از اينجا تا ابديت: سرنوشت خورشيد و زمين
از اينجا تا ابديت: سرنوشت خورشيد و زمين ديدگاه ما از آينده از زمان ولز بسيار تغيير يافته است. اگر چه ماشين زمان همچنان جزء داستانهاي علمي تخيلي باقي مانده است، شناخت و درك ما از تغييرات خورشيد اين امر را ممكن ساخته است كه آينده بسيار دور زمين را به گونه اي شرح دهيم كه هم شامل جزئيات و هم از نظر علمي درست باشد.
اگر بتوانيم فيلم سريعي از 200 ميليون سال آينده زمين ببينيم، خواهيم ديد قاره ها به هم مي پيوندند تا شكل آينده كهن قاره (Pangaea) را به وجود آورند كه آن هم ساختار جديد صفحات قاره اي را ايجاد مي كند. حرارت داخل زمين در درجه اول از فروپاشي ذرات راديواكتيو اورانيوم 238 ايجاد مي شود كه نيمه عمر آن 4.5 ميليارد سال است. بنابراين مواد داخلي زمين هم اكنون در حدود نيمي از ميزان اوليه گرما توليد مي كنند. با سرد شدن مواد داخلي، فرايندهاي نوسازي زمين شناسي به تدريج متوقف مي شود و سياره به دوران پيري و سالخوردگي وارد مي شود. آتشفشانها فوران مي كنند و قاره ها به تدريج شكل و ساختار نهايي خود را به دست مي آورند. طي ميلياردها سال بعد سطح آب اقيانوسها اندكي پايين مي رود، زيرا آب توسط پوسته كه به طور ثابت در حال خنك شدن است جذب مي گردد.
با اين حال خنك شدن زمين با خنك شدن سطح زمين همراه نيست. خورشيد همواره از زمان تولدش كمي درخشانتر شده است. ستاره گرم حياتبخش ما در مسيري است كه به بلايي سوزان براي حيات زمين تبديل مي گردد.
تعادل مشكل
خورشيد مانند بيشتر ستاره ها در وضعبت پايدار و متعادل بين كشش جاذبه به سمت داخل از يك سو و فشار حاصل از گرماي همجوشي هسته اي به سمت خارج از سوي ديگر قرار دارد. اين يك تعادل خود تنظيم است. كمي منقبض شدن خورشيد باعث افزايش چگالي و دماي مركزي آن مي شود و واكنشهاي هسته اي را سريعتر مي كند كه گرماي اضافي آن سبب منبسط شدن خورشيد مي گردد. انبساط نيز قسمتهاي داخلي را مقدار كمي خنك و توليد انرژي هسته اي را كند مي كند و سبب انقباض مجدد خورشيد مي گردد. در نتيجه خورشيد در حال تعادل باقي مي ماند.
با اين حال پس از گذشت صدها ميليون سال اين تعادل اندكي به هم مي خورد. با انجام همجوشي و تبديل هيدروژن به هليم، مقدار هيدروژن در هسته خورشيد كاهش مي يابد. هليم خنثي است پس هسته بايد كوچكتر و گرمتر شود تا همجوشي ادامه يابد. خورشيد با گذشت 4.5 ميليارد سال از تولدش، اندكي كمتر ازنيمي از هيدروژن اوليه خود را سوزانده و هسته آن واقعاً سرشار از هليم شده است. خورشيد در مقابل پايين آمدن تدريجي درجه گاز خود، با دنباله اي از اتفاقات پيچيده پاسخ مي دهد كه هيچ يك از آنها پديده خوشي براي زمين نيست.
وقتي ستاره اي نظير خورشيد كه در چرخه اصلي نمودار تحول ستاره اي هرتزپروگ-راسل قرار دارد هيدروژن خود را مي سوزاند و هسته آن چگالتر مي شود، دماي مركزي آن به اندازه كافي بالا مي رود تا تمام هيدروژن سريعتر بسوزد. خورشيد از زمان تولدش 30% درخشانتر شده است. طي 1.2 ميليارد سال، كمي بزرگتر شده و 10% ديگر نيز درخشانتر مي گردد و دماي سطح آن 150 درجه سانتيگراد (270 درجه فارنهايت) گرمتر مي شود.
