太阳因为聚变在亏损质量，多久地球会远离到离开宜居带？

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太阳因为聚变在亏损质量，多久地球会远离到离开宜居带？
作者：一点资讯

levin2008

本来觉得这个问题太简单，没什么好回答的，结果几天之后回来一看，有几个人在那乱答……
看来科普刻不容缓啊！
题主担心将来地球会太冷？
这个担心是多余的。恰恰相反，地球将来的命运是越来越热，最终从内侧脱离太阳系宜居带，生物也会因过热而灭绝（假如未来人类的科技发展不足以解决这个问题的话）。



的确，因为核聚变通过质量亏损释放的能量，被以辐射的方式（即阳光）带走，以及太阳风也会吹走一些粒子，所以太阳的质量自诞生以来一直在下降，地球也会因此逐渐远离太阳。这一点题主的判断是正确的。
但是这个因素的影响微不足道——太阳在主序星阶段质量降低的幅度是很小的。
现阶段太阳通过阳光辐射带走质量的速度是 kg/s，而通过太阳风损失质量的速度更低至 kg/s，即使太阳自诞生以来就以这个速度损失质量，那么在大约46亿年里一共才损失了 kg的质量，占太阳总质量 kg的 0.033%不到。然而实际上，早期的太阳辐射功率比现在要小，所以实际上太阳自诞生以来损失的质量比0.033%还要少一些。


至于有人说，不断有东西（比如彗星）掉进太阳，会让太阳质量增加……这种现象确实会偶尔发生，但对太阳质量的影响与辐射损失的质量比起来可以忽略不计。
恒星在当初形成的时候的确是靠吸积气体和尘埃才成为质量那么大一个星球的，许多人因此以为之后恒星会不断通过吸积来增加质量，这种理解是不正确的。一旦核聚变启动，强烈的辐射和恒星风就会让恒星表现除“排斥”性，它不但会阻止进一步的吸积，还会将恒星附近的气体和尘埃吹散。只有那些大块的物体（彗星、行星）才有可能抵抗住辐射压撞进恒星，但一方面，在宇宙中这类物质实在太少；另一方面，基于角动量守恒原理，绝大多数这类天体更大概率是环绕恒星运行而极少有能撞上恒星的。


不过，虽然目前太阳质量流失的速度很低，但在太阳成为红巨星之后，其损失质量的速度就会大幅度增加，这点在后面会详细讨论。



既然太阳在损失质量，地球在远离太阳，地球又怎么会越来越热呢？
因为太阳自诞生以来，功率一直在增加——太阳一天比一天更亮了。更亮的太阳，将使太阳系宜居带外推，其幅度远远大于地球轨道半径变大的幅度。
太阳的亮度，大约每11亿年增加10%。46亿年前太阳刚诞生的时候，亮度不到现在的70%。
如果太阳的亮度比现在增加10%，也就是11亿年之后，地球上的气温将会高到无法维持液态水的存在，江河湖海将会全部蒸发殆尽，地球生命会全部灭绝——留给人类发展科技解决这一问题的时间，其实已经不到10亿年了。


那么，太阳的功率为什么会增加呢？
有一些天体物理学基础的朋友可以先看看我以前的一个回答：
为什么太阳会逐渐变亮？对于缺乏基础的朋友，对这个问题可以这样简单地理解：
太阳在其核心把4个氢核聚变为1个氦核，这样会使太阳核心粒子数减少，从而导致核心收缩、温度上升，而更高的温度将引起更快的核聚变。
这种现象不是太阳特有，而是几乎所有恒星演化史中必然的现象。



看到这里，一定有朋友会动脑筋了：
既然太阳在诞生初期比现在暗淡许多，那么当时的地球是不是也比现在冷很多呢？
嗯，看起来好有道理！
……
但是，这个想法被地质证据无情地打脸了。


如果单纯按照恒星演化理论来分析，在几十亿年前，十亿年前，几亿年前，地球得到的太阳能都会太少，应该完全冻住，不会有液态水存在，当然也就没有机会演化出欣欣向荣的生物圈了。
然而我们知道，地球诞生后不到10亿年就诞生了最初的生命，而在5亿多年前，还发生了寒武纪生命大爆发。
所有地质证据都表明在几十亿年的时间尺度上，地球的温度大体不会比现在更冷——虽然曾经有过全球封冻的时期（参考：雪球地球），但也有不少时期地球温度比现在还要高。
图片来源：百度
从上图可以看出，在地质历史上，大部分时期气温是比最近一百万年平均气温更高的。


