Солнце движется по небу таким предсказуемым образом, что вы даже не подозреваете, что его отношения с Землёй постоянно меняются. Фактически, среднее расстояние между Землёй и Солнцем не является постоянным из года в год. Итак, знаем ли мы о том, приближается ли Земля к Солнцу или удаляется от него? И какие силы действуют на нашу планету и нашу звезду, чтобы это происходило?
На самом деле Солнце с течением времени удаляется от Земли. По данным NASA, в среднем Земля находится на расстоянии около 93 миллионов миль (150 миллионов километров) от Солнца. Однако её орбита не идеально круглая; она слегка эллиптической или овальной формы. Это означает, что расстояние Земли от Солнца может варьироваться от 91,4 млн до 94,5 млн миль (от 147,1 млн до 152,1 млн км), сообщает NASA.
Тем не менее, в среднем расстояние между Землёй и Солнцем со временем медленно увеличивается. Это растущее расстояние имеет две основные причины. Одна из них заключается в том, что солнце теряет массу. Другая же связана с теми же силами, которые вызывают на Земле приливы и отливы.
Солнце уменьшается в размерах
Реакции ядерного синтеза, приводящие в действие Солнце, преобразуют массу в энергию в соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна E=mc2. Поскольку Солнце постоянно производит энергию, оно также неуклонно теряет массу. В течение оставшегося срока службы Солнца — по оценкам NASA, ещё около 5 миллиардов лет или около того — модели эволюции звёзд с течением времени предсказывают, что Солнце потеряет около 0,1% своей общей массы, прежде чем начнёт умирать, сообщил Брайан Диджорджио (Brian DiGiorgio), астроном из Калифорнийского университета в Санта-Крузе.
И хотя 0,1% может показаться не таким уж большим, «это большая масса», — отметил Диджорджио. «Это примерно такая же масса, как у Юпитера». Юпитер, в свою очередь, примерно в 318 раз тяжелее Земли, согласно данным Exploratorium в Калифорнии.
Сила гравитационного притяжения объекта пропорциональна его массе. По словам Диджорджио, поскольку Солнце теряет массу, его притяжение к Земле ослабевает, в результате чего наша планета отдаляется от нашей звезды примерно на 2,36 дюйма (6 сантиметров) в год. Однако нам пока не следует устраивать Солнцу вечеринку в честь отбытия в долгое космическое путешествие.
«Это довольно незначительно, особенно по сравнению с нормальным изменением орбитального расстояния Земли, которое происходит из-за её слегка эллиптической орбиты — около 3°», — сказал Диджорджио.
Последствия приливов и отливов
Как гравитационное притяжение Луны вызывает приливы и отливы на Земле, так и земное притяжение влияет на Солнце. Это растягивает сторону Солнца, обращённую к Земле, что приводит к «приливной выпуклости», — написала Бритт Шаррингхаузен (Britt Scharringhausen), адъюнкт-профессор физики и астрономии в Белойт-колледже в Висконсине, для страницы «Ask an Astronomer» Корнельского университета.
По данным NASA, Солнце вращается вокруг своей оси примерно раз в 27 дней. Поскольку это происходит быстрее, чем 365 или около того дней, которые требуются Земле, чтобы совершить полный оборот вокруг Солнца, приливная выпуклость, которую Земля создаёт на Солнце, находится перед Землёй. Шаррингхаузен отметила, что масса выпуклости имеет связанное с ней гравитационное притяжение, которое тянет Землю вперёд по её орбите и отбрасывает её дальше от Солнца. (Аналогичный эффект приводит к тому, что естественный спутник Земли медленно отдаляется от нашей планеты.)
Однако эти приливные силы оказывают очень слабое влияние на орбиту Земли: ежегодно они заставляют Землю удаляться от Солнца примерно на 0,0001 дюйма (0,0003 см), подсчитал Диджорджио.
Провоцирует ли это какие-либо серьёзные изменения в климате?
Может ли растущее расстояние Земли от Солнца повлиять на климат Земли?
«По мере удаления Земли от солнца солнечный свет будет становиться всё более тусклым», — сказал Диджорджио. Учитывая то, что расстояние Земли от Солнца в течение следующих 5 миллиардов лет может увеличиться на 0,2%, «это затемнение соответствует уменьшению на 0,4% солнечной энергии, попадающей на поверхность Земли», — добавил он. «Это относительно мало по сравнению с нормальными изменениями яркости Солнца, которые происходят из-за эллиптической орбиты Земли, так что беспокоиться особо не о чем.»