پديده گلخانه اي
پرسش بسيار جالب اين است كه سيستم پيچيده زمين چگونه به اين رويدادها پاسخ مي دهد. تا كنون زمين وظيفه نگهداري دماي پايدار در مقابل درخشندگي همواره افزاينده خورشيد را به صورت قابل قبولي انجام داده است. اگرچه در گذشته دور نوسانهايي هم رخ داده است، از جمله حداقل دو دوره عصر يخبندان پيش از شروع زندگي در زمين كه به نظر مي رسد زمين در آن دوران به صورت كامل از قطبها تا استوا يخ زده است. همچنين دورانهاي بسيار گرمتري از حالا وجود داشته است كه جنگلهاي معتدله قطبها را پوشاندند.
طي قرن آينده و پس از آن با آزاد كردن حجم زيادي از دي اكسيد كربن در جو، آزمايش پرماجراي بسيار بزرگي را در پيش رو خواهيم داشت.
شوك حاصل از آب و هواي زمين پيشرفت با ارزشي در فهم ما از اين مهم ايجاد خواهد كرد كه زمين طي دوره هاي طولاني تر چگونه به انرژي افزاينده خورشيد پاسخ خواهد داد.
با نگاهي واقعاً بلند مدت و با در نظر گرفتن اين واقعيت كه زيست كره از قطب به سمت استوا غني تر مي شود، زمين كه بسيار گرمتر شده ممكن است واقعاً نعمتي براي زندگي باشد. زندگي در گلخانه رونق مي گيرد: اين روند شايد با گذشت ميليونها سال براي تحول و تطابق و سازگاري آهسته، حتي زيست كره غني تري بالاتر از دماي جوش آب ايجاد نمايد.
اما سرانجام اين دماي سرنوشت ساز فراخواهد رسيد. مدلهاي آب و هوايي بدون ابر نشان مي دهد كه زمين در 1.2 ميليارد سال آينده به وضعيت گلخانه مرطوب خواهد رسيد. اين از هر آنچه كه ما با رها كردن دي اكسيد كربن در جو مي توانيم انجام دهيم بسيار ويرانگرتر خواهد بود، چرا كه بخار آب در صورت وجود به اندازه كافي، خود يك گاز گلخانه اي قوي است. در دوران گلخانه مرطوب تبخير آب اقيانوسها در اثر دماهاي بسيار بالا به شدت افزايش مي يابد و بخار آب بيشتري وارد جو مي گردد. در نتيجه حتي به دماهاي بالاتري خواهيم رسيد و اين روند تا جايي ادامه مي يابد كه اقيانوسها به كلي تبخير و خشك شوند. انتظار داريم زمين در مدت كوتاهي پس از يك ميليارد سال به يك بيابان برهوت و برشته تبديل شود. سخت است تصور كنيم كه حيات چند سلولي ها چگونه ادامه خواهد يافت.
اما بر سر آن همه بخار آب بر فراز زمين خشك چه خواهد آمد؟ در حال حاضر بخار آب تقريباً به طور كامل در تروپوسفر (گشتكره) – لايه پايين جو كه شرايط جوي در آن رخ مي دهد – محصور شده است. مقدار كمي بخار آب در استراتوسفر (پوش كره) و خيلي كمتر در بالاي ازن كه بيشتر نور فرابنفش زمين را جذب مي كند وجود دارد. بنابراين مقدارخيلي كمي بخار آب در معرض پديده نوركافت (فتوليز: تجزيه شيميايي در اثر نور) است كه در آن نور فرابنفش يك مولكول آب (H2O) را شكسته و يك اتم هيدروژن آن راجدا مي كند. در نتيجه آب ما دست نخورده و سالم باقي مي ماند.
دما در بالاي جو زمين به اندازه كافي بالاست كه هر اتم آزاد هيدروژن معمولاً به فضا فرار كند. بنابراين اگر آب به بالاي لايه ازن برود در مسير آزاد شدن در فضا قرار مي گيرد. زمين بعد از دوره تحول گلخانه مرطوب به تدريج همه آب خود را از دست مي دهد و سياره دوره جديد انتقال به يك گلخانه گرم جهنمي را شروع مي كند، درست مشابه آنچه كه اكنون در سياره ناهيد حكمفرماست.
