨星
現(xiàn)在，你可以按如下方式做一個(gè)日地系統(tǒng)的比例模型：一只手拿起一粒沙子，另一手拿一枚一角硬幣，盡量把兩臂伸遠(yuǎn)。在太陽(yáng)演化為紅巨星的時(shí)候，一角硬幣要先用1/4美元硬幣來(lái)替換，然后是檸檬，之后是柚子。這時(shí)，木星的衛(wèi)星木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四都會(huì)形成厚厚的水蒸氣大氣，進(jìn)入失控的水蒸氣溫室效應(yīng)階段；之后它們的水分都會(huì)被光分解，逃入太空。
土星最大的衛(wèi)星——土衛(wèi)六的距離是前者的兩倍，這時(shí)的溫度溫暖適宜。Chris McKay效力于NASA的Ames研究中心，他和同事發(fā)現(xiàn)了土衛(wèi)六的幾百萬(wàn)年周期，此時(shí)其上的液氨海洋是穩(wěn)定的。在其豐富的有機(jī)物環(huán)境下，會(huì)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，也許會(huì)產(chǎn)生新的生命——但不會(huì)持久。
那么地球呢？現(xiàn)在的問(wèn)題是，這顆熾熱的行星還能否存在。
在我們的比例模型中，太陽(yáng)從柚子的大小膨脹到籃球，之后是球形救生器的尺寸，它至少能吞進(jìn)水星的軌道。而由于其亮度增加到了現(xiàn)在的幾百倍，而表面引力因其膨脹而減小，太陽(yáng)會(huì)開(kāi)始吹出強(qiáng)大的星風(fēng)，最終會(huì)吹走太陽(yáng)質(zhì)量的1/4。因此太陽(yáng)的引力會(huì)減小1/4，行星軌道會(huì)向外膨脹。
當(dāng)太陽(yáng)達(dá)到紅巨星階段的頂點(diǎn)之時(shí)，其會(huì)膨脹到當(dāng)前大小的200倍，會(huì)輕易吞入現(xiàn)今金星的軌道，將將達(dá)到現(xiàn)今的地球軌道。不過(guò)那時(shí)的金星可能會(huì)退到目前地球的位置，地球可能會(huì)靠近現(xiàn)在的火星。所以乍看起來(lái)地球可以將將逃過(guò)一劫。
但在最近，波蘭科學(xué)院地理學(xué)研究所的Kacper R. Pybicki和比利時(shí)Liège大學(xué)的Carlos Denis仔細(xì)研究了太陽(yáng)作為紅巨星對(duì)太陽(yáng)系造成的影響。他們得到了一個(gè)重要的結(jié)果：潮汐力是決定地球命運(yùn)的決定因素。隨著太陽(yáng)的膨脹，地球的引力會(huì)在太眼表面造成一個(gè)很小的鼓包。在鼓包試圖跟隨地球的軌道位置時(shí)，摩擦力使得它會(huì)稍稍滯后。這一滯后對(duì)我們的行星施加了持續(xù)的引力拖延，使其向內(nèi)緩慢螺旋運(yùn)動(dòng)。這一情形類似月球?qū)Φ厍虻某毕饔脤?dǎo)致月球外移，只是正好相反，這是因?yàn)樘鄣淖赞D(zhuǎn)比地球的公轉(zhuǎn)速度慢而不是快的緣故。
由于這所有的不確定因素，我們并不清楚，地球是否能避免被太陽(yáng)吞噬的命運(yùn)。
當(dāng)核心溫度達(dá)到1億攝氏度，氦開(kāi)始聚變?yōu)樘疾⑻峁┤履茉磿r(shí)，太陽(yáng)作為紅巨星的第一階段突然終結(jié)了。太陽(yáng)對(duì)這一新礦藏的反應(yīng)是（似乎是荒謬地）劇烈收縮，并將其亮度減少將近100倍。在幾百萬(wàn)年的時(shí)間里，太陽(yáng)穩(wěn)定地燃燒著氦，太陽(yáng)系也可以在一連串的災(zāi)變之后喘上一口氣了。如果地球仍舊存在（下上 75%幾率的賭注），它會(huì)有熔融硅的巖石表面，暴露在太空的真空之下，白天午間的溫度是熾熱的600攝氏度。行星上存在過(guò)生物圈的任何痕跡都早已被融掉，并讓遺忘重新結(jié)晶。
