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地球末日記

天文學家可以從很多和太陽相似但是年紀不同的恆星的狀態,推測太陽和地球的過去,並幫太陽和地球占卜未來的命運。
 
 
 
天文看似是一門沒什麼用的學問,可是天地宇宙的生成和演變總是很引人入勝。古人相信天體運行隱藏了對人間事物的隱喻,明白天理就可以通達人事而趨吉避凶。因此古代的天文學家本行是占星算命的「巫師」或「祭司」,只是後來尊崇「實驗檢驗真理」的一派叛教,成了現在的科學家或天文學家,而原本占星煉金的巫師反倒成了異端。

其實現代天文學家的工作,和以前的巫師、祭司在本質上沒有太大改變,只是算的對象和方法有點不一樣罷了。巫師算命的對象是個人或國家,天文學家算的則是天上星辰的命運。

科學研究很重要的一個原則就是「根據已知來推測未知」,對於受限於時間、空間而無法直接了解的事物,科學家會設法尋求間接證據做為替代。在研究太陽和地球的演變方面,由於人類 1 萬年的歷史比起太陽系的 46 億年還不到一秒之相對於一天,光從這短短的一秒鐘也很難看出太陽系這一整天是怎麼過的。但是天文學家可以從很多和太陽相似但是年紀不同的恆星的狀態,推測太陽及地球的過去,並幫太陽和地球占卜未來的命運。

當我們比較月球、金星和地球表面時,會發現地球表面不像月球一樣有許多隕石坑。這並不是隕石特別討厭地球而閃過了它,而是因為隕石在地球上留下的痕跡很容易因為板塊、風化、侵蝕等活動而消失,其中最主要的因素當推「板塊運動」。

地球是一個活的行星,所謂「活」的意思是指它只有表殼已經冷卻變硬,內部還有許多高溫融熔的岩漿在流動著。在最表面的一層地殼平均厚度還不到 100 公里,就像是豆漿表面受冷結了一層薄薄的豆漿皮一樣。地球核心目前的溫度大約是攝氏 6,000 度,維持它高溫的主要能量來源是沉聚在地心的鈾 238 衰變釋放的能量。鈾 238 的半衰期是 45 億年,因此地球核心現在的鈾 238 存量和發熱量是初生時的一半左右。

雖然地球的核心逐漸冷卻,在天上發生的卻是另外一回事。太陽和天上大多數的星星一樣,都處於一個重力和熱壓力(來自核融合產生的能量)平衡的狀態,恆星會自動地調節兩者取得平衡。

只要恆星核心有一點點收縮,核心的密度、壓力及溫度就會上升,以加速核融合反應而產生較多能量,增加的能量會把恆星核漲大,使得核反應減緩下來。相反地,如果恆星核略微漲大一些 ,則密度、溫度的下降會使反應減緩,產能供應不足,造成向外推擠的熱壓力變小,於是核心外殼就會縮小一點。太陽及大部分的恆星就在這樣不斷的微小變動中保持平衡。

原始的太陽主要由氫 70% 和氦 28% 兩種元素組成,氦比較重,因此大多沉降聚集在核心部分。太陽的溫度由核心的 1,560 萬K逐漸降至表面的 5,800K,高於 700 萬K以上的部分已達到使氫原子核融合成氦原子核的條件,這就是太陽生產能量的地方,天文學家以此定義太陽的「核心」。至於外面不會產生核融合反應的部分,則稱為「外殼」。

太陽的外殼還可以分成兩個部分。從核心產生的能量主要以 γ 射線的形式向外輻射,緊靠著核心的地方密度很高,因此 γ 射線無法直接穿透周圍物質(微中子可以),而是不斷和周圍的氫原子核、電子互相碰撞。每次碰撞,γ 射線的能量就會分散一點給這些粒子,就好像從 BB 槍發射小鋼珠去打撞球,小鋼珠雖然彈開了,被打到的撞球還是會得到一點動能,周圍的物質也因此被加熱而溫度升高。靠著 γ 射線輻射、碰撞而傳遞能量的這一層,就稱為「輻射層」。

當輻射層的物質從核心發射出來的 γ 射線獲得能量之後會變熱,變熱之後體積就會膨脹,體積膨脹就會變輕,於是往上浮就產生了「對流」(註1)。太陽內部的熱便是藉由這種方式從輻射層傳遞到表面,靠近太陽表面的這一層稱為「對流層」。

