Судьба Солнца и Солнечной системы

Каждому интересно узнать, что же происходило и, главное, будет с нашей планетой Землей. Но ее судьба тесно связана с Солнцем.

Рассмотрим сначала, каково было наше прошлое.

В 1944-49 гг. – О.Ю. Шмидт предлагает следующий сценарий образования Солнечной системы: Солнце и планеты образовались из единого газо-пылевого комплекса массой примерно 10⁵ масс Солнца около 5 млрд. лет назад. Сначала образовалось Солнце, а затем около 4.6 млрд. лет назад - планеты.

Как считают сейчас учёные, Солнце и другие звёзды образуются из газо-пылевых облаков в результате небольшого гравитационного сжатия, при котором образуется небольшое уплотнение, к которому притягивается окружающий газ. Сжимаясь, эта протозвезда разогревается, пока в ней не начинаются термоядерные реакции. После этого звезда выдувает своим излучением вокруг себя газ, остатки которого вращаются в окружающем ёё газо-пылевом диске.

При вращении диска вокруг Солнца твердые породы слипались и образовывали планеты земной группы, а легкие элементы выносились солнечным излучением на периферию и из них сформировались планеты-гиганты.

После этого Солнце выходит на главную последовательность и находится в относительно стабильном состоянии, пока не выгорят запасы водорода в ядре.

Сейчас Солнце непрерывно перерабатывает водородное топливо в гелиевый «пепел», остающийся в ядре. Четыре ядра атома водорода превращаются в одно ядро атома гелия, поэтому средняя масса частиц в центре Солнца со временем возрастает. Вместе с тем ядра гелия создают меньшее давление по сравнению с ядрами водорода. За счет этого скорость превращения водорода в гелий снижается, что приводит к нарушению баланса между давлением и гравитацией. С течением времени размер ядра Солнца постепенно уменьшается. Но в более плотном и горячем ядре реакции синтеза элементов начинают протекать быстрее. Увеличивается количество вырабатываемой энергии, которая вырывается из центра: она понемногу расширяет внешние части звезды и увеличивает ее светимость.

Такие медленные изменения в ядре Солнца протекают с того момента, как наша звезда появилась «на свет». В настоящее время светимость Солнца примерно на 30% вышей той, которая была 4,6 миллиарда лет назад. Эта тенденция с постепенным ускорением сохранится и в будущем до тех пор, пока солнечный шар не расширится до гигантских размеров, и звезда не превратится в красный гигант. Это произойдет уже после истощения запасов водорода в ядре.

Таково наше прошлое и настоящее по мнению астрономов. А какое же будущее предрекает нам наука? Оказывается возрастание излучения Солнца приведет к гибели земной биосферы задолго до превращения Солнца в красный гигант.

Первыми учеными, которые обратили внимание на непосредственное влияние на Землю со стороны возрастающей светимости Солнца, были Джеймс Лавлок и Майкл Витфилд. В статье, опубликованной в 1982 году в журнале «Nature», они показали, что по мере нагревания Земли ее горные породы будут подвергаться нарастающему разрушительному воздействию со стороны атмосферы, в следствии чего усилится поглощение углекислого газа (С0₂): атмосферный углекислый газ в результате химических реакций будет связываться с осадочными горными породами. Лавлок и Витфилд подсчитали, что за 100 миллионов лет количество находящегося в атмосфере СО₂ снизится до уровня, который уже не сможет обеспечивать фотосинтез. Начнут исчезать растения. За ними последуют и животные, которые питаются растениями и дышат кислородом — продуктом процесса фотосинтеза, протекающего в растениях. И все это, по мнению ученых, случится через промежуток времени не больше того, который отделяет нас от эры динозавров.

Современные ученые в целом соглашаются с выводами Лавлока и Витфилда, хотя и находят их излишне пессимистичными. Новая модель, разработанная учеными из Университета штата Пенсильвания (США) Кеном Кальдера и Джеймсом Кастингом, включает в себя более корректное толкование парникового эффекта, чем это имело место в работе Лавлока и Витфилда. В новой модели биосфера будет существовать еще, по крайней мере, в 10 раз больший период времени, чем тот, который прошел с момента ее образования.

Примерно через 3,5 миллиарда лет светимость Солнца возрастет на 40% по сравнению с настоящим уровнем. Все запасы воды с поверхности нашей планеты испарятся, поверхность иссушится, растрескается и будет похожа на поверхность Венеры наших дней. В отсутствие воды углекислый газ, 25-40% современного количества которого растворено в водах океанов, будет иметь только один путь — в атмосферу. Большее количество СО₂ в атмосфере приведет к еще большему нагреванию поверхности планеты вследствие парникового эффекта. Земля покроется трещинами, и в результате увеличения вулканической активности в атмосферу попадет дополнительный объем углекислого газа. В итоге Земля не только лишится всех водных запасов, но и будет окутана тонкой оболочкой углекислого газа. Биосфера исчезнет.