در واقع ناهيد ممكن است زماني بسيار معتدل تر و شبيه زمان كنوني ما بوده باشد. اندازه گيريهاي انجام شده در مورد آهنگ تبديل دوتريم موجود در جو آن به هيدروژن حاكي از آن است كه اين سياره مقدار زيادي آب را در گذشته خود از دست داده است، مقداري احتمالاً به اندازه يك اقيانوس. اگرچه ناهيد انرژي بيشتري نسبت به حال حاضر زمين دريافت كرده، در دوران اوليه خورشيد نيز 30 درصد كمتر انرژي دريافت نموده است. اگر دقيقاً بتوانيم بفهميم كه ناهيد چگونه به اين صورت درآمده، ممكن است بتوانيم پيش بيني آب و هوايي طولاني مدت تري را به صورت دقيقتر در مورد زمين انجام دهيم.
مدل سازيهاي انجام شده توسط جيمز كستينگ (James Kasting) ازدانشگاه ايالت پن نشان مي دهد كه گلخانه خشك تقريباً در 3 ميليارد سال در زمين اتفاق خواهد افتاد - دو ميليارد سال پس از آنكه آخرين قطره آب مايع هم تبخير شد. دما در آن زمان دوباره بالا خواهد رفت و به دماي ذوب كننده 400 درجه سانتيگراد (750 درجه فارنهايت) خواهد رسيد.خورسيد در آن زمان فقط 40% درخشانتر از حال حاضر خواهد بود و چند ميليارد سال ديگر براي سوزاندن هيدروژن در پيش رو خواهد داشت.
به تعويق انداختن واقعه اي اجتناب ناپذير
من و فرد آدامز (Fred Adams) از دانشگاه ميشيگان و دان كريكانسكي (Don Korycansky) از دانشگاه كاليفرنيا سانتاكروز در سال 2000 به صورت گروهي طرحي را آماده كرديم تا دماي مطلوب فعلي زمين را در برابر گرماي افزاينده خورشيد در چند ميليارد سال آينده تثبيت نماييم. كليد اين طرح زمان بسيار طولاني است كه در پيش رو داريم. ما نشان داديم كه تنها با مصرف كمي انرژي طي هزاران يا ميليونها سال مي توان جرم بزرگتري از كمربند سياركي و يا كوييپر را به گونه اي مانور داد كه پي در پي گذرهاي نزديكي از زمين و مشتري داشته باشد، به گونه اي كه بخشي از انرژي عظيم مداري مشتري را به زمين منتقل نمايند. چنين گذري در هر 10000 سال كافيست تا مدار زمين را با سرعت كافي به سمت خارج حركت داد تا با درخشندگي افزاينده خورشيد مقابله كند.
اگرچه فناوري لازم براي شروع چنين پروژه اي تقريباً موجود است، اما برنامه ريزي بلند مدت و ثبات انساني بايد به اندازه زيادي در ابعاد مختلف رشد كند. مشكل فقط اين نيست كه يك اشتباه كوچك محاسباتي مي تواند سبب بروز برخورد براي زمين شود. پس از چاپ نتايج اين كار، رسانه ها كاملاً به صورت اشتباه گزارش دادند كه اين طرح مي تواند در كوتاه مدت، گرم شدن جهاني زمين توسط انسانها را به تأخير اندازد. چنين گزارشهايي منجر به نوشته هاي روزنامه ها، ميزگردهاي بي معني تلويزيوني و سيل فراگير نامه ها و تماسهاي خشمگينانه شد. 10 ميليون سال زمان خوبي است تا قبل از شروع صبر كنيم. مسأله اصلي كه بايد در نظر بگيريم آن است كه آيا تمدن در اين مدت دوام خواهد آورد.
اما تحول خورشيد بدون در نظر گرفتن آنچه آيندگان ما انجام خواهند داد سرعت خواهد گرفت. مدلهاي كامپيوتري بسيار بهينه شده و بررسي و رصدهاي دقيق و جزئي از ستاره هاي شبيه خورشيد نشان مي دهد كه سوختن هيدروژن از هسته خورشيد به سمت پوسته خارجي پيش خواهد رفت و اين انتقال سريعتر و سريعتر خواهد شد. توليد انرژي به طرز شگرفي افزايش خواهد يافت و باعث بزرگ شدن لايه هاي خارجي خورشيد خواهد گرديد.
