كتب solar system evolution

يستند توليد الطاقة الشمسية على اندماج نووي حراري من الهيدروجين إلى الهليوم. يحدث هذا في منطقة قلب النجم باستخدام عملية تفاعل سلسلة ( بروتون-بروتون). لأنه لا يوجد انتقال للحرارة في نواة الشمس، تركيز غاز الهليوم يتراكم في تلك المنطقة دون أن توزع في جميع أنحاء النجوم. درجة الحرارة في قلب الشمس منخفضة جدا للاندماج النووي لذرات الهيليوم خلال عملية ألفا الثلاثي، لذلك هذه الذرات لا تساهم في توليد الطاقة الصافية المطلوبة للحفاظ على التوازن الهيدروستاتيكي للشمس.

في الوقت الحاضر، قد تم استهلاك ما يقرب من نصف الهيدروجين المتواجد في جوهر الشمس ، مع ما تبقى من الذرات المكونة أساسا من الهيليوم. حيث بلغ عدد ذرات الهيدروجين وفقا لانخفاض الكتلة، فكذلك أيضا يحدث إنتاج للطاقة عن طريق الاندماج النووي. هذا يؤدي إلى انخفاض في ضغط الدعم، والذي يجعل القلب يتعاقد حتى زيادة الكثافة ودرجة الحرارة والذي يرفع الضغط الخاص بقلب الشمس في توازن أعلى مع الطبقات. يؤدي ارتفاع درجة حرارة الهيدروجين المتبقية للخضوع الانصهار بمعدل أسرع، وبالتالي توليد الطاقة اللازمة للحفاظ على التوازن. كانت الزيادة مطردة في إنتاج الطاقة الشمسية هي بمثابة ناتج لهذه العملية. عندما أصبحت الشمس لأول مرة سلسلة النجم الرئيسية، فإنه أشعت 70٪ فقط من اللمعان الحالي. ازداد اللمعان بطريقة خطية تقريبا حتى وقتنا الحاضر، حيث ترتفع بنسبة 1٪ كل 110 مليون سنة. وبالمثل، في ثلاثة بلايين سنة ومن المتوقع أن تكون الشمس مضيئة أكثر بنسبة 33٪، وأخيرا يتم استنفاد وقود الهيدروجين في الصميم بعد خمسة مليارات سنة، عندها ستكون الشمس أكثر إضاءة بنسبة 67٪ مما هو عليه الآن. بعد ذلك ستواصل الشمس حرق الهيدروجين في القذيفة المحيطة بجوهرها، حتى تصل الزيادة في نسبة لمعانها إلى 121٪ من القيمة الحالية. هذا يمثل نهاية تسلسل العمر الرئيسي للشمس ، وبعد ذلك سوف تمر من خلال مرحلة التضخم وتتطور لتصبح عملاقا أحمر.

وبحلول هذا الوقت، وينبغي أن يكون جاري اصطدام مجرة درب التبانة بالمجرات الأخرى المتسلسلة. على الرغم من أن هذا يمكن أن يؤدي إلى طرد النظام الشمسي خارج المجرة المتضامنة حديثا ، ويعتبر أنه من غير المحتمل أن يكون له أي تأثير سلبي على الشمس أو الكواكب.

