Может ли гигантский двигатель на Южном полюсе изменить орбиту Земли?

Перевод нашей планеты на более безопасную орбиту может быть единственным способом сохранить Землю после того, как весь лед растает.

Ключевые выводы

• По мере того, как солнце нагревается, перевод Земли на более далекую орбиту может быть единственным способом остановить закипание наших океанов.
• Требуемая энергия огромна, а постоянная установка двигателя на вращающейся планете сопряжена с огромными трудностями.
• Но если лед Южного полюса растает, это будет идеальное долгосрочное место, откуда мы сможем навсегда изменить орбиту Земли.

Одним из самых устойчивых и неизменных свойств в нашей космической истории является орбита Земли. За последние 4,5 миллиарда лет орбитальный путь Земли вокруг Солнца практически не изменился, несмотря на то, что произошло множество фантастических событий: гигантские столкновения, образование лун, продолжающееся замедление вращения нашей планеты и появление жизни.. Даже принимая во внимание гравитационное влияние всех других объектов в нашей Солнечной системе и галактике, вероятность того, что орбита Земли останется неизменной в какой-либо заметной форме, превышает 99%.

В долгосрочной перспективе это приведет к полной катастрофе для всей планеты. Даже наихудший сценарий нашей нынешней борьбы с глобальным потеплением, когда неконтролируемый рост концентрации парниковых газов вызывает резкое повышение температуры и таяние всего полярного льда на Земле, меркнет по сравнению с тем, что в конечном итоге вызовет солнце. Если ничего существенного не изменится, постоянно растущая выработка солнечной энергии испарит все земные океаны в течение следующих 1-2 миллиардов лет, что, вероятно, уничтожит все живое на Земле.

Есть ли способ спасти Землю от этой участи? Перемещение нашей планеты в другое место Солнечной системы путем изменения орбиты Земли может быть нашей последней надеждой. Вот как гигантский двигатель на Южном полюсе может спасти всю планету.

Сейчас солнце выглядит таким, каким оно есть из-за его температуры, выходной энергии и расстояния от Земли. По мере того, как его выход энергии увеличивается, мы должны отодвигать Землю дальше, иначе возросшая мощность Солнца выкипит океаны.

Экологическая проблема

Если вы думаете, что глобальное потепление, которое мы сейчас переживаем, плохо, просто подождите, пока вы не узнаете, что приготовило для нас солнце. Сегодня основная причина изменения климата Земли и повышения температуры не имеет ничего общего с солнцем, а скорее обусловлена атмосферными изменениями, вызванными деятельностью человека с начала промышленной революции. Из-за добавления парниковых газов в атмосферу (в основном двуокиси углерода и метана) и вызванных обратной связью изменений долгосрочных концентраций водяного пара энергетический баланс Земли резко изменился за последние ~200 лет.

Подобно тому, как накидывание на себя одеял в холодную погоду помогает лучше сохранять собственное внутреннее тепло до того, как оно испарится, добавление парниковых газов в нашу атмосферу помогает Земле удерживать тепло. Как было установлено более 50 лет назад новым лауреатом Нобелевской премии Сюкуро Манабэ, удвоение концентрации CO_{2 повысит температуру Земли на 2 ° C (3,6 ° F). или более, при наихудшем сценарии изменения приведут к таянию всего полярного льда на Земле, возможно, в течение нескольких тысяч лет. Земля, свободная ото льда, не была бы беспрецедентной, но это было бы чрезвычайно плохо для людей на Земле.}

Сравнение прогнозов различных сценариев выбросов парниковых газов и потепления, которое они вызовут к 2100 году. Обратите внимание, что все более оптимистичные сценарии требуют значительного и быстрого снижения наших выбросов CO2: то, что в настоящее время не происходит.

