地科前沿论文二太阳的寿命.docx

太阳的寿命
姓名：杨帆 学号：1500012624 学院：地球与空间科学学院
对人来说，太阳一直是遥远，神秘而又重要的存在。英语中的“the sun”，希腊语中中的“Helios”，拉丁语中的“Sol”，甲骨文中的圆加一点，一切的一切都证明，在很远古的时候，人类的祖先已经将目光投向了这颗亮亮的恒星。太阳身处太阳系的中心，是由热等离子体与磁场交织的一个理想球体，她释放的热量至今仍是地球上最重要的能量来源，支撑着地球上数以亿记的生命。她庞大而又优雅，直径是地球的109倍，大约是1,392,000公里;质量是地球的330000倍，质量大约是2×10^30千克，据计算，占据了太阳系99.86%的质量。其中，氢的质量占据了太阳总质量的四分之三，剩下的大部分是氦，还有少量的原子序数稍微大一些儿的氧，碳，氮，铁等。
然而在茫茫宇宙中，太阳只是一颗非常普通的恒星，宇宙中的任何一颗恒星的质量都要大于太阳，太阳风仅仅只能延伸到100天文单位远的日球层顶。这个太阳风形成的“气泡”称为太阳圈，是太阳系中最大的连续结构。
太阳的自转不能以云层或海洋为依据，太阳自转也不能仅看表面，人们无法知道其内部情况，所以无法知道太阳自转数据。人们只看到太阳是流体星球，其它都是暂时推测。
太阳绕银河系中心公转。银河系中心可能有巨大黑洞，周围布满了恒星，所以看上去象“银盘”。这些恒星都绕“银核”公转。与地球公转不同，这些恒星公转每绕一周离“银核”会更近。
（一）太阳的生命历程
然而，即使是如此伟大的太阳母亲，也无可避免地正在走向灭亡。
地壳中最古老岩石的年龄经放射衰变方法鉴定为略小于40亿岁。用同样的方法鉴定月球最古老岩石样品年龄大致从41亿岁直到最古老月岩样品的45亿岁，有些陨星样品也超过了40亿岁。综合这些证据得出太阳系大约是50亿岁。
最新研究成果认为：太阳是在大约45.7亿年前在一个坍缩的氢分子云内形成。太阳形成的时间以两种方法测量：太阳目前在主序带上的年龄，使用恒星演化和太初核合成的电脑模型确认，大约就是45.7亿年。这与放射性定年法得到的太阳最古老的物质是45.67亿年非常的吻合。
恒星也有自己的生命史，它们从诞生、成长到衰老，最终走向死亡。它们大小不同，色彩各异，演化的历程也不尽相同。恒星与生命的联系不仅表现在它提供了光和热。实际上构成行星和生命物质的重原子就是在某些恒星生命结束时发生的爆发过程中创造出来的。
太阳在其主序的演化阶段已经到了中年期，在这个阶段的核聚变是在核心将氢聚变成氦。每秒中有超过400万吨的物质在太阳的核心转化成能量，产生中微子和太阳辐射。以这个速率，到目前为止，太阳大约转化了100个地球质量的物质成为能量，太阳在主序带上耗费的时间总共大约为100亿年。这颗新生的恒星沿着距银河系中心约27000光年的近乎圆形轨道运行。太阳在其主序星阶段已经到了中年期，在这个阶段它核心内部发生的恒星核合成反应将氢聚变为氦。在太阳的核心，每秒能将超过400万吨物质转化为能量，生成中微子和太阳辐射。以这个速度，太阳至今已经将大约100个地球质量的物质转化成了能量。太阳作为主序星的时间大约持续100亿年左右。
太阳没有足够的质量爆发成为超新星，替代的是，在约50亿年后它将进入红巨星的阶段，氦核心为抵抗引力而收缩，同时变热；紧挨核心的氢包层因温度上升而加速聚变，结果产生的热量持续增加，传导到外层，使其向外膨胀。当核心的温度达到1亿K时，氦聚变将开始进行并燃烧生成碳。由于此时的氦核心已经相当于一个小型“白矮星”（电子简并态），热失控的氦聚变将导致氦闪，释放的巨大能量使太阳核心大幅度膨胀，解除了电子简并态，然后核心剩余的氦进行稳定的聚变。从外部看，太阳将如新星般突然增亮5～10个星等（相比于此前的“红巨星”阶段），接着体积大幅度缩小，变得比原先的红巨星暗淡得多（但仍将比现在的太阳亮），直到核心的碳逐步累积，再次进入核心收缩、外层膨胀阶段。这就是渐近巨星分支阶段。
地球的命运是不确定的，当太阳成为红巨星时，其半径大约会是现在的200倍，表面可能将膨胀至地球现在的轨道——1 AU（1.5×1011米）。然而，当太阳成为渐近巨星分支的恒星时，由于恒星风的作用，它大约已经流失30%的质量，所以地球的轨道会向外移动。如果只是这样，地球或许可以幸免，但新的研究认为地球可能会因为潮汐的相互作用而被太阳吞噬掉。但即使地球能逃推被太阳焚毁的命运，地球上的水仍然都会沸腾，大部分的气体都会逃逸入太空。即使太阳仍在主序带的现阶段，太阳的光度仍然在缓慢的增加（每10亿年约增加10%），表面的温度也缓缓的提升。太阳过去的光度比较暗淡，这可能是生命在10亿年前才出现在陆地上的原因。太阳的温度若依照这样的速率增加，在未来的10亿年，地球可能会变得太热，使水不再能以液态存在于地球表面，而使地球上所有的生物趋于灭绝。
