Вот два варианта того, как в будущем люди смогут удержать нашу планету в пригодной для жизни зоне
Я бы рискнул предположить, что мы, как вид, очень любим нашу родную планету (несмотря на наши неумеренные выбросы углекислого газа). Но неприятная правда заключается в том, что Земля обречена. Когда-нибудь Солнце войдёт в такую фазу, что жизнь на поверхности Земли станет невозможной, и в итоге планета превратится в грустный, одинокий кусок железа и никеля.
Хорошая новость заключается в том, что если мы действительно приложим к этому все усилия — не волнуйтесь, у нас будут сотни миллионов лет на планирование, — мы сможем сохранить наш родной мир гостеприимным даже после того, как наше Солнце сойдёт с ума.
Пробуждающийся кошмар
Солнце медленно, но неумолимо становится всё ярче, горячее и больше с течением времени. Миллиарды лет назад, когда скопления молекул только начали танцевать вместе и ощущать себя живыми, Солнце было примерно на 20 процентов тусклее, чем сейчас. Даже динозавры знали более слабую и маленькую звезду. И хотя Солнце прошло лишь половину основного этапа своей жизни, связанного с горением водорода, и до начала его предсмертных мук осталось 4 миллиарда с лишним лет, своеобразное сочетание температуры и яркости, делающее возможной жизнь на этом маленьком мире, исчезнет всего через несколько сотен миллионов лет. С астрономической точки зрения, это всего лишь миг.
Солнце сеет семена своей собственной гибели благодаря базовой физике своего существования. В этот самый момент наша звезда ежесекундно пережёвывает около 600 миллионов тонн водорода, сжимая атомы в ядерном аду, температура которого достигает более 15 млн градусов Цельсия. Из этих 600 миллионов тонн 4 миллиона преобразуются в энергию — этого достаточно, чтобы осветить всю Солнечную систему.
Однако реакция термоядерного синтеза не является идеально чистой. В результате ядерных пожаров остаётся побочный продукт — гелий. Этому гелию некуда деваться, поскольку глубокие конвекционные циклы, постоянно перемешивающие материал внутри Солнца, не доходят до ядра, где образуется гелий. Поэтому гелий сидит там, инертный, безжизненный, бесполезный, засоряя «машину».
В настоящее время в ядре Солнца нет высоких температур и давлений, способных синтезировать из гелия следующие элементы таблицы Менделеева. Поэтому гелий мешает работе Солнца, увеличивая общую массу ядра и не давая ему ничего другого для синтеза. К счастью, Солнце легко может компенсировать это, и компенсация достигается с помощью физики, известной как гидростатическое равновесие.
Солнце находится в постоянном равновесии, живя на острие ядерного ножа. С одной стороны — энергия, высвобождаемая в процессе синтеза, которая, если её не контролировать, может привести к взрыву — или, по крайней мере, к расширению Солнца. Противостоит этому огромное гравитационное давление самой звезды, сжимающее её со всей силой, на которую способны 1027 тонн водорода и гелия. Если бы эту силу ничто не сдерживало, собственная гравитация Солнца превратила бы нашу звезду в чёрную дыру размером не больше среднего города.
Что же происходит, когда неостановимая сила встречается с непреодолимым давлением? Грациозное равновесие — и звезда, способная жить миллиарды лет. Если по какой-то причине температура в ядерном аду случайно повысится, это приведёт к нагреву остальной части звезды и раздуванию её внешних слоёв, ослабляя гравитационное давление и замедляя ядерные реакции. А если бы Солнце внезапно сжалось, то большее количество вещества устремилось бы в ядро, где оно приняло бы участие в пьянящем ядерном танце, а высвобождающаяся в результате этого энергия вновь раздула бы звезду до нормальных пропорций.
Но присутствие гелиевого пепла, этого ядерного мусора, нарушает этот баланс, вытесняя водород, который в противном случае мог бы сгореть. Солнце не может не сжиматься внутрь — гравитация бескомпромиссна и безразлична. И когда это происходит, ядерные реакции в ядре усиливаются, повышая его температуру, что, в свою очередь, заставляет поверхность Солнца набухать и светлеть.
Медленно, медленно, медленно, по мере накопления гелия в ядре Солнца (или любой другой звезды подобной массы), оно расширяется и становится ярче. Трудно предсказать, когда именно это усиление яркости приведёт к катастрофе для нашей планеты — это зависит от сложного взаимодействия радиации, атмосферы и океанов. Но, по общим оценкам, у нас осталось примерно 500 миллионов лет до того, как жизнь станет практически невозможной.
