我們能用巨大的推進器改變地球的軌道嗎?

2021年10月15日11:01

  10月15日消息,據國外媒體報導,將我們的地球遷移到一個更安全的軌道上,或許是在所有冰川融化之後保護地球生命的唯一方法。

  在已知的宇宙歷史中,地球最穩定的屬性之一就是其圍繞太陽運行的軌道。在過去的45億年,即使發生了一系列奇妙的事件——大規模撞擊、月球形成、地球自轉持續放緩以及生命的出現等——地球圍繞太陽的軌道也幾乎沒有變化。甚至如果我們考慮太陽系和銀河系中所有其他物體的引力影響,地球也仍有超過99%的可能性繼續保持原有軌道,不會發生任何可察覺的變化。

美國國家航空航天局噴氣推進實驗室的NEXIS離子推進器是一個長期推進器的原型,可以在很長的時間尺度上移動大質量物體
美國國家航空航天局噴氣推進實驗室的NEXIS離子推進器是一個長期推進器的原型,可以在很長的時間尺度上移動大質量物體

  從長遠來看,這將給整個地球帶來一場無法避免的災難。即使是全球變暖所造成的最壞情況,包括溫室氣體濃度不受控制地上升,導致嚴重的氣溫上升和地球上所有極地冰川的融化等,與太陽輻射最終造成的後果相比也顯得蒼白無力。如果地球軌道沒有顯著的變化,不斷增加的太陽能量輸出將在未來10到20億年內蒸發掉地球上所有的海洋,可能會殺死地球上所有的生命。

當太陽變成一顆真正的紅巨星時,地球本身可能都會被吞沒,並且肯定會經歷前所未有的炙烤。然而,如果我們能在此之前讓地球遠離太陽,不僅能避免地球被吞沒,地球上的生命也能再延續數十億年
當太陽變成一顆真正的紅巨星時,地球本身可能都會被吞沒,並且肯定會經歷前所未有的炙烤。然而,如果我們能在此之前讓地球遠離太陽,不僅能避免地球被吞沒,地球上的生命也能再延續數十億年

  有沒有辦法讓地球擺脫這種命運?答案是肯定的,那就是改變地球的軌道,將我們的星球家園遷移到太陽系的另一個位置。這可能是我們最後,也是最理想的希望。也許我們需要在南極建造一台巨大的推進器,才能最終拯救整個地球。

  環境問題

這是我們現在所見到的太陽,它的溫度、能量輸出和與地球的距離決定了地球仍處於宜居狀態。隨著太陽能量輸出的增加,我們必須把地球移到距離太陽更遠的軌道上,否則太陽輻射的增加將會使所有海洋蒸發
這是我們現在所見到的太陽,它的溫度、能量輸出和與地球的距離決定了地球仍處於宜居狀態。隨著太陽能量輸出的增加,我們必須把地球移到距離太陽更遠的軌道上,否則太陽輻射的增加將會使所有海洋蒸發

  如果你認為我們當前正在經曆的全球變暖已經非常糟糕,那你或許可以瞭解一下太陽可能給未來的地球帶來什麼影響。今天,地球氣候變化和氣溫上升的主要原因與太陽無關,而是由工業革命以來人類活動造成的大氣變化所驅動的。人類向大氣中排放了大量溫室氣體(主要是二氧化碳和甲烷),加上水汽濃度長期的反饋驅動,使地球的能量收支在過去近200年間發生了巨大變化。

  在寒冷的天氣里蓋上毯子,可以幫助人體更好地保存體內的熱量,防止熱量被輻射出去;與此類似,大氣中溫室氣體的增加也有助於地球保持熱量。正如2021年諾貝爾物理學獎得主真鍋淑郎在50年前提出的那樣,二氧化碳濃度增加一倍會導致地球溫度上升2攝氏度甚至更高;在最壞的情況下,溫室氣體增加會導致地球上所有極地冰川在幾千年內融化。當然,地球歷史上並不是沒有出現過完全無冰的情況,但這對如今地球上的人類和其他生命而言卻是非常糟糕的。

  不過,隨著時間的推移,太陽可能會給地球帶來更嚴重的影響。在太陽內部,核聚變只發生在核心,那裡的溫度超過400萬K;在核的最中心,溫度可高達1500萬K(相比之下,太陽表面的溫度約為5800K),那裡的核聚變反應速率會隨溫度升高而迅速增大。但隨著時間的推移,問題來了:

不同溫室氣體排放場景的預測,以及它們到2100年將導致的變暖程度。請注意,任何更樂觀的場景都需要二氧化碳排放量顯著而迅速地下降,但這一點目前還無法實現
不同溫室氣體排放場景的預測,以及它們到2100年將導致的變暖程度。請注意,任何更樂觀的場景都需要二氧化碳排放量顯著而迅速地下降,但這一點目前還無法實現

 

距離光源越遠,輻射通量就越小。圖中顯示了亮度與距離呈平方反比關係
距離光源越遠,輻射通量就越小。圖中顯示了亮度與距離呈平方反比關係

  1)太陽核心將相當數量的氫轉化為氦;