Больше всего стоит беспокоиться о том, что «по мере того, как Солнце будет развиваться в течение следующих 5 миллиардов лет, модели звёздной эволюции предсказывают, что его яркость будет увеличиваться примерно на 6% каждые 1 миллиард лет, медленно повышая температуру Земли и выпаривая океаны». — сказал Диджорджио. «Это сделает Землю непригодной для жизни людей задолго до того, как Солнце потенциально её поглотит.»
Влияние постороннего объекта
Недавние работы показывают, что орбиты Юпитера и других планет Солнечной системы со временем изменились. Но могут ли их орбиты стать достаточно нестабильными, чтобы однажды повлиять на орбиту Земли, отбросив её ближе или дальше от Солнца? Или же, возможно, появится какое-то другое постороннее тело, которое пролетит достаточно близко к Солнечной системе, чтобы произвести аналогичный эффект?
«Проблема с попытками предсказать гравитационные взаимодействия систем многих тел, таких как Солнечная система или близлежащие звёзды, заключается в том, что они хаотичны, а это означает, что их невозможно предсказать с какой-либо уверенностью, — сказал Диджорджио. — Мы понятия не имеем, где конкретно будут находиться планеты в масштабах времени, превышающих около 100 миллионов лет, потому что крошечные ошибки в измерениях и пертурбации от немоделированных взаимодействий со временем становятся слишком большими.»
Тем не менее, «мы можем использовать этот хаос в своих интересах, запустив множество симуляций одной и той же хаотической системы, чтобы увидеть, какова вероятность того, что событие произойдёт», — сказал Диджорджио. Он отметил, что это похоже на то, как работают прогнозирующие модели погоды.
Исследование 2009 года, опубликованное в журнале Nature, в ходе которого было выполнено около 2500 симуляций Солнечной системы, показало, что примерно в 1% из них орбита Меркурия стала нестабильной, в результате чего он врезался либо в Солнце, либо в Венеру.
«Таким образом, Меркурий теоретически может двигаться мимо Земли и существенно изменить свою орбиту, как это в одной симуляции произошло с Марсом, — сказал Диджорджио. — Однако это очень маловероятно, о чём свидетельствует редкость этого случая в симуляциях.»
Также очень маловероятно, что проходящая мимо звезда, планета или другое тело могут нарушить орбиту Земли, сказал Диджорджио.
«Мои предварительные расчёты говорят, что мы должны ожидать, что звезда будет приближаться ближе, чем орбита Плутона, примерно раз в триллион лет, — сказал Диджорджио. — Любые кометы, уже находящиеся в нашей солнечной системе, также не будут обладать достаточной массой или энергией, чтобы существенно повлиять на нашу орбиту.»
Смерть Солнца
Примерно через 5 миллиардов лет, после того как Солнце израсходует своё водородное топливо, оно начнёт раздуваться, превращаясь в красную гигантскую звезду. Если предположить, что Земля продолжит свой непрерывный курс, удалится ли она достаточно далеко от умирающего Солнца, чтобы пережить предсмертные муки нашей звезды?
По словам Диджорджио, в настоящее время существуют некоторые разногласия по поводу того, насколько сильно разбухнет солнце во время фазы красного гиганта. Есть шанс, что оно не раздуется настолько, чтобы достичь Земли, а это означает, что наша планета может выжить и продолжить своё движение по орбите. Тем не менее, большинство оценок предполагает, что Солнце вырастет достаточно, чтобы поглотить Землю, заставив планету двигаться по спирали «внутрь к забвению», сказал Диджорджио.
«Однако, даже если Земля выживет, нет никаких шансов, что люди смогут выжить вместе с ней, — отметил учёный. — Тепло и излучение приближающегося Солнца не только вскипятят океаны и атмосферу, но, вероятно, вскипятят и саму Землю. Людям придётся покинуть пылающий лавовый шар задолго до того, как он будет проглочен.»
Если бы люди всё ещё жили примерно через 5 миллиардов лет и хотели бы, чтобы Земля оставалась пригодной для жизни во время расширяющегося и выделяющего всё больше и больше энергии Солнца, нам пришлось бы медленно переместить планету подальше, приблизительно на орбиту Сатурна, что дало бы возможность сохранить её достаточно умеренной для жизни, такой, какой мы её знаем сейчас.
«Однако это довольно непрактично, — сказал Диджорджио. — Более простым решением было бы просто покинуть Землю и найти другую планету или солнечную систему для жизни.»