继红巨星阶段之后，激烈的热脉动将导致太阳外层的气体逃逸，形成行星状星云。在外层被剥离后，唯一留存下来的就是恒星炙热的核心——白矮星，并在数十亿年中逐渐冷却和黯淡。这是低质量与中质量恒星演化的典型。
（二）太阳的寿命的计算
太阳的寿命理应指它从诞生到死亡的时间长度，一则因为它在主序星阶段时间最长更重要的是，当它从主序星过渡到红巨星时，它的直径会增大上百倍，表面温度虽会从目前的570度下降到400度左右, 但辐射会因表面积的急剧增大而增大到2千倍以上，此时地球上的人和所有生命再无法存活下去。因此，我们不妨狭义地说太阳的寿命指它在主星序上停留的时间。
至于恒星在主星序上停留的时间应由其燃烧的氢的数量决定。一氢核的聚变反应只发生在恒星中心，反应产物是暂时稳定不再产能的氦,并形成一个同温的氦核，氦核周围是正在进行反应并产能的氢的壳层。随着氢的燃烧，氢壳逐渐向外推移，氦核也逐渐扩大，直到氦核质量达到恒星总质量的10%-15%时，中心同温氦核再也无法抵抗星体的自吸引，氦核会发生猛烈坍缩。坍缩时所释放的引力能，一部分使氦核自身加温，另一部分转移到外部使恒星外壳急剧膨胀，体积骤增，表面温度则会因膨胀而有所下降，但恒星的光度(总的辐射功率)却会大幅度增加，此时的恒星已开始演化为红巨星。
现在的问题是太阳大气一中的氢的含量(丰度)是多少。根据太阳宇宙线及太阳大气外层的发射线测量结果，氢和氦的原子数之比是16:1，因此它们的质量比是4:1，又从光谱分析可知重元素与氢的相对丰度是0.019，于是可计算出太阳中氢的质量百分比(丰度) 是78.8%。太阳的总质量是1.989 x 10^-30千克，氢燃烧10% 的质量数是1.567 x 10^-29千克，折合成原子数是0.963 x10^56个，而4个氢聚变为1 个氦释放26.7兆电子伏则释放的总能量应是W=6.25 x 10^62电子伏特= 1.04 x10^44焦。进一步由太阳的光度（经计算得，太阳的光度为3.83 x10^26焦每秒）可知此能量维持的时间是86亿年。
（三）太阳系的可能命运
太阳最后可能成为黑矮星。原因是：木星是太阳系中体积最大的一颗行星，它的体积是地球的1300多倍，质量也大得惊人，大约是其他日颗行星质量总和的2.5倍，而且木星还有61颗卫星。因此，木星素来有太阳系“老大哥”的称号。然而，这位“老大哥”个子虽大，却非常软弱无力，其平均密度还不及地球平均密度的1/4，平均每立方厘米的物质仅重1.33克，只比地球上的水稍重一点点。这无异于是在告诉我们，木星是颗液态的星球。实际上，木星也的确没有地球陆地那样的固体表面。其表面是液态氢形成的“海洋”。因此，人类如果能够登陆木星，那么他们在木星上是站不住脚的，他们只能像鱼儿一样游动着前进，或者可以把宇宙飞船建成水中的船舶一样，然后手握着船桨在木星上荡漾。木星上的氢气之所以会变成液态的形式，那是由于木星自身重量和体积太大的缘故。木星是颗特殊的行星，这不仅因为它个大且沉的缘故，还因为它具备了恒星的某些特征。首先，木星表面的温度为-148℃，而根据木星从太阳那里获得的能量计算，木星表面的温度应该只有-168℃才对，那么中间20℃的温差怎样解释呢？不仅如此，我国天文学家经过长期的研究发现，几千年来，太阳系的亮度正在呈现减弱的趋势，而木星却相反，它的亮度每年竟然会增加2%，这种反其道而行之的现象说明了什么呢？难道木星内部存在热源？如果木星内部存在热源的话，那么木星在吸收且反射太阳能量的同时自身还要向外辐射热量。为了证明这一点，科学家们进行了深入的研究，结果发现木星释放的能量是它从太阳那里所获得能量的两倍，这就说明其中的能量有一半来自于木星内部，只有这样，才能合理解释木星能量收支不平衡的状况。 行星是无法自己发光发热的，那么发光发热的木星又怎么会归属于行星呢？所以很多科学家认为，木星并不是严格意义上的行星，他们相信，未来的木星将会演变成真正的恒星。木星是由液态氢和一些氦气所构成，它同太阳有着类似的大气成分。虽然木星目前的体积和质量分别只及太阳的0.1%，但科学家们指出，木星凭借自身巨大的引力，它正在吸收大量的星际气体和尘埃。木星的质量必将朝着越来越大的方向发展。而一旦木星质量比现在再大80倍，它内部的物质就会发生热核反应。况且，木星还在不断吸收太阳的热量，长此以往，木星的能量将会越来越大，越来越热且亮。这样，30亿年后，当太阳临近它的暮年之时，木星就能一跃成为恒星，从而取代太阳的地位。最终木星会像太阳那样“木”光普照大地。当太阳脱掉外壳时，木星的质量已是现在的2.5倍，有足够的引力把太阳的外壳俘获。木星逐渐吸收了太阳的外壳，成为了一颗“太阳”（标准恒星）。
这是一个美好的设想，旧太阳陨落，新太阳诞生。
古人说，杞人忧天。但是只有更好地预测这些现象，人类才能做好准备。在地球，太阳的寿命到来之前，做好准备。
《参考资料》部分来自维基百科
《如何计算太阳的寿命》，石国通，2006。
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