Затем в течение нескольких миллиардов лет безжизненная Земля изменяться не будет, за исключением непрерывного повышения температуры ее поверхности. Но через 7 миллиардов лет излучение нашего светила начнет резко возрастать, что будет означать переход Солнца в следующую фазу эволюции. Когда возраст Солнца достигнет 12 миллиардов, лет запасы водорода в его ядре иссякнут.

После этого ядро звезды начнет стремительно сжиматься, поскольку гравитационному сжатию больше ничто не препятствует. В результате сжатия температура внутри ядра резко возрастет и поступающий из внешних слоев водород вновь начнет превращаться в гелий с еще большей скоростью. Выделяющаяся при этом энергия устремится к внешним слоям звезды, расширяя их сначала в 2, затем в 3 раза и более. Солнце закончит пребывание на главной последовательности эволюции звезд и примерно на 700 миллионов лет превратится в субгигант.

Когда весь водород в ядре Солнца израсходуется, ядерное горение переместится в расширяющуюся оболочку ядра. Это изменение приведет к событиям, которые резко увеличат потребление водорода и выделение энергии, что приведет к расширению поверхно­стных слоев нашего светила до ошеломляющих размеров. Оно превратится в раздувшуюся карикатуру своей первоначальной формы, его диаметр возрастет более чем в 160 раз. Солнце станет красным гигантом.

В ту эпоху для внутренних областей Солнечной системы наступят действительно тяжелые времена. По мере увеличения размера Солнца, превращающегося в красного гиганта, оно поглотит и испарит сначала Меркурий, затем Венеру. В Солнечной системе на две планеты станет меньше. Но что случится с Землей? Ответ неоднозначный. Дело в том, что на стадии красного гиганта эволюционирующая звезда теряет большую часть своей массы, которую уносит в открытый космос мощный звездный ветер. Солнце теряет свое вещество и сейчас. Его уносит в окружающее пространство вырывающийся из солнечной короны поток разреженной плазмы. В настоящее время Солнце теряет едва ли более одной сотой процента своей массы за один миллиард лет. Но звездный ветер красных гигантов, находящихся на поздних стадиях, например, переменных звезд типа Миры Кита, обладает гораздо более страшной силой. Он просто сдувает с красного гиганта в космическое пространство легкие фракции вещества. Так образуются планетарные туманности. Модели эволюции звезд показывают, что Солнце потеряет почти половину своей массы, прежде чем станет белым карликом.

По мере потери Солнцем своей массы планеты будут двигаться вокруг него по все более увеличивающимся орбитам из-за ослабления гравитационного притяжения Солнца. По этой причине конечная судьба Земли остается неопределенной. Возможно, наша планета избежит встречи с раздувшимся Солнцем, перейдя на орбиту, на которой в настоящее время находится Марс.

Произойдет это или нет, зависит от того, потеряет ли Солнце достаточную массу перед тем, как расширится. Некоторые модели предсказывают, что у Земли будет достаточно времени для того, чтобы избежать гибели. Но другие модели предсказывают совершенно иной результат. Согласно вычислениям, выполненным Джорджем Боуеном и Ли Энн Виллсон из Университета штата Айова (США), основная потеря массы Солнца произойдет лишь после того, как оно проглотит Землю.

Астрономы не знают точно, что произойдет с Солнцем в конце фазы красного гиганта, поскольку пока не удалось построить подходящую модель для событий, связанных с гелиевой вспышкой — началом горения гелия в ядре звезды. Исследования Виллсон привели ее к выводу о том, что Солнце, возможно, доживет до гелиевой вспышки, еще не потеряв своей основной массы. По ее мнению, Земля сгорит дотла, а ее пепел будет развеян солнечным ветром.

Каспер Рибики из Польской Академии наук и Карло Денис из Университета города Льеж (Бельгия) полагают, что Приливное взаимодействие приведет к уменьшению орбиты Земли. Внешняя оболочка Солнца, по всей видимости, «захватит» Землю, и будет «затягивать» ее к ядру, особенно на последних стадиях жизни красного гиганта, когда повторяющиеся кратковременные гелиевые вспышки раздуют звезду до максимальных размеров.

Даже если Земле удастся избежать этой опасности, она будет изрядно «поджарена». Когда светимость Солнца увеличится от 2000 до 3000 раз по сравнению с настоящим уровнем, температура поверхности Земли достигнет 1500°С.

Наша планета в итоге превратится в шар расплавленной лавы, а вся ее атмосфера и твердый поверхностный слой просто выкипят.

 

Однако в нашем распоряжении еще есть, как минимум, сотни миллионов лет. За это время можно найти выход.