这就是天文学和地球科学领域著名的“年轻太阳暗淡佯谬”：太阳的演化历史无法解释地球的气温演化历史。
关于这个问题， @天苑四 有一个回答解释得很详细：
40亿年前太阳比现在黯淡许多，是不是地球的温度也比现在低很多？有兴趣的朋友可以去看看（对专业知识要求较高）。对于不求甚解的朋友，我就简单介绍几句科学界对这个问题的主流解释：
①、早期地球大气层含有更多的温室气体。
原始地球大气没有氧气，主要成分是二氧化碳、氮气和甲烷，其中温室气体二氧化碳比现在含量高得多（在某些时期可能比氮气还要多，参考金星与火星大气），而含量第三的甲烷则是一种温室效应比二氧化碳还要强几十倍的气体。作为对比，现代地球大气层二氧化碳含量不到0.04%，甲烷则只有痕量，现代大气中主要的三种成分——氮气、氧气和氩气都不是温室气体。
②、原始地球含有更多的放射性元素，其衰变产生的热量（放射性元素衰变热占目前地球内热来源的80%）比现在更多。
不过根据目前地热功率反推，放射性衰变热对原始地球温度的影响应该比温室效应小得多，是次要的因素。参见我以前的回答：
地球内部的发热总功率大概有多大（或问：如果没有太阳，地球会有多冷）？③、几十亿年前，月球离地球更近，对地球的潮汐加热作用更强。
鉴于目前潮汐加热只能将地球温度提升千分之一度，因此这个因素的作用应该是微不足道的，即使早期潮汐作用比现在强得多。参见本人的回答：
月球潮汐力和月光是否能加热地球？总之，早期地球并没有因为太阳比较“小”而更冷，最主要的原因可能就是大气的温室效应。


历史上，地球是十分幸运的：
a、早期太阳暗淡时，地球有很多温室气体加热，使得温度适合生命的萌芽。
b、之后太阳逐渐变亮的时候，地球表面大量的液态水逐渐吸收了大部分的二氧化碳（CO2溶于水形成碳酸根离子，碳酸根离子与水中的钙、镁离子结合成难溶性沉淀，这个过程把地球大气的大部分二氧化碳固定到了岩石中），减少了温室气体，使得地球温度并没有过热。
c、当太阳进一步变亮的时候，地球生物又及时地进化出了光合作用——吸收二氧化碳，放出氧气，这一方面使得大气中二氧化碳含量进一步降低；另一方面也使地球成为了宇宙中罕见（目前尚未发现第二个）的含有高浓度氧气的星球，氧气是氧化性气体，它的存在使甲烷这类还原性气体无法在大气中稳定存在，甲烷的温室效应也因此基本上被根除。最终的结果就是，光合作用进一步延迟了地球因为太阳变亮而过热的进程。


但地球不一定永远幸运，因为目前地球上温室气体含量已经很低了，如果太阳继续变亮，依靠减少温室气体来降温的作用十分有限，目前尚未发现任何其它的自然机制能继续阻挡地球升温。


最后，地球仍然有可能是幸运的：地球及时进化出了智慧生物，而智慧生物有可能在未来用科技手段解决过热的问题。



前面讲的太阳变亮，还只是太阳在主序星阶段的故事。我们可以继续考察一下在主序星阶段结束，太阳变成红巨星后将要发生的事。
太阳大约形成于45.7亿年前，目前正值壮年，预计它会在54亿年后成为红巨星。
届时太阳核心附近的氢已经耗尽，核心里堆积着大量的氦，而此时的太阳核心的温度，还不足以引发氦的聚变，于是核心成为一个没有聚变反应的惰性核——因为没有聚变反应释放能量，核心将会继续收缩，直到它变成类似白矮星那样的简并态——在惰性核的外围壳层中，核聚变仍在进行，这被称为“壳层燃烧”。
从基本的几何原理我们可以知道，内外半径差为ΔR的圆环，其面积比半径为R的圆要大，而同样半径差的壳层则会比相同半径的核心（球）的体积更要大上许多——这意味着此时恒星上有更多的物质在同时聚变，发出更大的功率，辐射更强的光，导致恒星外壳膨胀，表面温度降低、颜色变红，此时太阳就成为了红巨星。


成为红巨星后，太阳的亮度会比现在高2700倍（峰值），外壳会膨胀到大约1.2天文单位处，也就是地球现在的轨道以外——所以网上流传的一个说法是，太阳将会吞噬水星、金星和地球。
这个说法是否正确呢？答案是不确定。
这就要回答题主的问题本身了，前面说到，成为红巨星的太阳，物质的流失速度会比现在高得多：一方面太阳的功率更大，光度更高，辐射损失的能量更多，另一方面，膨胀到地球轨道附近的太阳外壳受太阳引力束缚比较弱，气体通过太阳风流失的速度也要大大加快。据估算，当太阳膨胀到地球目前轨道附近时（大约76亿年后），其质量可能会比现在降低30%以上——这会导致地球轨道也向外移动（最远有可能移动到1.5天文单位处）。这样看上去地球似乎不会被太阳吞噬。
但最新的研究表明，太阳膨胀后对地球的潮汐作用会大大增强，而这会消耗地球的公转角动量，使得地球轨道降低——地球仍有可能落入太阳大气层。
所以我们目前只能确定水星和金星将被成为红巨星的太阳吞噬，对地球的命运并不能准确预测。
如果地球最终没有被太阳吞没，其表面温度也将高达1600K以上——地表所有的岩石都会融化。
总之无论地球最终是否会被太阳吞噬，那时的地球都会热得无法让任何生命存活了。