تأثير المناخ

إن معدل سرعة تجوية معادن السيليكات ستزيد عن سرعة ارتفاع درجات حرارة بنفس السرعة التي تزيد بها درجات حرارة العمليات الكيميائية. وهذا بدوره سوف يقلل من مستوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، وستحول عمليات التجوية غاز ثاني أكسيد الكربون إلى كربونات صلبة. ضمن ال 600 مليون سنة القادمة ، وتركيز ثاني أكسيد الكربون سوف ينخفض إلى ما دون الدرجة الحرجة اللازمة للحفاظ علىC3 الضوئي: حوالي 50 جزء لكل مليون. في هذه المرحلة، الأشجار والغابات في أشكالها الحالية لن تعد قادرة على البقاء على قيد الحياة، ستكون آخرالأشجار الحية هي الصنوبريات دائمة الخضرة. ومع ذلك، يمكن لC4 تثبيت الكربون المستمر بتركيزات أقل من ذلك بكثير، وصولا إلى أكثر من 10 جزء من المليون.هكذا قد تكون المصانع التي تستخدم C4 الضوئي قادرة على البقاء على قيد الحياة 800 مليون سنة على الأقل، وربما قد تصل المدة إلى 1.2 مليار سنة من الآن، وبعد ارتفاع درجات الحرارة لن يستطيع الغلاف الحيوي تحملها. حاليا، النباتات التي تحيا بC4 تمثل حوالي 5٪ من الكتلة الحيوية النباتية الأرض و 1٪ من الأنواع النباتية المعروفة. على سبيل المثال، حوالي 50٪ من جميع أنواع الأعشاب (النجيلية) تميل إلى استخدام مسار C4 الضوئي، كما يفعل العديد من الأنواع في الأسرة العشبية القطيفية.

عندما يحدث سقوط لمستويات ثاني أكسيد الكربون إلى الحد حيث يكون التمثيل الضوئي بالكاد مستدام، ومن المتوقع أن تتذبذب صعودا وهبوطا في نسبة ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. وهذا سوف يسمح للنباتات البرية بأن تزدهر في كل مرة يرتفع فيها مستوى ثاني أكسيد الكربون بسبب النشاط التكتوني والحياة الحيوانية. ومع ذلك، فإن الاتجاه على المدى الطويل هو أن الحياة النباتية على الأرض ستنتهي تماما حيث أن معظم الكربون المتبقي في الغلاف الجوي يصبح محتجزا في الأرض. بعض الميكروبات قادرة على التمثيل الضوئي باستخدام تركيزات ثاني أكسيد الكربون. من بضعة أجزاء لكل مليون، فإن أشكال الحياة ربما تختفي فقط بسبب ارتفاع درجات الحرارة وفقدان الغلاف الحيوي.

هذا بالنسبة للنباتات، أما الحيوانات فيمكنها البقاء على قيد الحياة أطول عن طريق تطوير استراتيجيات أخرى قد تتطلب قدرا أقل من ثاني أكسيد الكربون لعمليات التمثيل الضوئي، لتصبح آكلة اللحوم، لتتكيف مع الجفاف، أوترتبط مع الفطريات. وهذه التعديلات من المرجح أن تظهر بالقرب من بداية الاحتباس الحراري الرطب .

فقدان الحياة النباتية يؤدي أيضا إلى فقدان في نهاية المطاف من الأوكسجين وكذلك الأوزون بسبب تنفس الحيوانات، التفاعلات الكيميائية في الغلاف الجوي، والثورات البركانية، وهذا يعني تخفيف أقل من الأشعة فوق البنفسجية الضارة للحمض النووي، وكذلك كما تحدث وفاة الحيوانات. أول الحيوانات ستختفي ستكون الثدييات الكبيرة، تليها الثدييات الصغيرة والطيور والبرمائيات والأسماك الكبيرة والزواحف والأسماك الصغيرة، وأخيرا اللافقاريات. قبل أن يحدث ذلك فمن المتوقع أن الحياة ستتركز على على اماكن اللجوء إلى درجات حرارة منخفضة مثل الارتفاعات العالية حيث تقل مساحة الأرض المتاحة، وبالتالي تقييد أحجام السكان.إن الحيوانات الصغيرة التي ستظل باقية على قيد الحياة أفضل من تلك الأكبر بسبب متطلبات الأكسجين الأقل، في حين أن الطيور سوف تحقق نتائج أفضل من الثدييات وذلك بفضل قدرتها على السفر لمسافات كبيرة بحثا عن درجات حرارة أقل.

