太阳正在失去质量,每秒约550万吨,为什么地球的轨道不会改变?

原标题:太阳正在失去质量,每秒约550万吨,为什么地球的轨道不会改变?

地球每年绕太阳公转,同时绕其轴心自转。在逐年的基础上,我们的轨道变化是如此微不足道,以至于它们实际上是难以察觉的。然而,我们对宇宙的了解足够广泛,我们的现代仪器足够灵敏,我们会发现一个明显的事实——地球每年都会稍微远离太阳。造成现象的原因是,太阳每秒损失大约 550 万吨质量,或每年大约 174 万亿吨质量。

太阳为地球提供了数十亿年的光,这种光让我们的星球上的生命得以进化和繁荣。那太阳发出的光从何而来?从氢核(从质子开始)到氦 4(有两个质子和两个中子)的核聚变,这发生在释放能量的连锁反应中。每次四个质子融合在一起,最终产生一个氦 4 原子核,就会释放总共 28 MeV(其中一个 MeV 是一百万电子伏特)的能量。

如果我们将其转换为质量——爱因斯坦最著名的方程 E = mc2 允许我们这样做——我们就会知道,由于核聚变,每秒约有 6 亿吨氢转化为氦——因此,太阳每秒损失 400 万吨质量。在我们太阳系的整个生命周期中,由于核聚变,太阳的质量减少了大约 95 个地球质量,或者大约是土星的质量。

但这还不是全部。太阳也会因为太阳风而失去质量。太阳风是一股巨大的亚原子粒子流,从太阳的各个方向吹走。它由各种类型的粒子组成,包括电子、质子,甚至氦核。在太阳强大而复杂的磁场的作用下,这些粒子以每秒几百公里到几千公里的高速被抛入太空。还有太阳耀斑、日冕物质抛射和其他强烈事件会周期性和不规则地发生,进一步导致太阳质量损失。在你阅读这篇文章的时候,太阳风以 452.1 公里/秒的速度吹着——密度是 8.1 质子/厘米^3。

太阳吹出的电子与质子一样多,但由于质子的质量要大得多,我们可以忽略电子——氦只占总数的 4%,所以我们也可以忽略它。使用卫星,物理学家可以直接测量有多少质子在太阳风中飞过地球。在正常的一天,在地球与太阳的距离上,这恰好是每平方厘米每秒大约 3 亿个质子。

请记住,太阳将它们发送到各个方向,而地球轨道的面积估计为惊人的 3 x 10^27 平方厘米。如果速率是每秒 3 x 10^8 个质子,则总数转化为 9 x 10^35 个质子。每个质子的质量为 1.7 x 10^24 克,这意味着,太阳每秒吹散大约 150 万吨物质,所以净损失是每秒550万吨。

然而,太阳实在是太大了。

太阳的质量估计为 1.989 × 10^30 kg。因此,上面计算的损失只是其总质量的一小部分:在其生命周期中,它仅损失了大约 0.05% 的质量。科学家们还计算出,当太阳耗尽所有的氢时,它会损失现在质量的 0.034%。

另外,太阳并不总是“只出不进”。彗星经常落入太阳(探测器已经探测到许多这样的“掠日彗星”)。小行星相互撞击产生的尘埃和彗星进入太阳系内部并释放尘埃,每秒会产生几吨非常细的尘埃颗粒,这些尘埃颗粒会落入太阳。

当然,太阳风的存在不仅会影响太阳的质量和将地球与太阳结合在一起的引力,而且这些粒子中的一小部分也会撞击我们的星球,造成各种影响。这些带电粒子被地球磁场汇集到我们的两极,在那里它们在撞击大气层时会产生极光。一些与我们的星球相撞的粒子可以将大气粒子踢入太空,导致它们完全逃离地球。而且,与地球轨道变化的问题相关,我们还可以让这些太阳风粒子与地球发生非弹性碰撞,从而改变我们的运动、质量以及我们的线性和角动量……

经过一系列的计算得出,地球的轨道半径随着太阳质量的减少而增加,而且它与质量损失呈线性关系。换句话说,如果太阳质量减少 1%,地球轨道的大小就会增加 1%。

太阳每秒损失大约 6 x 10^12 克,质量为 2 x 10^33 克(四舍五入)。所以它每年损失的质量分数约为 10^-13。地球的轨道是 1.5 亿公里,如果将其乘以 10^-13,则大约为 1.5 厘米。这就是地球轨道每年变大的程度,但地球移动一公里需要 65000 年。

假设质量损失是恒定的,在过去的 10 亿年中,地球仅从太阳移出 70000 公里(如果您认为 70,000 公里很多,那么请考虑太阳与地球的距离在近地点和远地点之间相差 500 万公里)。事实上,如果你把太阳系历史上发生的所有微小变化加起来,你会发现我们现在在我们的轨道上比 45 亿年前要远 50000 公里。因此我们可以得出结论,即使在它的整个生命周期中,地球的轨道也没有因为太阳的质量损失而发生太大变化。公平地说,太阳的质量损失在过去可能更高,但即便如此,地球也没有从这个过程中显著移动。

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