مدلهاي فعلي نشان مي دهد كه خورشيد در 6.36 ميليارد سال بعد 2.2 برابر درخشنده تر از وضعيت فعلي خود خواهد بود و مريخ به اندازه حال حاضر زمين گرما دريافت مي كند. اما اين اتفاق احتنالاً خيلي دير در مريخ رخ مي دهد. جاذبه مريخ آنقدر كم است كه نمي تواند جو گرم قابل ملاحظه اي را نگه دارد تا آنرا به يك منطقه قابل سكونت تبديل نمايد.
خورشيد طي 730 ميليون سال بعدي 2.7 برابر درخشانتر و 2.3 برابر بزرگتر از حال حاضر مي شود. منظومه شمسي در آن زمان به واقع غير قابل سكونت مي شود. ناهيد و زمين دوقلوهاي سولفوري مي گردند و مريخ به يك بيابان سوزان مبدل مي گردد. اقمار مشتري همچنان يخ زده هستند، اما ذوب شدن آنها نزديك است. خورشيد پس از 590 ميليون سال به مرحله تبديل به يك غول سرخ وارد مي شود و مراحل بعدي بسيار شديدتر از هر آنچه تا كنون بوده مي شود.
غول سرخ
اكنون مي توانيد يك مدل مقايسه اي از زمين و خورشيد درست كنيد. يك دانه شن را دريك دست و يك سكه ده سنتي (قطر 17.9، ضخامت 1.35ميليمتر و حجم 339.7 ميليمتر مكعب) را در دست ديگر گرفته و تا جايي كه مي توانيد آنها را دور از هم بگيريد. همانطور كه خورشيد به يك غول سرخ تبديل مي شود، سكه ده سنتي را ابتدا با يك سكه 25 سنتي (قطر 24.3 ، ضخامت 1.75 ميليمتر و حجم 811.6 ميليمتر مكعب) و پس از آن با يك گريپ فروت جايگزين نماييد. اقمار گاليله اي مشتري - اروپا، گانيمد و كاليستو - در آن زمان يك جو ضخيم از بخار آب مي سازند و وارد دوره گلخانه مرطوب مي گردند. سپس آب آنها فتوليزه شده و به فضا مي رود.
تايتان بزرگترين قمر زحل به خوبي گرم مي شود. كريس مك كي (Chris McKay) از مركز تحقيقات آمس ناسا و همكارانش دوره اي چند صد ميليون ساله شناسايي كرده اند كه اقيانوسهاي آمونياك مايع در سطح تايتان به پايداري مي رسند. واكنشهاي شيميايي پيچيده در بين مولكولهاي ارگانيك آنها انجام خواهد شد و احتمالاً سبب ايجاد شكل جديدي از زندگي، البته نه براي مدتي خيلي طولاني خواهد شد.
و زمين؟ سؤال اين است كه آيا اين سياره اصلاً باقي خواهد ماند؟
در مدل مقايسه اي ما خورشيد از گريپ فروت به توپ بسكتبال و سپس به توپ بزرگ بازي در ساحل تبديل مي گردد و سرانجام سياره تير را خواهد بلعيد. اما چون درخشندگي آن به صدها برابر افزايش مي يابد و جاذبه سطحي آن به علت افزايش قطرش كاهش مي يابد، باد قدرتمندي از خورشيد شروع به وزيدن مي كند كه سرانجام نزديك به يك چهارم از جرم خورشيد را با خود به خارج حمل مي كند. در نتيجه خورشيد يك چهارم از نيروي گرانش خود را از دست مي دهد. بنابراين مدار سيارات به سمت خارج منتقل مي گردد.
همچنانكه خورشيد به اوج تبديل به غول سرخ نزديك مي شود بيش از 200 برابر اندازه كنوني خود مي گردد و به راحتي مدار فعلي ناهيد و تقريباً مدار فعلي زمين را در بر مي گيرد. اما ناهيد در آن زمان احتمالاً به جاي كنوني زمين رسيده و زمين نزديك به مدار فعلي مريخ است. بنابراين در نگاه اول به نظر مي رسد كه زمين فرار مي كند.