Разогрев Солнца приведёт к повышению температуры поверхности Земли. При повышении температуры океаны будут испаряться. Поскольку водяной пар является отличным парниковым газом, увеличение его количества в атмосфере приведёт к ещё большему повышению температуры поверхности. Повышение температуры заставит океаны испаряться ещё больше, что приведёт к запуску цикла, в результате которого вся вода, которой на Земле предостаточно, быстро окажется в атмосфере.
Без воды, смазывающей тектоническую активность, наши плиты остановятся. Без тектонической активности, вытягивающей углерод из атмосферы, наш воздух станет удушливо густым. Через сто миллионов лет мы превратимся в двойника Венеры, которую постигла аналогичная участь миллиарды лет назад — два мира, погибших от рук своего звёздного родителя.
Планетарная корректировка
«Зона обитаемости» — это область вокруг звёзды, где температура, по крайней мере, в принципе может поддерживать жидкую воду на поверхности планеты. Вблизи звёзды температура слишком высока, и, если не произойдёт каких-либо экзотических атмосферных превращений, вода будет вытеснена в парообразную форму. За пределами этого диапазона просто слишком холодно.
В настоящее время Земля находится примерно в середине обитаемой зоны Солнца, Венера — на её внутреннем краю, а Марс — почти за её пределами. Однако по мере старения Солнца его растущая яркость будет смещать зону всё дальше вглубь Солнечной системы.
Если мы хотим, чтобы Земля пережила грядущие эпохи, нам придётся её переместить.
Переместить целую планету, как вы понимаете, не так-то просто. Но, к счастью, в этот раз баланс астрономических временных шкал на нашей стороне. Нам не нужно перемещать Землю сегодня; у нас есть сотни миллионов лет, чтобы спланировать наш сдвиг. И для этого мы можем использовать ту же силу, которая удерживает планеты на орбите вокруг Солнца: гравитацию.
Наша первая задача — найти источник энергии. Поднятие орбиты Земли потребует огромного количества энергии, и физика здесь столь же чиста, сколь и жестока: эта энергия должна откуда-то взяться. К счастью, мы можем использовать Юпитер. Поскольку он в 318 раз массивнее Земли, его простое движение по небосводу обеспечивает его огромным количеством кинетической энергии. Конечно, он не будет возражать, если мы позаимствуем немного для себя.
Для того чтобы доставить энергию от Юпитера к Земле, потребуется немного орбитальной возни. Чтобы представить себе, что нам придётся делать, представьте, что вы стоите на вагонетке на железнодорожных путях, а навстречу вам несётся поезд. Вы не можете сойти с рельсов (потому что тогда эта метафора была бы невесёлой), поэтому ваш единственный шанс на выживание — ехать по крайней мере так же быстро, как поезд. Конечно, если вы просто позволите поезду врезаться в вас, вы сравняетесь с ним по скорости, но, вероятно, не так, как вы надеялись.
Вместо этого вы достаёте из кармана прочный надувной мяч. Давайте представим (опять же, чтобы метафора сработала), что это идеальный и несокрушимый надувной мяч. Вы запускаете мяч во встречный поезд. Он отскакивает от поезда. Вы ловите его и начинаете катиться вперёд, совсем чуть-чуть. Повторяя упражнение, вы обнаруживаете, что благодаря простому сохранению импульса вам удаётся украсть часть энергии поезда и отдать её себе и своей катящейся платформе. Поезд этого почти не замечает — это же поезд, в конце концов, — но вы-то точно замечаете. Если вы будете достаточно быстро возвращать и отдавать энергию, то обнаружите, что движетесь по рельсам, избежав катастрофы.
Если вернуться к ситуации с Землёй и Юпитером, то метафора работает в том смысле, что мы, конечно, не хотим, чтобы Юпитер врезался в нашу планету. Но метафора не работает в том смысле, что межпланетные надувные мячи — не самый подходящий для работы вариант. Поэтому вместо этого нам придётся прибегнуть к помощи астероидов. Мы можем отправить их на длинные орбиты вокруг Юпитера, используя их гравитационное взаимодействие для ускорения астероида в обмен на небольшое замедление движения гигантской планеты. Затем мы можем вернуть астероид на Землю, закрутив его в обратном направлении, замедлив его и придав нам ускорение.
Разница от одного пролёта будет едва ощутимой. Не похоже, что случайные плавающие в космосе камни могут нести с собой достаточно кинетической энергии. Нам просто придётся повторять похожие действия в течение сотен миллионов лет, подталкивая Землю на всё более высокие орбиты, чтобы спастись от всё более свирепого Солнца. Если нашим потомкам это удастся, то наша планета останется в безопасной полосе обитаемой зоны.
Звёздная корректировка
Если перестройка планет — не ваш конёк, но у вас есть возможности для реализации мегаинженерных проектов, у меня есть для вас другое решение.