  2)氦在內核中聚集,但此時還不能進一步聚變;

  3)濃縮的氦導致引力收縮,進而導致太陽內部升溫;

  4)內核的溫度升高,導致“400萬K及以上”區域擴大,佔據更大的內部空間;

  5)這導致太陽的核聚變速率逐漸增大,從而增加了太陽的總能量輸出。

  隨著越來越多的太陽能量到達地球,地球上的防禦和反饋機制便逐漸“力不從心”。一旦全球平均氣溫上升到100攝氏度以上,所有海洋都將會蒸發。這一情景可能發生在10到20億年後。無論從何種角度,這都將標誌著地球上複雜生命不可避免的終結。

  能量問題

儘管地球軌道在不同的時間尺度上經曆著週期性的振盪變化,但也有一些非常小的長期變化會隨著時間累積起來。地球軌道形狀的變化與這些長期變化相比是很顯著的,但後者是累積性的,因此也會對地球產生重要的影響
儘管地球軌道在不同的時間尺度上經曆著週期性的振盪變化,但也有一些非常小的長期變化會隨著時間累積起來。地球軌道形狀的變化與這些長期變化相比是很顯著的,但後者是累積性的,因此也會對地球產生重要的影響

  如果不能阻止太陽升溫,那麼讓地球遠離太陽也許可以作為最終的解決方案。亮度和距離之間有一個簡單而直接的關係:每當你與光源的距離增加一倍,你感受到的亮度就減少四分之一。以此推算,如果太陽的能量輸出增加10%,我們只需要將地球與太陽的距離增加4.9%,就能保持接收到的能量不變。

  由於目前太陽的能量輸出每過10億年就會增加10%,因此這是一個長期的問題,但如果我們想讓地球繼續保持宜居,總有一天就必須解決這個問題。乍看之下,使地球軌道改變幾個百分點似乎並不是一個特別艱難的任務。畢竟,地球繞太陽運行的軌道是橢圓的,離太陽最近的距離為1.471億公里,最遠的距離為1.521億公里。這兩個點接收到的輻射差約為6.5%,意味著如果我們能夠將地球當前的軌道替換為一個保持在遠日點距離的軌道,就可以使地球在3億多年的時間里不增加能量輸入。

  然而,這不僅是一項艱難的任務,甚至可以說是一項天文難度的任務。地球之所以在今天這樣的軌道上繞太陽運行,就是因為在這些位置上,地球的動能(或者說繞太陽運行的能量)與當前距離上太陽的重力勢能相平衡。如果我們設法使地球的動能減少,就會導致地球以更快的速度沉入更接近金星的軌道。同樣地,如果我們想要上升到更接近火星的軌道,就需要給地球注入能量,使其淨速度小於目前繞太陽運行的速度。

  這個概念並不難,但所涉及的能量總額卻異常驚人。例如,在未來20億年里,我們必須將地球到太陽的平均距離從目前的1.496億公里推到1.64億公里,以保持從太陽輸入到地球的能量不變。但請記住,地球有著令人難以置信的質量:約為6×10^24千克。要讓地球進入一個更遠離太陽的穩定軌道,我們必須向地球額外輸入4.7×10^35焦耳的能量:這相當於人類連續20億年為各種目的產生的累計能量的50萬倍。

  推進器的作用是什麼?

由於角動量守恒,行星會在軌道上穩定地運行。然而,某種衝擊或推動力可能會給地球帶來我們所渴望的改變,使其最終遷移到更遠離太陽的軌道上
由於角動量守恒,行星會在軌道上穩定地運行。然而,某種衝擊或推動力可能會給地球帶來我們所渴望的改變,使其最終遷移到更遠離太陽的軌道上

  要向地球輸入如此巨大的能量看起來似乎是很高的要求,但也是可能的。事實上,太陽本身就有足夠的能量供我們收集。要知道,太陽是向四面八方發射輻射的,在目前的地日距離下,只要沒有東西擋住太陽光,則每平方米區域都能接收到1500w的連續光能,即每秒1500焦耳的能量,而我們有20億年的時間(約6×10^16秒)來完成以下工作:

  1)收集太陽能;

  2)將太陽能轉換成推力;

  3)利用這種推力來改變地球的動量和動能。

  收集能量是這個問題中最困難的部分之一。有研究者提出了一個可能具有巨大前景的設想,那就是在太空中建立太陽能收集陣列。這可能需要一個規模驚人的陣列,總面積達到5×10^15平方米,大約相當於10個地球的表面積,才能收集到必要的太陽能。這種能量必須是可用的。更重要的是,從另一個角度來看,我們需要的太陽能“只占”太陽總能量的0.000002%:這樣的能量規模仍然相當巨大,但並非不可能。