يقول الكتاب( بيتر إدوارد) و(دونالد براونلي) عن عملهم بخصوص الحياة والموت لكوكب الأرض أن بعض أشكال الحياة الحيوانية قد تستمر حتى بعد أن أكثر الأنواع من الحياة النباتية على الأرض قد تختفى. ( وارد وبراونلي) استخدموا الأدلة الأحفورية من السجيل بورغيس في كولومبيا البريطانية، كندا، لتحديد مناخ الانفجار الكمبري، واستخدامها للتنبؤ بالمناخ في المستقبل عندما ترتفع درجات الحرارة العالمية الناجمة عن سخونة الشمس وانخفاض مستويات الأكسجين ستؤدي إلى الانقراض النهائي من الحياة الحيوانية. في البداية، إنهم يتوقعون أن بعض الحشرات والسحالي والطيور والثدييات الصغيرة قد تستمر في البقاء على قيد الحياة ، جنبا إلى جنب مع الحياة البحرية. ومع ذلك، من دون تجديد الأكسجين للحياة النباتية، إلا أنهم يعتقدون أن الحيوانات ربما تموت اختناقا في غضون بضعة ملايين من السنين. حتى لو كان ما يكفي من الأوكسجين للبقاء في الغلاف الجوي من خلال استمرار شكل ما من أشكال التمثيل الضوئي، فإن الارتفاع المطرد في درجات الحرارة العالمية سيؤدي إلى فقدان تدريجي للتنوع البيولوجي.

مع استمرار درجات الحرارة في الارتفاع، سوف يتم استرجاع الحياة الحيوانية عند القطبين، وربما تحت الأرض. فإنها ستصبح نشطة في المقام الأول خلال الليل القطبي، وستقوم بالبيات الصيفي خلال النهار القطبي بسبب الحرارة الشديدة. إن كثيرا من مساحة السطح ستصبح صحراء قاحلة ويُحتمل في المقام الأول أن توجد حياة في المحيطات. مع ذلك، سيرجع هذا إلى الانخفاض في الكمية أو المواد العضوية القادمة للمحيطات من الأرض وكذلك الأكسجين في الماء، الحياة ستختفي هناك أيضا بعد مسار مماثل لتلك التي على سطح الأرض. ومن شأن هذه العملية أن تبدأ مع فقدان أنواع المياه العذبة وتختتم باللافقاريات، ولا سيما تلك التي لا تعتمد على النباتات مثل النمل الأبيض أو تلك الفتحات الحرارية المائية القريبة مثل الديدان من جنس (ريفيتيا) الحية. ونتيجة لهذه العمليات، ستكون أشكال الحياة متعددة الخلايا قد انقرضت بعد حوالي 800 مليون سنة، وحقيقيات النوى ستنقرض بعد 1.3 مليار سنة، تاركة فقط بدائيات النوى.

فقدان المحيطات

بعد مليار سنة من الآن، سيكون قد تم اندساس حوالي 27٪ من المحيط الحديث خلال مرحلة انتقال الحرارة. إذا سمح لهذه العملية أن تستمر دون انقطاع، فإنه ستصل إلى حالة التوازن حيث 65٪ من خزان السطح الحالي سيبقى على السطح. وبمجرد أن سطوع الشمس أعلى 10٪ من قيمته الحالية، فإن متوسط درجة الحرارة السطحية العالمية سترتفع إلى 320 K (47 درجة مئوية، 116 درجة فهرنهايت). ستنتشر رطوبة الاحتباس الحراري بالغلاف الجو مما سيؤدي إلى حدوث احتباس حراري رطب للمحيطات. في هذه المرحلة، ونماذج من بيئة الأرض في المستقبل ستدل على أن طبقة الستراتوسفير ستحتوي على مستويات متزايدة من المياه. وسيتم تقسيم جزيئات الماء إلى الأسفل من خلال الانحلال الضوئي بواسطة الأشعة فوق البنفسجية الشمسية، مما سيتيح للهيدروجين الهروب من الغلاف الجوي. وستكون النتيجة النهائية متلخصة في فقدان مياه البحر في العالم بنحو (1.1) بليون سنة من الوقت الحاضر. وستكون هذه خطوة درامية بسيطة في إبادة جميع أشكال الحياة على الأرض.