Но это будет не так плохо, как то, что постепенно будет делать солнце с течением времени. Внутри Солнца ядерный синтез происходит только внутри ядра, где температура превышает 4 000 000 К. В самом центре ядра температура может достигать 15 000 000 К, при этом скорость термоядерных реакций очень высока. увеличивается с температурой. Но со временем возникает проблема:

1. ядро Солнца преобразует значительное количество водорода в гелий
2. гелий собирается во внутреннем ядре, но в настоящее время не может дальше плавиться
3. концентрированный гелий приводит к гравитационному сжатию и заставляет внутреннюю часть Солнца нагреваться
4. температура внутреннего ядра и расширяет область «4, 000, 000 K и выше» до большей внутренней протяженности
5. это приводит к постепенному увеличению скорости синтеза Солнца, что увеличивает общую выходную мощность Солнца

Поскольку на Землю поступает все больше энергии, наша планета располагает ограниченным количеством механизмов защиты и обратной связи. Как только глобальные средние температуры поднимутся выше 100 ° C (212 ° F), сценарий, который, вероятно, произойдет через 1-2 миллиарда лет, наши океаны испарятся. Во всех смыслах и целях это ознаменует неизбежный конец сложной жизни на Земле.

Чем дальше вы находитесь от источника яркости, тем меньше поток. Яркость обратно пропорциональна расстоянию, как показано здесь.

Энергетическая проблема

Если мы не можем предотвратить нагревание Солнца, то, возможно, перемещение Земли дальше от Солнца могло бы стать окончательным решением. Существует простая и прямая связь между яркостью и расстоянием: каждый раз, когда вы удваиваете расстояние от источника света, яркость, которую вы ощущаете, уменьшается в четыре раза. Это отличная новость: если бы выход солнечной энергии увеличился на 10%, вам нужно было бы мигрировать Землю еще на 4,9% расстояния от Солнца, чтобы поддерживать постоянную энергию, которую мы получаем.

Учитывая, что выход энергии Солнца в настоящее время увеличивается примерно на 10% с каждым проходящим миллиардом лет, это долгосрочная проблема, которую нам придется когда-нибудь решить, если мы хотим, чтобы наша планета оставаться пригодным для жилья. Изменение нашей орбиты на несколько процентов может показаться не особенно важной задачей. В конце концов, Земля вращается вокруг Солнца по эллипсу, при этом наше максимальное сближение с Солнцем приводит нас в пределах 147,1 млн км (91,4 млн миль), а самое дальнее расстояние составляет 152,1 млн км (94,5 млн миль). Разница в полученном излучении составляет около 6,5%, а это означает, что если бы мы могли просто заменить текущую орбиту Земли на такую, которая постоянно удерживает нас на расстоянии афелии, мы бы не давали увеличению энергетического бюджета Земли более 300 миллионов лет.

Хотя орбита Земли претерпевает периодические колебательные изменения в различных временных масштабах, есть также очень небольшие долгосрочные изменения, которые со временем складываются. Хотя изменения формы земной орбиты велики по сравнению с этими долгосрочными изменениями, последние являются кумулятивными и, следовательно, важными.

Но это больше, чем основная задача - это астрономически сложная задача. Причина, по которой Земля вращается вокруг Солнца в своем нынешнем местоположении, заключается в том, что именно здесь наша кинетическая энергия, или энергия движения Земли вокруг Солнца, уравновешивает гравитационную потенциальную энергию на нашем нынешнем расстоянии от Солнца. Если бы нам удалось украсть энергию у Земли, мы бы потеряли энергию, заставив нас двигаться к более похожей на Венеру орбите, но с большей скоростью. Точно так же, если бы мы хотели подняться на более марсианскую орбиту, нам нужно было бы накачивать энергию на Землю, оставляя нам чистую скорость, которая в настоящее время меньше, чем наша сегодняшняя скорость вокруг Солнца.