شوك آينده: اندازه و درخشندگي خورشيد به آهستگي در 7 ميليارد سال آينده زياد مي شود و سپس وارد مرحله غول سرخ مي گردد. به سه مقياس متفاوت زماني در نمودار توجه داشته باشيد. آنها در نزديكي پايان عمر خورشيد بزرگتر شده اند تا تغييرات سريع را نشان دهند. مدار سيارات در زمانيكه خورشيد جرم خود را از دست مي دهد بزرگتر مي شود. در اين مدل خاص كه توسط آي جوليانا سكمن (I Juliana Sackman) و كاتلين كريمر (Kathleen Cramer) تهيه شده است خورشيد به اندازه اي بزرگ مي شود كه تير و ناهيد را در بر مي گيرد، لما زمين را به طور كامل احاطه نمي كند.
به تازگي كاسپر آر ريبكي (Kacper R Rybicki) از مؤسسه ژئوفيزيك آكادمي علوم لهستان و كارلوس دنيس (Carlos Denis) از دانشگاه لژ بلژيك مطالعات دقيقتري در مورد اثرات غول سرخ خورشيد بر منظومه شمسي انجام داده اند. آنها به يك نتيجه گيري مهم دست يافته اند: نيروهاي كشندي نقش مهم و حساسي در تعيين سرنوشت زمين دارند. همچنانكه خورشيد بزرگتر مي شود گرانش زمين سبب ايجاد برآمدگي كشندي خيلي كوچكي در سطح خورشيدي آن مي گردد. اصطكاك سبب مي شود تا اين برآمدگي اندكي تأخير در حركت ايجاد نمايد. اين تأخير به نوبه خود كشش گرانشي دائمي به سياره وارد مي نمايد و سبب مي شود تا زمين به آهستگي به سمت داخل حركت مارپيچي كند. اين حركت مشابه وضعيتي است كه براي ماه رخ مي دهد كه در آن اثر كشندي ماه بر زمين باعث مي شود ماه به سمت خارج حركت كرده و از زمين دور شود، با اين تفاوت كه در اينجا برعكس اتفاق مي افتد، زيرا سرعت گردش خورشيد آهسته تر از سرعت گردش ما به دور خورشيد است نه سريعتر از آن.
با در نظر داشتن همه احتمالات هنوز مشخص نيست كه آيا زمين از بلعيده شدن توسط غول سرخ فرار خواهد كرد يا نه.
مرحله اول غول سرخ زماني پايان خواهد يافت كه دماي هسته به 100 ميليون درجه سانتيگراد مي رسد و هليم شروع به همجوشي به كربن مي كند كه منبع جديد تازه اي از انرژي مي باشد. خورشيد در پاسخ به اين انرژي جديد زياد به ميزان زيادي كوچك شده و درخشندگي كلي آن حدود 100 برابر كاهش مي يابد. خورشيد هليم را براي چند صد ميليون سال با آهنگ ثابت مصرف مي كند و منظومه خورشيدي براي مدتي از زنجيره بلايا خلاصي مي يابد. اگر زمين سالم باشد (با هزينه اي اندك اين احتمال به 75% مي رسد) احتمالاً به صورت صخره اي از سيليكات جوش خورده است كه به طور مستقيم با خلأ فضا در تماس مي باشد و دماي ظهر آن به 600 درجه سانتيگراد مي رسد. هر نشانه اي كه در سياره ما وجود داشته مدتهاست ذوب و دوباره كريستال شده اند و به فراموشي سپرده شده اند.
در كشاكش مرگ
خورشيد در نزديكي به پايان رسيدن هليم خود به يك كوتوله سفيد با هسته اي از كربن و هيدروژن تبديل مي گردد. در اين زمان لايه هاي خارجي خورشيد دوباره بزرگ و سرد مي شوند و خورشيد براي دومين بار به يك غول سرخ مبدل مي گردد. ستاره شناسان به اين دومين غول سرخ به دليل موقعيت آن در نمودار تحول ستاره اي هرتزپروگ-راسل به نام «شاخه مجانب» اشاره مي كنند. خورشيد يك بار ديگر به تهديدي جدي براي حيات فيزيكي زمين تبديل مي شود. غول سرخ در طي مرحله دوم چندين دوره خروج عظيم انرژي را تجربه مي كند. هليم شعله ور مي شود كه منجر به ارتعاش و تپشي با بزرگي حدود 10000 سال خواهد شد. كاملاً محتمل است كه زمين پيش از آنكه فرصتي براي حركت مارپيچ به بيرون از خرابي كلي داشته باشد مختصري توسط خورشيد در بر گرفته شود.