太陽核心產生的能量經由「輻射」和「對流」傳遞到表面所需的時間要數萬年,因此即使太陽核心今天突然熄火了,我們也不會有感覺,幾萬年後的子孫才需要擔心這回事。

在我們看來,太陽的今天、昨天、上個月、去年,甚至數百數千年都是大同小異,除了黑子數量外看不出明顯變化。但是即使以人類文明一萬年,相對於太陽數十億年的生命來說仍然只是彈指一瞬而已。其實太陽雖然持續保持平衡,但是這是一個長期而緩慢的動態變化下的平衡。

太陽的核心也分兩層,最中間是氦結成的核,外面還有一層會發生核融合反應的氫殼。氦結成的核心不會產生核反應,它不只是「占著毛坑不拉屎」的石頭而已,還會排擠可以發生反應的氫所占的空間。當核心的氫逐漸消耗變成氦時,中心的氦核會越來越大,氫在核心所占的比率則越來越少,因此產生的總能量會降低。

因為氫燃料消耗造成的總產能不足,星球核心會向內收縮使溫度和密度上升,靠著這樣來提高反應效率以彌補氫核層的變薄,但是這樣會使燃料的消耗變得更快,太陽的亮度也會變高。據估計,太陽現在的亮度比剛誕生時亮約 30%,預計 12 億年後亮度還會比現在增加 10%,表面溫度則會再上升大約攝氏 150 度,之後將會經歷一段冗長的過程而逐漸邁向滅亡。

這種太陽末日不像電影一樣一覺醒來就遇得到,在太陽系毀滅之前,地球會先經歷非常冗長而緩慢的環境變遷。我們會像一隻在水鍋中的青蛙一樣慢慢被煮熟,最後煮成青蛙乾。

隨著太陽的亮度上升,地球吸收到的能量當然也會增加,於是地球溫度就會上升。但是,地球本身有某種程度的調節能力,像地球海洋溫度上升,就會變得適合某些喜歡高溫的藻類大量繁殖,這些藻類會吸收大氣中的二氧化碳儲存到海洋中,於是溫室效應就減緩了。如果大氣中的二氧化碳不足,海洋的溫度會變低,藻類的繁殖也變慢,於是減緩了二氧化碳的消耗,使得地球可以保持較高的溫室效應。

但是,太陽亮度的上升也許不是地球自然環境調整得過來的。不過有些科學家並不這麼悲觀,因為溫度上升也許不是壞事,只要不是太快就好了。

地球上靠近熱帶的地方生態非常豐富,尤其像熱帶雨林這樣的地方。地球溫度上升將使兩極冰山融化變成較溫暖的溫帶或寒帶氣候,本來終年冰封的地方會變成四季如春、綠草如茵,更多生物可以在這裡生存。

至於赤道附近的熱帶、亞熱帶呢?除了深入大陸中心的地方可能會變成沙漠之外,沿海地區的雨量和溫度會比現在更高,赤道附近的熱帶風暴也會更多、更高、更大。它們當然對生物有很大的殺傷力,但是豐沛的雨量卻可能養育出更多、更豐富的生命,受害最嚴重的可能只有人類這種已經失去環境適應力的生物。還有,地質學家估計,兩億年後,地球上的各大陸板塊又會全部擠在一起形成一個「新盤古陸塊」。這個變化對生態環境產生的影響,可能會遠勝於過去兩億年間太陽變化所造成的影響。

不過,最終這要命的一天還是會降臨的。科學家發現,假設不考慮大氣中雲的反射,12 億年後地球就會出現像金星一樣惡性循環的溫室效應。人類再怎麼製造二氧化碳也沒辦法和這個效果相比,因為水蒸氣的溫室效應雖然比二氧化碳低很多,但是水在地球上的含量卻遠遠超過二氧化碳。只是地球上的水目前都是以液態的型態存在(註2),因此不會造成太大的溫室效應。

但是,如果高溫造成海洋蒸發,蒸發的水蒸氣留住更多能量使溫度增高,溫度增高造成更多水蒸發,惡性循環的結果是整個海洋都被蒸發掉,地球變成了一顆乾燥酷熱的死星。這個階段稱為「濕溫室效應」,也就是大氣中還有很多水氣,只是無法冷卻降回地面。金星就是一個溫室效應過度的前車之鑑,它現在的表面溫度高達攝氏450度,是太陽系中溫度最高的行星。大約 10 億年後,地球就會變得和它一樣。