Концепция несложная, но количество задействованной энергии может показаться решающим. Например, в течение следующих 2 миллиардов лет нам придется увеличить среднее расстояние Земли от Солнца с его текущего значения в 149,6 млн км (93 млн миль) до 164 млн км (102 млн миль), чтобы сохранить воздействующую энергию. наша планета постоянна. Но вспомним, что Земля невероятно массивна: около 6 септиллионов килограммов, или 6 × 10²⁴кг. Чтобы вывести нас на стабильную орбиту, которая была бы намного дальше, нам пришлось бы вложить в нашу планету дополнительно 4,7 × 10^{35 джоулей энергии: эквивалент в 500 000 раз больше совокупной энергии, вырабатываемой человечеством для всех целей вместе взятых, непрерывно в течение 2 миллиардов лет.}

Планеты стабильно движутся по своим орбитам из-за сохранения углового момента. Тем не менее, импульс или толчок может дать нам то желаемое изменение, которое мы желаем, позволив нам, в конце концов, мигрировать на Землю.

Как может помочь подруливающее устройство

И все же, каким бы сложным это ни казалось, это возможно. У нас достаточно энергии, которую мы можем собрать, она исходит непосредственно от самого солнца. Помните, что солнце излучает излучение во всех направлениях, и при нынешнем расстоянии Земля-Солнце каждый квадратный метр площади получает 1500 Вт непрерывной мощности, пока ничто не закрывает его прямой видимости к солнцу. Это 1500 джоулей энергии каждую секунду, и у нас есть два миллиарда лет (или примерно 6 × 10^{16секунд), чтобы:}

• соберите эту энергию
• преобразовать его в тягу
• используйте эту тягу, чтобы изменить импульс и кинетическую энергию Земли

Сбор энергии - одна из самых сложных частей этой задачи. Вот где идея солнечной собирающей батареи в космосе может очень помочь. Для сбора необходимого количества энергии из солнце. Но эта энергия доступна. Что еще более важно, с другой точки зрения, нам нужно использовать «всего» 0,000002% солнечной энергии: большое, но не невозможное количество.

Концепция космической солнечной энергии существует уже давно, но никто никогда не представлял массив размером 5 миллиардов квадратных километров: количество, необходимое для сбора достаточного количества энергии для миграции Земли на достаточно высокую орбиту.

Другой ключ - эффективно использовать эту энергию для подъема орбиты Земли. С точки зрения физики задача была бы одинаковой для любой массы в гравитационном поле: мы должны прикладывать внешнюю силу в течение определенного периода времени, создавая импульс, который вызывает ускорение и изменяет импульс массы. Та же физика, которая работает для запуска ракеты в космос, будет работать и для запуска Земли на более высокую орбиту. Все, что вам нужно сделать, это применить тягу, которая изменит импульс Земли в положительном направлении, и в конечном итоге это унесет нас дальше от Солнца.

Для этого требуется двигатель: своего рода устройство, в котором действие (ускорение Земли) уравновешивается равной и противоположной реакцией (выбросом отработавшего топлива), которое вы используете с пользой. В идеале вы всегда должны направлять свой двигатель так, чтобы он толкал Землю вперед в том направлении, в котором она уже движется. Однако с этим очень сложно справиться на быстро и непрерывно вращающейся планете. Вместо этого лучшей стратегией было бы непрерывно запускать двигатель, ускоряющий планету, при условии, что вы можете собирать, контролировать, транспортировать и преобразовывать эту энергию в полезную работу.

Поскольку Земля вращается вокруг своей оси, любая сила, которую мы прикладываем к поверхности, может значительно изменить вращение нашей планеты. Есть только два места, где этого не произошло бы: северный и южный полюса. Учитывая, что северный полюс находится над океаном, а южный - над сушей, выбор южного полюса - несложное решение.

Почему Южный полюс?

Это буквально причина, по которой вы бы выбрали Южный полюс! Когда весь лед на поверхности Земли растает, обнажится континент Антарктида. Хотя в настоящее время он находится под массивным льдом, огромная масса суши возвышается далеко над океаном; если бы сегодня мы удалили весь лед из Антарктиды, Южный полюс находился бы примерно на высоте 9 000 футов (почти 3 000 метров) над уровнем моря. Установите туда свой массивный двигатель и запускайте его непрерывно, и начнет происходить огромное количество позитивных вещей:

1. Земля начинает ускоряться и будет переведена на более высокую орбиту.
2. Вся тяга будет использована; ничто из этого не будет потрачено впустую, противодействуя текущему направлению движения Земли.
3. Земля будет «поднята» из нынешней плоскости Земля-Солнце, но лишь незначительно. После 2 миллиардов лет тяги мы будем двигаться по орбите всего на несколько градусов от нашей нынешней плоскости.

