我们能用巨大的推进器改变地球的轨道吗?

据国外媒体报道,将我们的地球迁移到一个更安全的轨道上,或许是在所有冰川融化之后保护地球生命的唯一方法。在已知的宇宙历史中,地球最稳定的属性之一就是其围绕太阳运行的轨道。在过去的45亿年,即使发生了一系列奇妙的事件——大规模撞击、月球形成、地球自转持续放缓以及生命的出现等——地球围绕太阳的轨道也几乎没有变化。

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甚至如果我们考虑太阳系和银河系中所有其他物体的引力影响,地球也仍有超过99%的可能性继续保持原有轨道,不会发生任何可察觉的变化。

从长远来看,这将给整个地球带来一场无法避免的灾难。即使是全球变暖所造成的最坏情况,包括温室气体浓度不受控制地上升,导致严重的气温上升和地球上所有极地冰川的融化等,与太阳辐射最终造成的后果相比也显得苍白无力。如果地球轨道没有显著的变化,不断增加的太阳能量输出将在未来10到20亿年内蒸发掉地球上所有的海洋,可能会杀死地球上所有的生命。

有没有办法让地球摆脱这种命运?答案是肯定的,那就是改变地球的轨道,将我们的星球家园迁移到太阳系的另一个位置。这可能是我们最后,也是最理想的希望。也许我们需要在南极建造一台巨大的推进器,才能最终拯救整个地球。

美国国家航空航天局喷气推进实验室的NEXIS离子推进器是一个长期推进器的原型,可以在很长的时间尺度上移动大质量物体。

当太阳变成一颗真正的红巨星时,地球本身可能都会被吞没,并且肯定会经历前所未有的炙烤。然而,如果我们能在此之前让地球远离太阳,不仅能避免地球被吞没,地球上的生命也能再延续数十亿年。

环境问题

这是我们现在所见到的太阳,它的温度、能量输出和与地球的距离决定了地球仍处于宜居状态。随着太阳能量输出的增加,我们必须把地球移到距离太阳更远的轨道上,否则太阳辐射的增加将会使所有海洋蒸发。

如果你认为我们当前正在经历的全球变暖已经非常糟糕,那你或许可以了解一下太阳可能给未来的地球带来什么影响。今天,地球气候变化和气温上升的主要原因与太阳无关,而是由工业革命以来人类活动造成的大气变化所驱动的。人类向大气中排放了大量温室气体(主要是二氧化碳和甲烷),加上水汽浓度长期的反馈驱动,使地球的能量收支在过去近200年间发生了巨大变化。

在寒冷的天气里盖上毯子,可以帮助人体更好地保存体内的热量,防止热量被辐射出去;与此类似,大气中温室气体的增加也有助于地球保持热量。正如2021年诺贝尔物理学奖得主真锅淑郎在50年前提出的那样,二氧化碳浓度增加一倍会导致地球温度上升2摄氏度甚至更高;在最坏的情况下,温室气体增加会导致地球上所有极地冰川在几千年内融化。当然,地球历史上并不是没有出现过完全无冰的情况,但这对如今地球上的人类和其他生命而言却是非常糟糕的。

不过,随着时间的推移,太阳可能会给地球带来更严重的影响。在太阳内部,核聚变只发生在核心,那里的温度超过400万K;在核的最中心,温度可高达1500万K(相比之下,太阳表面的温度约为5800K),那里的核聚变反应速率会随温度升高而迅速增大。但随着时间的推移,问题来了:

不同温室气体排放场景的预测,以及它们到2100年将导致的变暖程度。请注意,任何更乐观的场景都需要二氧化碳排放量显著而迅速地下降,但这一点目前还无法实现。

距离光源越远,辐射通量就越小。图中显示了亮度与距离呈平方反比关系。

1)太阳核心将相当数量的氢转化为氦;

2)氦在内核中聚集,但此时还不能进一步聚变;

3)浓缩的氦导致引力收缩,进而导致太阳内部升温;

4)内核的温度升高,导致“400万K及以上”区域扩大,占据更大的内部空间;