سپس حدود 100 ميليون سال پس از شروع مرحله دوم غول سرخ، خورشيد لايه هاي بزرگ خارجي خود را به طور كامل به بيرون مي ريزد تا يك سحابي سياره اي ، شايد مشابه آنچه در تصوير نشان داده شده تشكيل دهد كه يك كوتوله سفيد كوچك، اما گرم و درخشان باقي مي گذارد.
NGC2440 در صورت فلكي كشتي دم يك سحابي سياره اي است: لايه هاي خارجي يك ستاره غول سرخ مرده به بيرون پرتاب شده و اكنون در نور فوق بنفش از هسته داغ باقيمانده از ستاره مي درخشند (نزديك مركز). هسته، يك كوتوله سفيد جديد است. دماي آن 200000 درجه سانتيگراد، حتي داغتر از دماي معمول است. سيارات ممكن است باقي بمانند يا از بين بروند. در اين تصوير كه توسط تلسكوپ فضايي هابل گرفته شده، قرمز نمايانگر نيتروژن و هيدروژن برافروخته است، سبز-آبي بيانگر اكسيژن و آبي نشان دهنده هليم است. پهناي سحابي حدود يك سال نوري است.
و دوباره تهديد ديگري از راه مي رسد.
ما دريافته ايم كه از دست دادن جرم توسط خورشيد براي حيات فيزيكي زمين ضروري است. اما اگر خورشيد بيش از حد مورد انتظار جرم از دست دهد، مشتري و زحل به صورتي خطرناك برهم كنش گرانشي خواهند داشت. آنها يكديگر را تحريك كرده و حركتي طولاني و ديوانه وار در حلقه هاي بيضوي انجام مي دهند كه مابقي
منظومه شمسي را ويران خواهد نمود. در آشفتگي هاي بعدي تصادم اشياء به پايان مي رسد و آنها به فضاي بين ستاره اي پرتاب شده و به سمت خورشيد سقوط مي كنند. بقاياي مشابه از منظومه هاي خورشيدي ويران شده در دو و شايد تمام 40 كوتوله سفيد مشاهده شده اند، از جمله يكي كه از دست دادن جرم آن موجب ايجاد سحابي مارپيچ شده است.
تبديل خورشيد به كوتوله سفيد پايان نقش خورشيد در داستان ما مي باشد. سيارات به جا مانده، شايد شامل بقاياي سوخته و گداخته زمين و تير به صورت پايدار براي صدها ميليارد سال به دور كوتوله سفيد مي چرخند در حاليكه سرماي آنها و خورشيد به سمت صفر مطلق ميل مي كند. آنها منتظر مجموعه اي عجيب از بلاياي كيهاني هستند.
همچنانكه خورشيد كوتوله سفيد به تدريج رو به سياهي مي رود درخشاني شب نيز كم خواهد شد. جهان در حال ورود به عصر انبساط سريع مي باشد كه در طي چند صد ميليارد سال همه كهكشانها را به جز آنهايي كه در گرانش با گروه محلي ما هستند به وراي افق علّي ما مي برد. راه شيري نيز با كهكشان آندرومدا ادغام شده و يك كهكشان مارپيچ را تشكيل داده است. مي توانيم انتظار داشته باشيم كه طي حدود 100 تريليون سال بقاياي تصادفي يك كوتوله سفيد به اندازه كافي از نزديكي زمين عبور مي كند كه زمين را از مدارش خارج كرده و آنرا در كهكشان اكنون تاريك رها كند تا آنجا نيز به تنهايي براي هزارتريليون سال ديگر پرسه زند.
اگر زمين از برخورد با سياهچاله مركز كهكشان فرار كند با بقاياي ستاره اي در حال عبور برخورد كرده و به طور كامل به خارج كهكشان پرتاب مي شود. اگر زمين بدين ترتيب آزاد شود، انبساط پيوسته كيهاني راه شيري را به وراي افق خارج از ديد يا هر ارتباط علّي[1] مي برد و زمين كاملاً تنها وارد گستره زماني وسيعي در فضاي خالي سياه مي گردد.
