Der Sonnenuntergang über dem Pazifischen Ozean und eine hoch aufragende Gewitterwolke, 21. Juli 2003. Von der Internationalen Raumstation aus gesehen (Expedition 7). Bildnachweis: NASA / Johnson Space Center.

Fragen Sie Ethan: Wann wird die Sonne die Erde unbewohnbar machen?

Und wird es für unsere Bewohnbarkeit zu kalt oder zu heiß?

„Ich frage mich manchmal, wie es wäre, wenn ich in einem Land leben würde, in dem es im Winter nur um ein paar kühle Tage und ein paar Wochen Regen geht. Wo die Sonne nie weit weg ist und die Blumen das ganze Jahr über blühen? “-Anna Neagle

Wir hatten bisher einen ziemlich guten Lauf auf der Erde. Seit sich unsere Sonne vor etwa 4,5 Milliarden Jahren gebildet hat, hat sich unsere Proto-Erde im inneren Sonnensystem gebildet. Durch eine frühe Kollision ist das heute bekannte Mond-Erde-System entstanden, und es entstand eine Kombination aus Anfangsbedingungen und dem späten Bombardement unsere frühen Ozeane und Atmosphäre. Seit über vier Milliarden Jahren scheint die Sonne ununterbrochen und das Leben hat unsere Welt erobert und gedeiht. Aber das kann nicht ewig dauern! Wird es die Sonne sein, die keinen Treibstoff mehr hat, die zu unserem Untergang führt? Das ist das Thema von Ask Ethan in dieser Woche, mit freundlicher Genehmigung von Len Latorre, der wissen möchte:

Nimmt die Kernenergie der Sonne ab oder ist sie stabil? Wie lange müssen wir auf diesem Planeten Erde existieren, wenn die Sonne den Kernbrennstoff verringert?

Vorausgesetzt, es gibt keine Katastrophen, die von der Erde selbst (wie ein Supervulkan mit Erdbeschichtung oder eine Vergiftung der Biosphäre) oder vom Universum insgesamt (wie ein Superimpaktor, ein sterilisierender Gammastrahlenausbruch oder eine zu enge Supernova) verursacht werden ), wird die Sonne irgendwann alles Leben auf der Erde ruinieren.

Die Proton-Proton-Kette, die für die Erzeugung des größten Teils der Sonnenenergie verantwortlich ist. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Borb über https://commons.wikimedia.org/wiki/File:FusionintheSun.svg.

Sie sehen, Sterne wie unsere Sonne werden durch Kernfusion angetrieben: durch die Fusion des leichtesten, am häufigsten vorkommenden Elements im Universum (Wasserstoff) in das zweitleichteste, am häufigsten vorkommende Element (Helium) in einer Kettenreaktion. Die Kettenreaktion, aus der die Sonne den größten Teil ihrer Kraft bezieht, besteht in der Verschmelzung von:

  • zwei Protonen bilden zusammen Deuterium, ein Positron (das sich mit einem Elektron vernichtet und energiereiche Photonen erzeugt), ein Neutrino und freie Energie,
  • dann ein Deuteron mit einem Proton, das Helium-3, ein energiereiches Photon und freie Energie produziert,
  • Dann verschmelzen zwei Helium-3-Kerne zu Helium-4, zwei freien Protonen und noch mehr freier Energie.

Dies ist die häufigste Energiequelle der Sonne, bei der insgesamt 0,7% der ursprünglichen Masse von vier Protonen durch Einsteins E = mc2 in Energie umgewandelt werden. Jede Sekunde verschmelzen unglaubliche 4 × 1038 Protonen zu Helium-4 und setzen kontinuierlich ungefähr 4 × 1026 Watt Energie frei.

Eine Zusammenstellung von 25 Bildern der Sonne, die den Sonnenausbruch / die Sonnenaktivität über einen Zeitraum von 365 Tagen zeigen. Bildnachweis: NASA / Solar Dynamics Observatory / Atmospheric Imaging Assembly / S. Wiessinger; Nachbearbeitung durch E. Siegel.

Die Sonne ist ebenfalls gewaltig und massiv, mit insgesamt etwa 1057 Partikeln. Doch so groß diese Zahlen auch sind, die Gesamtmenge an Treibstoff, die die Sonne besitzt, ist begrenzt, und wenn genügend Zeit zur Verfügung steht, wird die Sonne ihren Treibstoff verbrennen. Noch dringlicher ist das Problem, dass die gesamte Sonne diesen Wasserstoff nicht schmilzt: Es ist nur der Kern der Sonne, in dem die Temperaturen am höchsten sind. Die ersten Protonen verschmelzen erst, wenn Sie sich mehr als der Hälfte des Sonnenzentrums nähern und eine Temperatur von 4.000.000 K überschreiten. Und es ist nur der innerste Teil, in dem die Temperaturen über 10.000.000 K liegen (und im Winter maximal 15.000.000 K erreichen) Sonne), dass 99% der Sonnenenergie produziert werden.