瀕死掙扎
氦元素基本耗盡之后，太陽(yáng)殘留的是類似白矮星的核心，由碳和氧組成。同時(shí)，太陽(yáng)的外層會(huì)再度膨脹并冷卻，太陽(yáng)又成為了紅巨星。天文學(xué)家將第二個(gè)紅巨星階段稱為“漸近支”階段，這是由其在赫羅圖上的位置而得名的。太陽(yáng)再度成為了地球星體存在的威脅。在第二個(gè)紅巨星階段，它要經(jīng)歷數(shù)次能量的大規(guī)模輸出 ——氦閃，這會(huì)導(dǎo)致為期約10000年的體積脈動(dòng)。顯然可能的是，地球在脈動(dòng)中可能會(huì)被直接吞入，而還來(lái)不及螺旋而入并被完全毀滅。
之后，在第二個(gè)紅巨星階段開(kāi)始后的1億年，太陽(yáng)會(huì)把大質(zhì)量外殼完全拋出，形成行星狀星云，模樣可能和上圖一樣，并留下一顆熾熱微小的白矮星。
隨之而來(lái)的還有另一大威脅。
我們業(yè)已看到，太陽(yáng)的質(zhì)量損失對(duì)于地球的存在來(lái)說(shuō)是個(gè)威脅。但如果太陽(yáng)損失的質(zhì)量比預(yù)期更多，巨行星木星和土星會(huì)彼此發(fā)生劇烈的引力相互作用。它們會(huì)驅(qū)使自身沿長(zhǎng)長(zhǎng)的橢圓軌道瘋狂掠過(guò)，結(jié)果將瓦解太陽(yáng)系的剩余部分。在隨即的混亂中，天體遭到撞擊，飛到星際空間中去，并落入太陽(yáng)，終其一生。在2刻白矮星周圍已發(fā)現(xiàn)了可能屬于破碎太陽(yáng)系的殘片，而多至40顆白矮星周圍可能也有類似情況，其中有一顆新近損失的質(zhì)量產(chǎn)生了我們所熟悉的螺旋星云。
太陽(yáng)轉(zhuǎn)變?yōu)榘装牵沟锰?yáng)在故事中的角色得以完結(jié)。殘留的行星（其中或許包括地球和火星的殘燼）將圍繞白矮星靜靜地穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)千萬(wàn)年，期間自身和太陽(yáng)那小小的殘骸會(huì)冷卻到趨近絕對(duì)零度，并等候著之后宇宙災(zāi)難的古怪事件。
在作為白矮星的太陽(yáng)逐漸沒(méi)入黑暗的同時(shí)，燦爛的夜空也將變暗。宇宙目前正進(jìn)入加速膨脹的階段，在幾千億年的時(shí)間內(nèi)，除本星系群外的所有星系都會(huì)沒(méi)入我們的因果視界之外。銀河系自身早就與仙女座星云并合了，產(chǎn)生一個(gè)龐大的橢圓星系。在約莫100萬(wàn)億年的時(shí)間內(nèi)，預(yù)期我們會(huì)看到隨機(jī)的白矮星殘骸到達(dá)距離地球足夠近的地方，把地球撕裂，并讓它飛入業(yè)已黑暗的星系中，也許再任其獨(dú)自漫游上1018年。
在更遙遠(yuǎn)的未來(lái)，如果地球可以免于與星系中央的黑洞碰撞，與過(guò)路星骸的偶遇會(huì)最終讓它完全飛出星系。如果地球以這種形式得以解放，宇宙的繼續(xù)膨脹會(huì)讓銀河系到達(dá)視界以外而不能被目睹或進(jìn)行因果聯(lián)系，而我們的地球會(huì)獨(dú)自在墨黑的虛空里進(jìn)入延展的時(shí)間。
加州大學(xué)圣克魯茲分校的Gregory P. Laughlin在搜尋并研究太陽(yáng)系以外的行星。他和Fred Adams合寫了The Five Ages of the Universe: Inside the Phyisics of Eternity一書。他們?cè)?998年8月號(hào)的Sky & Telescope雜志上，描述了未來(lái)10^120年的情形。
