حتى الآن ، تقوم أرضنا بعمل جيد. منذ أن تشكلت شمسنا منذ حوالي 4.5 مليار سنة ، تشكلت الأرض الأولية في النظام الشمسي الداخلي ، وأدى الاصطدام إلى إنشاء زوج الأرض / القمر الذي نعرفه اليوم ، وأدى مزيج من الظروف الأولية والقصف المتأخر إلى ظهور المحيطات والغلاف الجوي. لمدة أكثر من 4 مليارات سنة ، كانت الشمس مشرقة باستمرار ، ولدت الحياة وازدهرت. لكن هذا لا يمكن أن يستمر إلى الأبد! هل سيؤدي انقراض الوقود في الشمس إلى انقراضنا؟ هذا الأسبوع نناقش هذه المسألة بفضل قارئ يسأل:
هل تقل الطاقة النووية للشمس أم تظل مستقرة؟ كم من الوقت المتبقي لوجود الحياة على كوكبنا إذا خفضت الشمس وقودها النووي؟
إذا تجاهلنا الكوارث المحتملة التي بدأتها الأرض نفسها (مثل بركان خارق أو تسمم المحيط الحيوي) أو الكون ككل (اصطدام قوي ، أو انفجار أشعة غاما معقمة أو مستعر أعظم وميض قريب) ، ستدمر الشمس في نهاية المطاف كل الحياة على الأرض.
سلسلة البروتون والبروتون المسؤولة عن إنتاج معظم طاقة الشمستعمل النجوم مثل شمسنا على الاندماج النووي: توليفها من العنصر الأفتح والأكثر شيوعًا في الكون (الهيدروجين) العنصر الثاني في الخفة وانتشار (الهيليوم) أثناء تفاعل متسلسل. يتضمن رد الفعل المتسلسل ، الذي تولد الشمس من خلاله معظم الطاقة ، ما يلي:
• يتكون بروتونان من الديوتريوم والبوزيترون (الإبادة بإلكترون وبعث بروتونات عالية الطاقة) والنيوترينوات والطاقة الحرة.
• الديوتريون مع البروتون ينبعث من الهليوم 3 ، والفوتون عالي الطاقة والطاقة الحرة.
• يندمج اثنان من نوى الهيليوم -3 معًا ويعطيان الهيليوم 4 ، وبروتونين حرّين ، والمزيد من الطاقة الحرة.
هذا هو المصدر الأكثر شيوعًا للطاقة على الشمس ، وفي هذا التفاعل يتم تحويل 0.7 ٪ من الكتلة الأولية لأربعة بروتونات إلى طاقة وفقًا لـ Einstein's E = mc
2 . في كل ثانية ، يتحول عدد كبير من البروتونات ، 4 × 10
38 إلى هيليوم 4 ، ينبعث منها حوالي 4 × 10
26 واط من الطاقة.
كما أن الشمس ضخمة وضخمة وتتكون من حوالي 10
57 جسيمًا. ولكن ، على الرغم من هذه الكميات الضخمة ، فإن إجمالي إمدادات الوقود من الشمس محدودة ، وإذا انتظرت لفترة كافية ، فستحرق الشمس كل وقودها. وستكون المشكلة الأكبر هي أن الشمس لا تستخدم كل هيدروجينها - فقط الموجود في جوهرها ، حيث تكون درجات الحرارة أعلى. لن تشارك البروتونات الأولى في التوليف حتى تغوص إلى عمق يتجاوز نصف القطر ، حيث تتجاوز درجات الحرارة 4،000،000 K. وفقط في أعماق الشمس ، حيث تتجاوز درجات الحرارة 10،000،000 K وتصل إلى 15،000،000 K كحد أقصى يتم إنتاج 99٪ من الطاقة.
وهذا يعني أنه بمرور الوقت ، ستحرق الأجزاء الداخلية من الشمس كل الوقود بشكل أسرع. يمكننا أن نتوقع ، كما كتب قارئنا ، أن هذا سيعني انخفاضًا تدريجيًا في سطوع الشمس. ولكن بدون هذه التفاعلات ، سيبدأ القلب فعليًا بالانكماش داخل النواة ، وسيؤدي هذا الضغط الجاذبي إلى إطلاق المزيد من الطاقة ، مما سيؤدي إلى زيادة في درجة الحرارة. بعد ذلك ، سيبدأ التوليف في السير بشكل أسرع وفي حجم أكبر من الشمس من ذي قبل. وبعبارة أخرى ، بمرور الوقت ، سيزداد إنتاج الطاقة من الشمس ، وسيحدث هذا على مدى أربعة مليارات سنة!
عندما كانت الشمس نجمًا حديثًا ، كان ناتج طاقتها حوالي 75-80٪ من اليوم. بفضل النباتات والحيوانات والمحيطات والغلاف الجوي لكوكبنا ، تمكنا من التكيف مع درجات الحرارة المتزايدة للشمس طوال تاريخ النظام الشمسي. ولكن هناك حد لكل شيء: في مرحلة ما ، سيزداد سطوع الشمس لدرجة أن الأرض ، على مسافة بعيدة عنها كما هي الآن ، ستسخن كثيرًا حتى تغلي محيطاتها. بعد ذلك ، سوف يحدث على الأرض تفاعل سلسلة الدفيئة ، على غرار ما حدث على كوكب الزهرة - حيث طبقة سميكة من الغيوم تغلف الكوكب - على الأرض ، وستختفي كل الحياة على سطحه.
من الممكن أن توجد بعض أشكال الحياة عالية في السحب ، وأن البشرية ستكون قادرة على معرفة كيفية البقاء في مثل هذه الظروف ، إذا كانت لا تزال موجودة. لكن هذا سيحدث قبل وقت طويل من نفاد وقود الهيدروجين في قلب الشمس. في الواقع ، سوف تخضع شمسنا للتغييرات التالية على مدى 5-7 مليار سنة:
• يستنفد الهيدروجين في القلب.
• يتوسع إلى نجم تحت سطوع شديد السطوع عندما يحترق الهيدروجين في القشرة حول القلب.
• يبدأ تخليق الهليوم في القلب عندما تصل درجة الحرارة إلى نقطة حرجة.
• التوسع إلى العملاق الأحمر.
• نتيجة لذلك ، سيموت من خلال إسقاط الطبقات الخارجية ، وتحويلها إلى سديم كوكبي ، وسوف يتقلص النواة إلى قزم أبيض.
ولكن خلال 1-2 مليار سنة فقط ، ستصبح الشمس ساخنة للغاية لدرجة أن المحيطات ستبدأ في الغليان. عند هذه النقطة ، سيتعين علينا العثور على منزل جديد ، حيث سيصبح سطح الأرض غير مأهول. ونتيجة لذلك ، سيكون هذا هو الاحترار العالمي الوحيد المهم ، وستصبح الشمس أكثر سخونة قبل أن يحدث التجميد الكبير والنهائي للنظام الشمسي. لقد تجاوزنا بالفعل معظم الفترة الزمنية التي تسكن فيها الأرض ، لذلك من الأفضل محاولة أخذ كل شيء ممكن من الوقت المتبقي معنا!