面对地球逐渐变热，我们有什么办法来应付呢？
目前全世界都关注的全球气候变暖的问题，其实和太阳变亮是没有关系的——我们燃烧了太多的化石燃料，排放了太多的温室气体从而导致升温。
解决现阶段问题的主要手段就是减少温室气体排放，这应该在短期内有一定效果。


但太阳变亮问题是个终极问题，前面我们已经提到，地球大气中温室气体总量其实是很少的，当太阳变亮后，即使我们把温室气体全部消灭，也无法阻止地球变热。
那么，我们还有别的办法来应对这一难题吗？
有！


一、按现有技术水平就可以做到或即将能做到的（当然，成本可能很高，目前阶段尚无实施的必要）：
a、在地面放置大量的镜子，将大部分阳光反射回去。
b、想办法增加大气中的云量，原理与a相同，云是很好的反射材料。
c、制造类似核冬天的效果：通过在空气中释放大量的尘埃遮挡阳光。
以上方案技术上虽然不难，但成本高，效果有限，不是长久之计。


二、目前做不到，但将来一定能做到的：
a、给地球建造一个“反戴森球”。
戴森球的概念想必大家都了解，它环绕太阳，用于接收并利用太阳能。
反戴森球则是环绕地球的，它的作用是遮挡阳光，相当于给地球打一把遮阳伞。
这个技术一旦成熟，将会是一个非常有效的手段，可以在几十亿年内保障地球的稳定和安全，当然，当太阳变成红巨星时，它也会顶不住。


三、科幻层面——我们不知道是否能够实现的：
a、建造大量飞船，全人类逃离地球，成为宇宙流浪民族。
——参考许多科幻作品。
b、给地球装上行星发动机，将地球推到离太阳更远的位置；当太阳即将寿终正寝时，带着地球去流浪。
——参考《流浪地球》，要实现这一点，地球文明需要进化到Ⅰ级文明（参考：卡尔达肖夫文明等级）。
c、更漂亮的解决方案：维修太阳。
太阳越来越亮越来越热，以及将来会变成红巨星，究其根本原因，就是因为核聚变过程中产生了太多的氦。
对于一个Ⅱ级文明来说，维修一颗恒星是其常规技术，他们可以将太阳核心多余的氦取出来——就像现在的外科医生从病人体内取出肿瘤一样。经过修理的恒星将会焕然一新，和年轻恒星一样充满活力——直到其所有的氢都消耗完。


关于应对太阳变亮，在我的另一个回答中有更详细的介绍：
人类是被氦闪结束还是星系相撞结束？

shichg123

太阳成为红巨星以后地球应该差不多就没了

sosoyoyo

泻药。
事实上，担心地球离开宜居带之前，应该先担心温室效应的问题。
太阳的寿命还有50亿年，有人计算过，人类根本等不到太阳寿终正寝，就会因为太阳亮度的改变而被温室效应灭绝了。
这个计算大概是这样的：首先设定太阳比现在亮10%，然后地球上的海水会蒸发，地球大气会比现在多4%水蒸气（还是空气会有4%水蒸气，记不清了），水蒸气造成的温室效应是二氧化碳的几十倍，于是温室效应继续导致海水蒸发，于是蒸发的海水继续导致温室效应，然后用不了多久，地球就和金星一样热了（金星表面温度400摄氏度）。
那么，太阳比现在亮10%的时候是多少年以后呢：2亿年。这个数字对人类来说挺漫长的，对太阳寿命50亿年来说，只是1/25而已。我想，那个时候，地球的轨道应该和现在比几乎没有变化把。你说，到底是该担心地球离开宜居带呢，还是应该担心温室效应呢。

yujuan

泻药
太阳聚变亏损的质量相对于太阳总体来说过于渺小，每秒钟5*10^6吨，太阳质量是2*10
^27吨，太阳的预计寿命还有50亿年，5000000000*365.2422*24*3600*5*1000000=7.9*10^23吨，相当于目前太阳质量的0.04%，这么小的质量消失，不会对目前地球的轨道产生较大影响。太阳慢慢变大变成红巨星，然后太阳会进行超新星爆发变成白矮星，地球会如何结局目前还没有确切的推论，地球可能最终会进入太阳的大气边缘，但是红巨星阶段比较短暂，不确定会不会掉进去，不过可以肯定的是水星和金星都掉进太阳了。