  另一個關鍵是如何有效地利用這些能量提升地球的軌道。從物理學的角度,這個任務對引力場中的任何物體都是一樣的:我們必須在一定時間內施加一個外力,產生一個能產生加速度的脈衝,從而改變物體的動量。將火箭發射到太空的物理原理同樣適用於將地球發射到更高的軌道。我們所要做的就是施加一個推力,使地球的動量向正確的方向改變,最終推動地球離太陽更遠。

  於是,我們就需要一台推進器:這種裝置(加速地球)的作用力與一個大小相等、方向相反的反作用力(排出乏燃料)相平衡。理想情況下,我們要一直確保推進器的作用方向是準確的,使其推動地球朝著既定的移動方向前進。然而,在一個快速且持續旋轉的星球上,做到這一點非常困難。因此,假設我們能夠收集、控制、運輸並將能量轉化為有用功,那麼更好的策略便是連續多次啟動行星加速推進器。

  為什麼是南極?

在太空中收集太陽能的概念已經存在很長一段時間,但從來沒有人設想過一個面積達到50億平方公里的陣列。如此規模的陣列可以收集足夠的能量,將地球遷移到一個足夠高的軌道上
在太空中收集太陽能的概念已經存在很長一段時間,但從來沒有人設想過一個面積達到50億平方公里的陣列。如此規模的陣列可以收集足夠的能量,將地球遷移到一個足夠高的軌道上

  這也正是我們為什麼選擇南極作為推進器安裝地點的原因。一旦地球表面的冰全部融化,南極洲就會暴露出來。今天的南極大陸還覆蓋著巨大的冰層,但仍有一大片陸地遠遠高出海平面;如果我們把南極洲的冰全部移走,就會發現南極點的海拔約為3000米。當我們把巨大的推進器安裝在那裡,並持續啟動,就會發生一系列積極的變化:

  1)地球開始加速,並將被推到更高的軌道上;

  2)所有的推力將被利用起來,不會有一絲一毫浪費在地球當前的運動方向上;

  3)地球將被“抬升”出目前的地-日平面,但幅度較小,經過20億年的推進,地球的軌道將比現在的平面高出幾度。

  不過,最重要的一點是,當我們通過持續推進增加地球動能時,我們也能更順利地跳出太陽的引力勢阱。這將使地球的軌道與太陽距離更遠,使輸入地球的太陽輻射逐漸減少,我們的行星家園也就能延續更長的時間。

  隨著上億年的時間過去,我們將不得不開始面臨大陸漂移的問題。但只要推進器定期調整位置,保持在南極點,並直接指向地球的旋轉軸,我們就不必擔心地球軸傾角的災難性改變。這是一個巨大的隱憂,因為地球擁有的總旋轉動能“只有”2×10^29焦耳,還不到推動地球以進入更高軌道的能量的百萬分之一。只有在推進時不斷與地球的軸向旋轉保持一致,我們才能消除地球自轉被擾亂的風險。

由於地球繞軸旋轉,我們施加在地球表面的任何力都會顯著改變地球的自轉,只有兩個地方不會有這種問題,那就是北極和南極。考慮到北極在海洋之上,而南極洲是一片陸地,選擇南極安裝推進器是一個顯而易見的決定
由於地球繞軸旋轉,我們施加在地球表面的任何力都會顯著改變地球的自轉,只有兩個地方不會有這種問題,那就是北極和南極。考慮到北極在海洋之上,而南極洲是一片陸地,選擇南極安裝推進器是一個顯而易見的決定

  仔細想想,這真的是地球工程的終極壯舉。我們說的不是通過化學或反饋過程來改變地球,而是通過純粹的“蠻力”。在長遠的時間尺度上,我們所見到的流星雨將會與現在很不一樣,因為不斷變化的軌道會使地球移出某些長週期天體的路徑,並進入其他天體的路徑。不過,通過正確的技術發展和資源投資,我們的最終目標是有可能實現的,那就是減少太陽輻射對地球生命造成的傷害,並防止由於不斷增加的太陽能量輸入而導致的海洋蒸發。

  我們要記住的重要一點是,無論人類活動如何,地球和太陽都會發生一些長期的變化。太陽會燃燒掉它的燃料,太陽核心會擴張並升溫,其總能量輸出會增加。這反過來又會增加到達地球的輻射量。這些變化將極其緩慢,但像太陽這樣的恒星本身生命週期就很長:我們今天所接收到的能量大約比40億年前多30%,而且這種趨勢會一直繼續下去,大約每10億年增加10%。

  我們無法阻止太陽耗盡氫燃料,最終進入紅巨星階段,但我們可以通過將地球軌道遠離太陽,為地球上的生命多爭取幾十億年的生存時間。在我們已知的整個世界歷史上——也許是整個宇宙歷史上——這將是人類進行的最宏偉的工程。如果我們選擇這麼做的話,這就將展示我們人類真正的力量;如果我們什麼都不做,那麼在10到20億年後,太陽將煮沸地球上的海洋,終結地球生命的歷史。如果人類能夠開發並實施南極推進器所需的技術,那這項宏偉的工程可能就是在所有冰川融化之後,真正拯救地球的唯一手段。(任天)

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