سيكون هناك شكلان من هذه الملاحظات للاحتباس في المستقبل: "رطوبة الاحتباس الحراري " ستهيمن على بخار الماء في الغلاف الجوي بينما يبدأ بخار الماء بالتراكم في طبقة الستراتوسفير (إذا المحيطات تبخرت بسرعة جدا)، و "الاحتباس الحراري هارب" حيث سيصبح بخار الماء والعنصر الغالب من الغلاف الجوي (إذا المحيطات تتبخر ببطء شديد). ستخضع الأرض للاحتباس الحراري السريع الذي يمكن أن يرسل درجة حرارة سطحه إلى أكثر من 900 درجة مئوية (1650 درجة فهرنهايت)، والجو سيكون طغت تماما من بخار الماء، مما سيتسبب في ذوبان سطحه بالكامل وقتل كل أشكال الحياة، وربما في حوالي ثلاثة مليارات سنة . في هذا العصر الخالي من المحيطات، سوف تستمر هناك لتكون الخزانات السطحية كما هو الماء الناتج بشكل مطرد من القشرة العميقة وانتقال الحرارة، حيث تشير التقديرات إلى وجود كمية من المياه تعادل عدة مرات ما هو موجود حاليا في محيطات الأرض . يمكن الاحتفاظ ببعض الماء في القطبين، وربما تكون هناك عواصف ممطرة في بعض الأحيان، ولكن بالنسبة للجزء الأكبر الكوكب ستغطي الظاهرة الصحراوية الجافة على مساحات كبيرة من خط الاستواء، وعدد قليل من المسطحات المالحة على ما كان مرة واحدة في قاع المحيط، على غرار تلك الموجودة في صحراء أتاكاما في تشيلي.

ومع عدم وجود الماء لتتلين لهم، من المرجح جدا أن تتوقف الصفائح التكتونية وأبرز علامات النشاط الجيولوجي ستظهر عندالبراكين التي تقع فوق النقاط الساخنة لانتقال الحرارة. في هذه الظروف القاحلة قد يحتفظ الكوكب ببعض الجراثيم وربما الحياة متعددة الخلايا. معظم هذه الميكروبات ستكون محبة للملوحة، والحياة يمكن أن تجد ملجأ جديد في الغلاف الجوي كما اقترح أن هذا ما يحدث على كوكب الزهرة. ومع ذلك، فإن الظروف القاسية على نحو متزايد من المرجح أن تؤدي إلى انقراض بدائيات النوى بين 1.6 مليار سنة و 2.8 مليارات سنة من الآن، مع آخر من يعيشون في البرك المتبقية من المياه في مناطق خطوط العرض العليا والمرتفعات أو في الكهوف مع المحاصرين بالجليد؛ الحياة تحت الأرض، مع ذلك، يمكن أن تستمر لفترة أطول. ماذا سيحدث بعد ذلك يعتمد على مستوى النشاط التكتوني. بيان ثابت من ثاني أكسيد الكربون بواسطة ثوران البراكين قد تتسبب في دخول الغلاف الجوي في حالة "صوبة زجاجية كبيرة" مشابهة لحالة كوكب الزهرة. ولكن كما ذكر أعلاه دون المياه السطحية، الصفائح التكتونية ربما تنتهي وأن معظم الكربونات تظل مدفونة بشكل آمن حتى تصبح الشمس عملاقا أحمر وزيادة لمعانها لتسخين الصخور إلى حد إطلاق ثاني أكسيد الكربون.