水氣不會再回到地面上嗎?在目前會,可是如果溫度太高就不會了。目前地球上的水大多在地表的海洋裡,以及在大氣底層的對流層中,只有極少數會上升到平流層(同溫層)及可以遮蔽紫外線的臭氧層以上,而被紫外線「光解」成氫、氧原子並逸失到太空中。當溫度不高時,對流層中的水氣很快就會變成雨水回到地表上,因此飄到高層大氣中進而散失到太空中的量非常少。

可是,溫度高的時候,大氣中蘊藏的水氣會變多,在空中停留的時間也會比較久,於是水分子有較多的機會飄到平流層以上而被光解成氫、氧原子。一旦被光解後,氫原子很容易逸失到太空中,就沒辦法再變成水分子回到地面了。因此水分子只要飄到超過臭氧層以上的高度,一去不還的機會就非常高。在這個稱為「濕溫室效應」的惡性循環啟動之後,地球海洋會逐漸蒸發,接著大氣中的水分逐漸被光解並散逸到太空中,最後地球會失去所有的水而進入下一個「乾溫室效應」的階段。

金星是太陽系行星中所有條件和地球最接近的一顆行星,它的直徑是地球的 97%,軌道和地球最接近,而且有著濃密的大氣。在因為溫室效應失控而滅亡之前,它可能有溫暖寬廣的海洋,更可能有豐富而多樣的生態,也許比地球更早發展出智慧文明,只是這一切都已成往事。

科學家從金星大氣的氘-氫比例判斷,金星曾經有和地球一樣多的水。雖然金星因為比較接近太陽,所以接收了較強的陽光。但是太陽剛誕生時,陽光強度只有現在的 70%,當時的金星可能比地球更適合生命生存。金星是地球的前車之鑑,如果可以了解金星是怎麼變成現在這個樣子,也許就可以了解地球未來的命運。

賓州大學的凱斯丁(James Kasting)教授預測,在十幾億年後地表的最後一滴水也蒸乾了之後,「濕溫室效應」就結束了。接著的數十億年間,大氣中的水會慢慢逸失到太空中,30 億年後就會變成像金星一樣的「乾溫室效應」。到時候地球表面溫度會達到攝氏 400 度,連鉛都會融化掉。這時的太陽其實只比現在亮 40 %,而要等太陽核心的氫都用光而步上死亡,還有好幾十億年的時間!那怎麼辦呢?我們難道就這樣坐以待斃嗎?當然不會。

2000 年時,幾位科學家(加州大學 Santa Cruz 分校的 Gregory P. Laughlin 和 Don Korycansky,以及密西根大學的 Frad Adam)想出了一個點子,他們想到可以從庫柏帶或小行星帶弄一顆大一點(幾百公里大)的小行星,讓這顆小行星在地球和木星軌道之間來回繞行。只要軌道設定得好,這顆小行星就可以在每次經過木星時偷一點能量給地球,幾億年下來,地球就會慢慢移到離太陽遠一點的軌道上,這樣就可以抵銷太陽變亮的效應了。

這個構想發表後,引起科學界和媒體的關注,當時連許多美國的談話節目都在討論這件事,因為如果軌道沒算好,搞不好會引狼入室把小行星給拉過來撞地球。那可是比 6,500 萬年前恐龍大滅絕還要大的災禍,因為 6,500 萬年前的那顆彗星或小行星也才 10 公里大小,一時間這幾位科學家簡直成了人人喊打的過街老鼠。

後來這些科學家出來緩頰說,地球大幅升溫是幾億年之後的事,人類有好幾千萬年的時間去規劃這件事,要做也是幾千萬年後才會真正動手。人類文明到底能不能存活到那個時候都還不知道呢,現在爭議這個實在是太過杞人憂天了。

不管怎樣,太陽的演化肯定是越來越快。根據電腦模擬以及對類似太陽恆星的觀察,太陽中心堆積的氦越來越多,可以行氫融合反應的範圍只有核心外的一層殼狀部分,因此反應會越來越激烈,最後把太陽的外殼像吹氣球一樣脹開來。