Die Anatomie der Sonne, einschließlich des inneren Kerns, der der einzige Ort ist, an dem die Verschmelzung stattfindet. Bildnachweis: NASA / Jenny Mottar.

Dies bedeutet, dass im Laufe der Zeit den innersten Teilen der Sonne der Treibstoff am schnellsten ausgeht, da sie Wasserstoff vollständig zu Helium verbrennen. Wie Len könnte man erwarten, dass dies bedeuten würde, dass die Sonne mit der Zeit dunkler wird, da der Brennstoff für ihr Feuer zu verbrennen beginnt. Aber ohne dass diese Reaktionen im innersten Kern stattfinden, beginnt sich der Kern zusammenzuziehen und die Schwerkraftkontraktion setzt noch mehr Energie frei, wodurch die Innentemperatur steigt. In diesem Fall beginnt die Verschmelzung schneller und über ein größeres Volumen des Sonneninneren. Mit anderen Worten, mit der Zeit wird die Energieproduktion der Sonne zunehmen, und dies geschieht seit mehr als vier Milliarden Jahren!

Die zeitliche Entwicklung der Helligkeit der Sonne (rote Linie). Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer RJHall unter einer Lizenz von c.c.a.-s.a.-3.0; basierend auf Ribas, Ignasi (Februar 2010) Solar and Stellar Variability: Einfluss auf Erde und Planeten, Proceedings der International Astronomical Union, IAU Symposium, Band 264, S. 3–18.

Als unsere Sonne ein neugeborener Stern war, hatte sie wahrscheinlich nur etwa 75–80% der heutigen Leistung. Dank der Flora, Fauna, des Ozeans und der atmosphärischen Eigenschaften unseres Planeten konnten wir uns für die gesamte bisherige Geschichte unseres Sonnensystems an diese stetig steigenden Temperaturen anpassen. Aber es wird eine Grenze geben: Irgendwann wird die Helligkeit der Sonne so stark zunehmen, dass die Erde in unserer gegenwärtigen Entfernung von der Sonne heiß genug wird, dass unsere Ozeane kochen. Wenn dies geschieht, wird derselbe außer Kontrolle geratene Treibhauseffekt, der auf der Venus stattfand - wo eine dicke Wolkenschicht den Planeten umhüllte - auch auf der Erde auftreten und alles Leben an der Oberfläche wird aufhören zu existieren.

In einer Welt, in der die Ozeane gekocht haben und die Welt vollständig in Wolken gehüllt ist, ist das Leben über den Wolkenspitzen möglicherweise der einzige bewohnbare Ort. Bildnachweis: NASA Langley Research Center; Konzeptkunst.

Es ist möglich, dass einige Lebensformen hoch in den Wolken fortbestehen, und es ist möglich, dass die Menschheit unter diesen Bedingungen herausfindet, wie sie es machen kann (wenn wir noch in der Nähe sind). Dies wird jedoch lange bevor dem Kern der Sonne der Wasserstoff ausgeht. Es ist wahr, dass unsere Sonne in ungefähr 5 bis 7 Milliarden Jahren die folgenden Schritte durchmachen wird:

  • der Kernwasserstoff ausgeht,
  • sich zu einem sehr hellen Stern ausdehnen, während Wasserstoff in einer Hülle um den Kern herum brennt,
  • beginnen Helium in seinem Kern zu verschmelzen, wenn die Temperaturen die kritische Schwelle erreichen,
  • sich zu einem wahren roten Riesen entwickeln,
  • und sterben schließlich und blasen seine äußeren Schichten in einen planetarischen Nebel ab, wobei sich der Kern zu einem weißen Zwerg zusammenzieht.
Der Planetarische Nebel ESO 378–1 mit dem sich neu bildenden Weißen Zwerg im Kern dürfte der fernen Zukunft unserer Sonne in ~ 7 Milliarden Jahren sehr ähnlich sein. Bildnachweis: ESO, aufgenommen mit dem Very Large Telescope.

Aber nach nur ungefähr ein bis zwei Milliarden Jahren (nach den meisten Schätzungen) wird die Sonne heiß genug sein, dass die Ozeane anfangen zu kochen. Zu diesem Zeitpunkt müssen wir ein neues Zuhause finden, da die Erdoberfläche unbewohnbar sein wird. Letztendlich wird dies die einzige Art der globalen Erwärmung sein, die von Bedeutung ist, da die Sonne viel heißer wird, bevor der große ewige Frost, dem unser Sonnensystem ausgesetzt ist, bevorsteht. Wir sind die meiste Zeit auf unserer Erde als bewohnbare Welt unterwegs, also ist es am besten, das Absolute aus der verbleibenden Zeit herauszuholen!

Senden Sie Ihre Ask Ethan-Fragen an startswithabang at gmail dot com!

Dieser Beitrag erschien zum ersten Mal bei Forbes und wird Ihnen von unseren Patreon-Unterstützern werbefrei zur Verfügung gestellt. Kommentieren Sie unser Forum und kaufen Sie unser erstes Buch: Beyond The Galaxy!