فقدان المحيطات يمكن أن يتأخر حتى ملياري سنة في المستقبل إذا كان مجموع الضغط الجوي ينخفض. ومن شأن الضغط الجوي المنخفض أن يقلل من ظاهرة الاحتباس الحراري، وبالتالي تخفيض درجة حرارة سطح الأرض. يمكن أن يحدث هذا إذا حدثت العمليات الطبيعية لإزالة النيتروجين من الغلاف الجوي. وقد أظهرت دراسات الرواسب العضوية التي لا تقل عن 100 كيلوباسكال (0.99 ضغط جوي) من النيتروجين التي قد أزيلت من الغلاف الجوي على مدى الأربعة بلايين سنة الماضية. بما فيه الكفاية لمضاعفة الضغط على نحو فعال في الغلاف الجوي الحالي إذا كان لا بد من إطلاق سراحهم. هذا من شأنه أن معدل الإزالة سيكون كافيا لمواجهة آثار زيادة سطوع الشمس بعد مليارى سنة. بعد 2.8 مليار سنة من الآن، فإن درجة حرارة سطح الأرض ستصل إلى 422 ك (149 درجة مئوية، 300 درجة فهرنهايت)، حتى في القطبين. عند هذه النقطة، سوف تموت أي حياة باقية بسبب الظروف القاسية. إذا فقدت الأرض المياه السطحية من خلال هذه النقطة، فإن البقاء سيظل على كوكب الأرض في نفس الظروف حتى تصبح الشمس عملاقا أحمر. وإذا لم يحدث هذا السيناريو، فإنه بعد حوالي 3-4 مليار سنة كمية بخار الماء في الغلاف الجوي السفلي سترتفع إلى 40٪ وسوف يبدأ حدوث ظاهرة الاحتباس الحراري الرطب بمجرد أن يصل توهج الشمس إلى 35-40 ٪ أكثر من قيمته في الوقت الحاضر. وهناك تأثير ناتج عن "المسببة للاحتباس الحراري الهارب"، مما يتسبب في تسخين الغلاف الجوي ورفع درجة حرارة سطح الأرض إلى حوالي 1600 K (1330 درجة مئوية، 2420 درجة فهرنهايت). وهذا يكفي لإذابة سطح الكوكب. ومع ذلك، فإن معظم الغلاف الجوي سيتم الاحتفاظ به حتى دخول الشمس مرحلة العملاق الأحمر. مع انقراض الحياة، بعد 2.8مليون سنة من الآن، فإنه من المتوقع أن المساحات الطبيعية بالكرة الأرضية ستختفي، ليتم استبدالها بتوقيعات العمليات الغير بيولوجية.

مرحلة العملاق الأحمر

بمجرد أن تتغير الشمس من حرقها للهيدروجين في مركزها لحرقها الهيدروجين حول غلافها، سبدأ المركز في التقلص وسوف يتوسع الغلاف الخارجي. واللمعان الكلي سيزيد زيادة مطردة على مدى البليون سنة القادمة حتى تصل إلى 2730 مرة أكثر لمعانا من لمعانها الحالي في سنة 12167000000 سنوات. سيتم فقدان معظم الغلاف الجوي للأرض على مساحة وسيتكون سطحها من محيط الحمم مع قارات من المعادن وأكاسيد المعادن وكذلك الجبال الجليدية الناتجة من صهر المواد العائمة، ستصل درجة حرارة سطحه إلى أكثر من 2400 K (2130 درجة مئوية، 3860 °F). [90] والشمس تواجه فقدان كتلة أسرع، مع حوالي 33٪ من إجمالي كتلة تسليطها مع الرياح الشمسية. فإن فقدان الكتلة يعني أن مدارات الكواكب سوف تتوسع. والمسافة المدارية من الأرض ستزيد على الأكثر بمعدل 150٪ من قيمته الحالية.