現在的模型推算出 63.6 億年之後,太陽的亮度會是現在的 2.2 倍,而火星照到的陽光強度和現在的地球差不多,有人認為火星屆時可能會變成適合生命活動的一個新大陸。雖然火星的重力太弱,不足以維持一個夠溫暖而可以哺育生命的大氣層,但可以成為人類遷居的避難所。搞不好,地球上的生命就是從遠古之前還有溫暖海洋的金星遷徙過來的。

之後再過 7.3 億年,太陽亮度會變成現在的 2.7 倍,大小則變成現在的 2.3 倍。金星和地球是一對烤焦的難兄難弟,火星變成乾熱的沙漠,木星那些冰封的衛星會瀕臨溶解的邊緣。再過 5.9 億年,太陽會步上變成紅巨星的路途,之前任何一個階段的災難與之相比,都像是小巫見大巫了。

把地球和太陽相比,就像是兩手張開,左手放一粒沙,右手拿一個一元銅板一樣。當太陽變成紅巨星時,右手那個銅板會先變成 5 元、10 元、50 元大小,再變成檸檬、葡萄柚大小。這時木星那些衛星(歐羅巴、加尼美德及卡里斯多)表層的冰層(不限於冰,還有二氧化碳、甲烷、氨等)會融化蒸發形成一層薄薄的大氣,在上面造成短暫的「濕溫室效應」時期,不過最後所有的水分都會融化、蒸發、光解而吹散到太空中。

至於土星最大的衛星泰坦,位在距太陽兩倍遠的地方,到時那裡可就稱得上是氣候宜人了。根據 Chris McKay 等人的研究結果,泰坦可能有幾億年的時間可以保有溫暖的液態氨海洋,而在豐富的有機分子海洋中,許多複雜的有機反應都有可能發生。最重要的是,這裡也許有數億年的時間及適當的環境演化出生命,只是它們的生命型態必然和我們大不相同,而且它們很快就會面臨滅亡。

接著,太陽會從葡萄柚大小再變成籃球、海灘球大小,並且大到把水星吞了進去。但是當它變亮到現在的數百倍亮度時,太陽的表面重力變小了,位在表面的太陽物質很容易散失到太空中,因此太陽質量會逐漸消減,預計它會比現在少了大約 1/4 的質量。質量變少了,牽引行星的重力變弱了,行星的軌道就會向外移動。

以前的計算認為太陽變成紅巨星時可能會把地球也吞進去,最近有些計算則認為太陽還是會變得那麼大,可是地球會因為太陽引力減弱而偏移出去。當太陽膨脹過來時地球已經跑掉了,因此地球最終應該會逃過被太陽吞噬的命運。

不過,最近 Kacper、Carlos  等人做了一個更詳細的研究,發現當太陽膨脹到很大時,地球引力會在太陽表面吸引出一團凸起。當地球繞太陽公轉時會拖著這一團凸起在太陽表面跑,因為這時太陽自轉比地球公轉還慢,兩者互相作用之下,地球的公轉動能會漸漸被耗損而落向太陽。不過這是一個很複雜的問題,由於還有太多因素沒有考慮到,目前還無法肯定當太陽變成紅巨星時,地球到底會不會被吞進去?

太陽的第 1 次紅巨星階段,會在核心溫度達到氦可以開始融合成碳的攝氏 1 億度時結束,太陽會變成向內收縮,亮度也會變成先前的百分之一。有幾億年的時間太陽會穩定地用氦做為核燃料,太陽系暫時得到平靜。如果到時候地球還存在,它應該會裸露出融化的矽酸岩核心,表面沒有任何氣體或水分,中午的溫度會高達攝氏 600 度。任何生物存在過的痕跡,都會在岩石一再熔融再冷卻的過程中完全被抹滅掉。

最後,氦元素用盡的核心會變成一個充滿碳和氧元素的白矮星般的物質,外殼則再次膨脹冷卻變成紅巨星。在賀羅圖上,它會變成一支從主星序向右上分岔的分支,太陽再次對地球形成重大威脅。在第 2 次紅巨星期間,太陽會發生好幾次稱為「氦閃」的猛烈脹縮,每一次為期大約 1 萬年。在這些脹縮過程中,地球會短暫地被太陽吞噬。

