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為什么越來越輕的太陽反而越來越熱?

在地球上,生命的生存、繁衍和進化已經(jīng)存在了數(shù)十億年,這都得益于一直給地球提供能量的太陽。由于地球和太陽的距離不遠也不近,所以地球擁有合適的溫度來孕育生命。

然而,如果太陽明顯更冷或更熱,地球?qū)ヒ司有浴H绻麤]有合適的太陽能量輸入,地球生命將是不可能的。我們的太陽包含了99.86%的太陽系質(zhì)量,但太陽每天都在變輕。經(jīng)過足夠的時間之后,太陽的變化將會使地球變得不適宜居住。

當太陽系最初形成時,一大塊質(zhì)量通過引力吸引越來越多的物質(zhì),形成了一個不斷增長的原恒星。然后,在原恒星周圍形成了一個原行星盤,其中存在著太陽系未來行星的種子。隨后,兩種力量之間展開了一場競爭:萬有引力——增長原恒星和原行星,輻射——來自外部恒星和年輕太陽的核聚變。

當輻射最終勝出時,太陽和行星就不能再生長了,而繼續(xù)下落的物質(zhì)會被吹走,最終形成我們的現(xiàn)代太陽系。

這標志著我們的太陽系達到了最大的質(zhì)量,這也標志著我們的太陽能量最低。從這一點開始,通過核聚變反應制造能量,太陽的質(zhì)量只會越來越小,而它所釋放的能量只會上升。不過,這是否存在矛盾呢?因為質(zhì)量越大的恒星,應該是更熱更亮才對,究竟哪里有問題呢?

事實上,只有兩個互相結合的因素決定了恒星的溫度。考慮到恒星的能量來自于較輕元素的核聚變,我們可以列舉出恒星釋放能量的原因:

(1)恒星的核心溫度,因為更高的溫度意味著每個粒子的能量更多,當兩個粒子碰撞時,發(fā)射核聚變的可能性更大。

(2)核聚變區(qū)域的大小,因為能夠發(fā)生核聚變的區(qū)域越大,在相同的時間內(nèi)會導致更多的核聚變反應。

對比兩顆不同的恒星,質(zhì)量越大的恒星就會達到更高的核心溫度,并且擁有一個更大的核聚變區(qū)域。但如果只單獨討論一顆恒星的情況,結果將會有所不同。

太陽在核聚變過程中,通過把氫聚變成氦,從而獲得能量,質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應是太陽獲得能量的主要方式。由于最終產(chǎn)物(氦-4)的質(zhì)量比最初的反應物(4個質(zhì)子)更低,根據(jù)愛因斯坦的E=mc^2,減少的質(zhì)量將會轉化成能量。據(jù)估計,大約有0.7%的質(zhì)量轉化為能量。

隨著核聚變反應的進行,太陽的質(zhì)量慢慢下降。核心區(qū)域產(chǎn)生的能量被傳送到表面,而產(chǎn)物氦因為較重會進一步沉入到中心區(qū)域。

但在這些溫度下,中心的氦無法核聚變,因此在氦富集的區(qū)域,每單位體積的核聚變就會減少。如果沒有核聚變,輻射就會更少,所以氦富集的區(qū)域會在自身重力作用下開始收縮。但是引力收縮會釋放出能量,這意味著有很多熱量/熱能會被轉移到外面。

因此,隨著氦的富集,太陽的內(nèi)部溫度將會上升,而核聚變可能發(fā)生的區(qū)域?qū)蛲鈹U張。總的來說,核聚變的速率和核聚變發(fā)生的體積會隨時間的流逝而增加。因此,隨著年齡的增長,這會導致太陽(以及所有類似太陽的恒星)的能量輸出會隨之增加。

與此同時,被傳送到太陽表面的能量不僅會導致光的發(fā)射,還會導致太陽光球?qū)由系囊恍┧缮⒘W用撾x太陽。電子、質(zhì)子、甚至更重的原子核都能獲得足夠的動能,從太陽噴射出來,形成一股被稱為太陽風的高能粒子流。這些帶電粒子會傳播到整個太陽系,絕大部分都將會完全脫離太陽系,其中少數(shù)最終會撞擊到行星的大氣層,從而導致我們在地球上看到的極光。

在過去的46億年里,太陽變得越來越熱,但質(zhì)量也越來越小。隨著時間的推移,太陽風大致是恒定的。偶爾會有耀斑和大規(guī)模的噴射,但它們幾乎不會影響到太陽質(zhì)量的整體下降速度。類似地,太陽的核聚變能量輸出在其歷史過程中增加了大約20%,但這也是一個小因素。

根據(jù)太陽風和核聚變,我們就能算出太陽每一秒所減少的質(zhì)量。由此,我們還可以推斷出太陽自誕生以來在整個歷史中失去了多少質(zhì)量。

太陽風每秒能帶走大約160萬噸的質(zhì)量,即16億千克/秒。每各1.5億年的時間,太陽由于太陽風將會失去一個地球質(zhì)量。因此,到目前為止,太陽風帶走了30個地球質(zhì)量。

然而,太陽從核聚變中失去的質(zhì)量比這還要多。太陽的能量輸出是相對穩(wěn)定的4×10^26瓦,這意味著它每秒鐘會把大約400萬噸的質(zhì)量轉化為能量。從核聚變中,太陽每秒鐘損失的質(zhì)量比太陽風高了大約250%。在過去的46億年里,太陽由于核聚變已經(jīng)損失了大約95個地球質(zhì)量,或者相當于土星的質(zhì)量。

隨著時間的推移,太陽失去的質(zhì)量將會進一步增加,特別是當它在50億年后進入紅巨星階段時。但即使在這個相對穩(wěn)定的速率下,氦元素在太陽核心的積聚意味著地球會被加熱到更高的溫度。在大約10到20億年之后,太陽將會變得足夠熱,地球的海洋將完全蒸發(fā)掉,地球表面將無法存在液態(tài)水。

當太陽變得越來越輕時,它反而會變得越來越熱。照這么計算,現(xiàn)在的地球已經(jīng)已經(jīng)用了大約四分之三的宜居時間。當太陽繼續(xù)失去質(zhì)量時,人類和地球上的所有生命都接近它不可避免的命運。但相信,遙遠未來的人類擁有足夠強大的科技來面對這些問題。

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