فإن الجزء الأكثر سرعة في توسع الشمس إلى عملاق أحمر ستحدث خلال المراحل النهائية، عندما سيكون عمر الشمس حوالي 12 مليار سنة. ومن المرجح أن تتوسع لابتلاع كل من عطارد والزهرة، لتصل إللى الحد الأقصى لدائرة نصف قطرها من 1,2 ،الاتحاد الإفريقي (180,000,000 كم). ستتفاعل الأرض عبر المد والجزر مع الغلاف الجوي الخارجي للشمس، الذي من شأنه أن يعمل على تخفيض نصف قطر المدار الأرضي. ستقوم السحب المتكونة من جو الشمس بتقليل المدار الأرضي. وهذه الآثار تعمل على موازنة تأثير فقدان كتلة من الشمس، ومن المحتمل أن يتم اجتياح الأرض بواسطة الشمس.

سحب الغلاف الجوي للشمس قد تؤدي إلى اضمحلال مدار القمر. سيقترب مدار القمر مرة واحدة لمسافة 18470 كم (11480 ميل)،سوف تكسر حد روش الأرض. وهذا يعني أن تفاعل المد والجزر مع الأرض سوف يكسر جزءا من القمر، ويحوله إلى نظام جماعي. ومعظم الحلقة ستدور ثم تبدأ في الاضمحلال، وسوف يؤثر الحطام على الأرض. وبالتالي، حتى لو لم تكن الأرض قد ابتلعت من قبل الشمس فحينها سيكون كوكب الأرض بدون قمر. الاجتثاثات والتبخر الناجمين عن سقوطها على مسار تدهور نحو الشمس قد يزيل القشرة الأرضية والعباءة الحرارية، ثم تدميره نهائيا على الأكثر بعد 200 سنة. وبعد هذا الحدث، سيكون الإرث الوحيد للأرض به زيادة طفيفة جدا (0.01٪) من المعادن الشمسية.

بدلا من ذلك، ينبغي على الأرض أن تنجو من أن يتم اجتياحها من قبل الشمس ، الاجتثاث والتبخير ذكر من قبل أنهما قد يجردان كلا من القشرة والعباءة الحرارية تاركين فقط المركز.

مرحلة ما بعد العملاق الأحمر

بعد دمج الهليوم المتواجد في مركزها بالكربون، سوف تبدأ الشمس في الانهيار مرة أخرى، وتتطور إلى التقلص لنجم قزم أبيض بعد إخراج الغلاف الجوي الخارجي بوصفها السديم الكوكبي. بعد 50 مليار سنة، إذا لم يتم غمر الأرض والقمر بواسطة الشمس، سوف تصبح متعلقة بالمد والجزر، مع إظهار وجه واحد فقط إلى الآخر. بعد ذلك، فإن تفاعل المد والجزر مع لشمس سيقوم بإخراج الزخم الزاوي من النظام، مما سيتسبب في تسوس المدار القمري ليزيد من سرعة دوران الأرض .

أشارت التقديرات إلى أن القمر قد ينتهي بالارتطام بالأرض، بعد حوالي 65 مليار سنة، على افتراض أنها لم يتم تدميرها من قبل العملاق الأحمر الشمسى، ويرجع ذلك إلى الطاقة المتبقية من النظام الأرض والقمر الذي سيستنزف بواسطة بقايا الشمس، مما سيتسبب في تحرك القمر ببطءإلى الداخل في اتجاه الأرض. على مدى فترات زمنية بعد حوالي 30 تريليون سنة، الشمس سوف تقوم بالخضوع نتيجة لقاء قريب مع نجم آخر. ونتيجة لذلك، يمكن أن تصبح مدارات الكواكب معطلة، ومن المحتمل أن يتم طردهم من النظام تماما. إذا لم يتم تدمير الأرض من توسع العملاق الأحمر(الشمس) بعد 7.6 مليار سنة وليس طردها من مدارها نتيجة للقاء الممتاز، وسيكون مصيرها النهائي قائما على أنها ستصطدم مع قزم أسود للشمس بسبب اضمحلال مدارها عن طريق إشعاع الجاذبية، بعد 1020 (100 كوينتيليون) سنة.