接著,在二度變成紅巨星之後的 1 億年左右,太陽會把它的外殼部分完全拋射到太空中,形成一個美麗的行星狀星雲,剩下的核心則變成一個非常高溫但細小的白矮星。

更糟的事情還在後面。當大量的太陽質量被拋甩出去後,維持太陽系運行的主要力量就變得不足,木星和土星這兩顆最大的行星之間的重力會使它們自己互相繞旋起來。它們兩個糾纏不清的結果,周圍的其他行星就遭殃了,這些行星可能被向外甩到星際空間去,也可能被向內甩而掉進太陽。目前天文學家已經發現了 2 個,另外還有將近 40 個白矮星的周圍可能有這種現象正在發生,其中一個就是知名的螺旋星雲 NGC7293。

太陽的一生到了變成白矮星時應該已經落幕了。假設到時候還有劫後餘生的行星環繞著太陽運行,它們會無聲無息地繞著死掉的太陽數千億年的時間,看著變成白矮星的太陽逐漸變暗、變冷,直到接近絕對溫度 0K,靜靜地等待著宇宙最終審判的來臨。

不過,在太陽漸漸僵死之前,我們的銀河系可能已經被 M31 仙女座大星系給吸進去了(2006 年 10 月號 Sky & Telescope 雜誌有一篇很有趣的文章值得參考)。屆時我們會有很多機會和 M31 裡面的恆星錯身而過,搞不好地球會在混亂之中被扯離太陽,而消失在無盡的黑暗中。讀者如果有興趣可以到一個叫做 GRAVITAS Portraits of a Universe in Motion(http://www.galaxydynamics.org/)的網站,看看科學家用超級電腦模擬本銀河系和 M31 星系撞成一團的動畫。

借助於觀測技術和理論運算的快速進步,現代的巫師們可以越來越精準地占卜太陽、地球,以及天上許多事物的過去和未來。這種預知未來的成就感,應該是許多天文學家沉迷於這門看似無用的科學的重要原因吧?

註1:日常生活中一個很好的對流例子,是出現在學生餐廳常有的「味噌湯」中。當鍋底有一點點小火用來保溫時,鍋底的湯受熱上升,底層上浮的熱湯推擠上層接觸空氣的冷湯向周圍漂浮,到了鍋邊冷卻更快於是下沉,這就是典型的對流現象。

註2:水蒸氣(透明)是一種溫室氣體,但是當水蒸氣凝結成白色的小水滴或小冰晶(雲)時會反射陽光,兩者效應完全相反。由於宇宙射線穿入地球大氣時會促進水蒸氣凝結(高能物理實驗有一種設備叫做雲霧室(cloud chamber),就是利用這個原理觀察高能粒子的運動路徑),因此如果宇宙射線增加,雲也會增加,地球反射率增加就可以減緩溫室效應。還有一種類似的方式就是引爆核子彈,帶動大量煙塵進入平流層造成「核子冬天」效應,這樣也可以使地球溫度快速降低。

附錄

太陽可粗分為「核心」和「外殼」兩個部分。核心包含最中心最高溫的球型氦核,以及氦核外面一層負責產生能量的氫殼層;外殼則又分成「輻射層」及「對流層」兩部分。核心大的時候,溫度低而較不明亮,產能降低時,核心會收縮以提高溫度而變得比較明亮。至於外殼則和核心相反,核心較大的時候,外殼比較小而高溫明亮,核心縮小的時候,外殼反而漲大而變得較為冷暗。太陽核心產生的能量經由「輻射」和「對流」傳遞到表面所需的時間要數萬年,因此即使太陽核心今天突然熄火了,我們也不會有感覺,幾萬年後的子孫才需要擔心這回事。

金星是太陽系行星中所有條件和地球最接近的一顆行星,在因為溫室效應失控而滅亡之前,它可能有溫暖寬廣的海洋,也許比地球更早發展出智慧文明,只是這一切都已成往事。伽利略號太空船拍攝到的金星滿布濃厚雲層,雲層的溫室效應使其表面溫度高達攝氏460度。

在太陽系毀滅之前,地球會先經歷非常冗長而緩慢的環境變遷。高溫將造成海洋蒸發,蒸發的水蒸氣留住更多能量使溫度增高,溫度增高造成更多水蒸發,惡性循環的結果是整個海洋都被蒸發掉,地球變成了一顆乾燥酷熱的死星。這個階段稱為「濕溫室效應」,金星就是一個溫室效應過度的前車之鑑。
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