Но самое главное, поскольку мы увеличиваем нашу кинетическую энергию за счет продолжающегося толчка, это помогает нам вырваться из колодца гравитационного потенциала Солнца. Это перенесет нас на большее орбитальное расстояние и позволит нам медленно уменьшать поток солнечной радиации, падающей на нашу планету.

Сегодня на Земле океанская вода закипает, как правило, только тогда, когда в нее попадает лава или другой перегретый материал. Но в далеком будущем для этого хватит энергии Солнца, причем в глобальном масштабе.

По прошествии тысяч и миллионов лет нам придется бороться с дрейфом континентов. Пока двигатель периодически перемещается так, чтобы он оставался на южном полюсе и был направлен прямо вдоль оси вращения Земли, нам не придется беспокоиться о катастрофическом изменении наклона оси Земли. Это вызывает огромную озабоченность, поскольку общее количество вращательной кинетической энергии, которой обладает наша планета, составляет «всего» 2 × 10^{29джоулей, или менее одной миллионной энергия, которую нам нужно передать на Землю, чтобы вывести нас на более высокую орбиту. Только толкая в соответствии с нашим осевым вращением, мы устраним риск испортить наше планетарное вращение.}

Если подумать, это действительно было бы величайшим геоинженерным подвигом. Мы не говорим об изменении Земли с помощью химических процессов или процессов обратной связи, а скорее с помощью чистой грубой силы. В долгосрочной перспективе метеоритные дожди, с которыми мы сталкиваемся, будут меняться, поскольку наша изменяющаяся орбита уводит нас с пути одних долгоживущих объектов на пути других. Но при правильном технологическом развитии и вложении ресурсов мы могли бы достичь нашей конечной цели - уменьшить количество солнечной радиации, падающей на нашу планету, и предотвратить кипение океанов из-за постоянно растущего производства энергии нашего Солнца.

Поскольку Солнце становится настоящим красным гигантом, сама Земля может быть проглочена или поглощена, но определенно будет поджарена, как никогда раньше. Однако, если мы сможем мигрировать Землю от Солнца до этого, мы не только сможем избежать поглощения, но и жизнь на нашей планете сможет процветать еще миллиарды лет, чем если бы мы просто ничего не делали.

Важно помнить, что существуют некоторые долгосрочные изменения, которые произойдут с нашей планетой независимо от деятельности человека. Солнце будет сжигать свое топливо, его ядро будет расти и нагреваться, а его общий выход энергии увеличится. Это, в свою очередь, увеличит количество радиации, достигающей Земли. Эти изменения будут чрезвычайно медленными, но время жизни таких звезд, как наше Солнце, велико: мы уже получаем примерно на 30 % больше энергии, чем примерно четыре миллиарда лет назад, и эта цифра будет продолжать увеличиваться примерно на 10 % с каждым разом. последующие миллиарды лет.

Мы не можем помешать нашему Солнцу исчерпать водородное топливо и в конечном итоге войти в стадию красного гиганта своей жизни, но мы потенциально можем купить несколько дополнительных миллиардов лет для жизни на нашей планете, мигрировав Землю. от солнца. Это был бы самый грандиозный проект за всю историю нашего мира - возможно, за всю историю Вселенной, насколько нам известно. Это действительно продемонстрирует силу нашего вида, если мы решим его использовать. Солнце вскипятит земные океаны и положит конец жизни на нашей планете, если мы ничего не предпримем, всего через 1-2 миллиарда лет. Но если мы разработаем и внедрим правильную технологию, двигатель Южного полюса может стать буквально единственным, после того как лед растает, который действительно спасет нашу планету.