Главная проблема Солнца заключается в том, что гелий является естественным побочным продуктом процесса синтеза водорода, который питает нашу звезду. Скорость синтеза водорода зависит от общей массы Солнца: большие звёзды сгорают быстрее, а маленькие — медленнее. Поэтому, если мы хотим ограничить производство гелия, нам нужно замедлить реакции синтеза. Самым простым способом сделать это было бы уменьшение общей массы Солнца.
К счастью, Солнце уже делает это за нас, просто недостаточно быстро. Поверхность Солнца постоянно испускает нескончаемый поток крошечных заряженных частиц, создавая то, что мы называем солнечным ветром. В масштабах человечества количество массы, теряемой Солнцем в результате солнечного ветра, просто невероятно: примерно 1-2 миллиона метрических тонн в секунду. Весь этот поток в сумме выбрасывает массу, сравнимую с земной, каждые 150 миллионов лет.
Нам придётся немного увеличить этот показатель.
Один из способов сделать это — просто нагреть поверхность Солнца с помощью лазеров, пучков частиц, сильных магнитных полей или любого другого механизма, который выберут наши потомки. Нагрев поверхности увеличит количество солнечного ветра, что повысит скорость потери солнечной массы. Но высокоэнергетические частицы, вылетающие из Солнца, в целом непродуктивны, когда речь идёт о сохранении Земли пригодной для жизни, поэтому следующая задача — направить эти частицы в безопасное место.
Один из способов сделать это — создать серию станций-ускорителей частиц на орбите вокруг экватора Солнца. Они будут постоянно обмениваться заряженными частицами, создавая кольцо тока в поясе Солнца. Это кольцо тока создаст тороидальное (или, для более гомерических физиков, пончикообразное) магнитное поле, которое вольёт усиленный солнечный ветер в полярные потоки, выходящие вдоль оси вращения Солнца и безопасно удаляющиеся от любых планет.
Это тороидальное магнитное поле также можно использовать для сжатия звезды методом, известным — и я не шучу — как техника «хаф-н-паф». Сначала вы выключаете станции, позволяя им падать внутрь по направлению к Солнцу. Затем вы включаете их, позволяя магнитному полю приостановить, а затем обратить вспять их падение. Сближенное магнитное поле давит на экватор Солнца, заставляя частицы выбрасываться с полюсов.
Если наши потомки окажутся действительно трудолюбивыми, они смогут ловить вырвавшийся наружу солнечный ветер и использовать его в других целях, например, в системах термоядерных реакторов для питания всего предприятия. А если они окажутся действительно творческими людьми, то смогут просто направить потоки солнечного ветра в одну сторону, используя их в качестве ракеты на солнечной энергии, чтобы подтолкнуть всю нашу Солнечную систему к новым местам в пределах Млечного Пути или даже за пределы галактики.
Конечно, такая техника «подъёма звезды» делает Солнце менее ярким: при меньшей массе термоядерные реакции идут медленее, что снижает интенсивность и размер нашей звезды. В результате зона обитаемости сместится внутрь. Сначала мы этого не заметим, потому что наши действия будут противодействовать естественной тенденции к смещению зоны обитаемости наружу. Но в конце концов, когда Солнце потеряет более 10-20 процентов своей массы (математика немного неточна, поскольку зависит от того, сколько времени займёт эта процедура высасывания), мы будем вынуждены переместить Землю внутрь.
Но мы получим звезду меньшего размера, а маленькие звёзды живут гораздо дольше. Самые маленькие красные карлики с массой, едва превышающей десятую часть массы Солнца, могут гореть триллионы лет. Но у них и темперамент оказывается более буйным. С их меньшей массой они более подвержены яростным вспышкам, в результате которых их светимость может удваиваться. Если наши далёкие потомки решат пойти по пути модификации Солнца, чтобы увеличить его продолжительность жизни, им, конечно, придётся потрудиться, чтобы защитить хрупкую Землю.
Но несмотря ни на что, если человечество переживёт все эти миллиарды лет, мы, скорее всего, станем межпланетным, а то и межзвёздным видом. Тогда не будет особой необходимости спасать Землю таким образом. Возможно, наши далёкие будущие потомки всё же приведут план в действие в знак благоговения перед миром, который их породил. Возможно, это будет вызвано необходимостью, поскольку ни один другой мир не будет настолько пригоден для жизни, как Земля. Возможно, это будет художественный проект, шанс создать красоту и чудо в межпланетном масштабе, прежде чем в ядре Солнца погаснет огонь термоядерного синтеза и оно испустит свой последний вздох — последнюю главу истории, в которой миллиарды лет жизни в этой Солнечной системе подходят к концу.