5)这导致太阳的核聚变速率逐渐增大,从而增加了太阳的总能量输出。

随着越来越多的太阳能量到达地球,地球上的防御和反馈机制便逐渐“力不从心”。一旦全球平均气温上升到100摄氏度以上,所有海洋都将会蒸发。这一情景可能发生在10到20亿年后。无论从何种角度,这都将标志着地球上复杂生命不可避免的终结。

能量问题

尽管地球轨道在不同的时间尺度上经历着周期性的振荡变化,但也有一些非常小的长期变化会随着时间累积起来。地球轨道形状的变化与这些长期变化相比是很显著的,但后者是累积性的,因此也会对地球产生重要的影响。

如果不能阻止太阳升温,那么让地球远离太阳也许可以作为最终的解决方案。亮度和距离之间有一个简单而直接的关系:每当你与光源的距离增加一倍,你感受到的亮度就减少四分之一。以此推算,如果太阳的能量输出增加10%,我们只需要将地球与太阳的距离增加4.9%,就能保持接收到的能量不变。

由于目前太阳的能量输出每过10亿年就会增加10%,因此这是一个长期的问题,但如果我们想让地球继续保持宜居,总有一天就必须解决这个问题。乍看之下,使地球轨道改变几个百分点似乎并不是一个特别艰难的任务。毕竟,地球绕太阳运行的轨道是椭圆的,离太阳最近的距离为1.471亿公里,最远的距离为1.521亿公里。这两个点接收到的辐射差约为6.5%,意味着如果我们能够将地球当前的轨道替换为一个保持在远日点距离的轨道,就可以使地球在3亿多年的时间里不增加能量输入。

然而,这不仅是一项艰难的任务,甚至可以说是一项天文难度的任务。地球之所以在今天这样的轨道上绕太阳运行,就是因为在这些位置上,地球的动能(或者说绕太阳运行的能量)与当前距离上太阳的重力势能相平衡。如果我们设法使地球的动能减少,就会导致地球以更快的速度沉入更接近金星的轨道。同样地,如果我们想要上升到更接近火星的轨道,就需要给地球注入能量,使其净速度小于目前绕太阳运行的速度。

这个概念并不难,但所涉及的能量总额却异常惊人。例如,在未来20亿年里,我们必须将地球到太阳的平均距离从目前的1.496亿公里推到1.64亿公里,以保持从太阳输入到地球的能量不变。但请记住,地球有着令人难以置信的质量:约为6×10^24千克。要让地球进入一个更远离太阳的稳定轨道,我们必须向地球额外输入4.7×10^35焦耳的能量:这相当于人类连续20亿年为各种目的产生的累计能量的50万倍。

推进器的作用是什么?

由于角动量守恒,行星会在轨道上稳定地运行。然而,某种冲击或推动力可能会给地球带来我们所渴望的改变,使其最终迁移到更远离太阳的轨道上。

要向地球输入如此巨大的能量看起来似乎是很高的要求,但也是可能的。事实上,太阳本身就有足够的能量供我们收集。要知道,太阳是向四面八方发射辐射的,在目前的地日距离下,只要没有东西挡住太阳光,则每平方米区域都能接收到1500w的连续光能,即每秒1500焦耳的能量,而我们有20亿年的时间(约6×10^16秒)来完成以下工作:

1)收集太阳能;

2)将太阳能转换成推力;

3)利用这种推力来改变地球的动量和动能。

收集能量是这个问题中最困难的部分之一。有研究者提出了一个可能具有巨大前景的设想,那就是在太空中建立太阳能收集阵列。这可能需要一个规模惊人的阵列,总面积达到5×10^15平方米,大约相当于10个地球的表面积,才能收集到必要的太阳能。这种能量必须是可用的。更重要的是,从另一个角度来看,我们需要的太阳能“只占”太阳总能量的0.000002%:这样的能量规模仍然相当巨大,但并非不可能。

另一个关键是如何有效地利用这些能量提升地球的轨道。从物理学的角度,这个任务对引力场中的任何物体都是一样的:我们必须在一定时间内施加一个外力,产生一个能产生加速度的脉冲,从而改变物体的动量。将火箭发射到太空的物理原理同样适用于将地球发射到更高的轨道。我们所要做的就是施加一个推力,使地球的动量向正确的方向改变,最终推动地球离太阳更远。

于是,我们就需要一台推进器:这种装置(加速地球)的作用力与一个大小相等、方向相反的反作用力(排出乏燃料)相平衡。理想情况下,我们要一直确保推进器的作用方向是准确的,使其推动地球朝着既定的移动方向前进。然而,在一个快速且持续旋转的星球上,做到这一点非常困难。因此,假设我们能够收集、控制、运输并将能量转化为有用功,那么更好的策略便是连续多次启动行星加速推进器。

为什么是南极?

在太空中收集太阳能的概念已经存在很长一段时间,但从来没有人设想过一个面积达到50亿平方公里的阵列。如此规模的阵列可以收集足够的能量,将地球迁移到一个足够高的轨道上。

这也正是我们为什么选择南极作为推进器安装地点的原因。一旦地球表面的冰全部融化,南极洲就会暴露出来。今天的南极大陆还覆盖着巨大的冰层,但仍有一大片陆地远远高出海平面;如果我们把南极洲的冰全部移走,就会发现南极点的海拔约为3000米。当我们把巨大的推进器安装在那里,并持续启动,就会发生一系列积极的变化:

1)地球开始加速,并将被推到更高的轨道上;

2)所有的推力将被利用起来,不会有一丝一毫浪费在地球当前的运动方向上;

3)地球将被“抬升”出目前的地-日平面,但幅度较小,经过20亿年的推进,地球的轨道将比现在的平面高出几度。

不过,最重要的一点是,当我们通过持续推进增加地球动能时,我们也能更顺利地跳出太阳的引力势阱。这将使地球的轨道与太阳距离更远,使输入地球的太阳辐射逐渐减少,我们的行星家园也就能延续更长的时间。

随着上亿年的时间过去,我们将不得不开始面临大陆漂移的问题。但只要推进器定期调整位置,保持在南极点,并直接指向地球的旋转轴,我们就不必担心地球轴倾角的灾难性改变。这是一个巨大的隐忧,因为地球拥有的总旋转动能“只有”2×10^29焦耳,还不到推动地球以进入更高轨道的能量的百万分之一。只有在推进时不断与地球的轴向旋转保持一致,我们才能消除地球自转被扰乱的风险。

由于地球绕轴旋转,我们施加在地球表面的任何力都会显著改变地球的自转,只有两个地方不会有这种问题,那就是北极和南极。考虑到北极在海洋之上,而南极洲是一片陆地,选择南极安装推进器是一个显而易见的决定。

仔细想想,这真的是地球工程的终极壮举。我们说的不是通过化学或反馈过程来改变地球,而是通过纯粹的“蛮力”。在长远的时间尺度上,我们所见到的流星雨将会与现在很不一样,因为不断变化的轨道会使地球移出某些长周期天体的路径,并进入其他天体的路径。不过,通过正确的技术发展和资源投资,我们的最终目标是有可能实现的,那就是减少太阳辐射对地球生命造成的伤害,并防止由于不断增加的太阳能量输入而导致的海洋蒸发。

我们要记住的重要一点是,无论人类活动如何,地球和太阳都会发生一些长期的变化。太阳会燃烧掉它的燃料,太阳核心会扩张并升温,其总能量输出会增加。这反过来又会增加到达地球的辐射量。这些变化将极其缓慢,但像太阳这样的恒星本身生命周期就很长:我们今天所接收到的能量大约比40亿年前多30%,而且这种趋势会一直继续下去,大约每10亿年增加10%。

我们无法阻止太阳耗尽氢燃料,最终进入红巨星阶段,但我们可以通过将地球轨道远离太阳,为地球上的生命多争取几十亿年的生存时间。在我们已知的整个世界历史上——也许是整个宇宙历史上——这将是人类进行的最宏伟的工程。如果我们选择这么做的话,这就将展示我们人类真正的力量;如果我们什么都不做,那么在10到20亿年后,太阳将煮沸地球上的海洋,终结地球生命的历史。如果人类能够开发并实施南极推进器所需的技术,那这项宏伟的工程可能就是在所有冰川融化之后,真正拯救地球的唯一手段。

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