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全球信息:让太阳打西边出来

2023-06-23 11:26:26    来源:大科技杂志社

“太阳打西边出来”是广为流传的俗语,指的是不可能发生的事情发生了,那么,字面意思上的“日出西方”能够实现吗?


(资料图片仅供参考)

让地球“掉个头”

在 地球上 观察太阳,我们只能看到太阳从东边升起,从西边落下,这是由地球的自转运动决定的。由于地球围绕自转轴自西向东地自转,地球上的生物也跟随地球一起转动,所以我们看到的太阳总是东升西落的。因此,想看到“太阳打西边出来”,只需要改变地球的自转方向就行了。

改变地球自转方向,科幻电影《流浪地球》中提供了一个方案:用发动机反向驱动地球。一堆建在赤道附近的发动机朝着地球自转方向的反方向使劲,是为了通过反作用力让地球停止自转,方便后续“驾驶”地球。根据电影设定,人们在赤道附近安排了2000台转向发动机,平摊下来每个发动机的功率要达到 ×10^ 18 W ,整个“暂停地球”过程所需要的时间为42年。让我们沿用这个设定,算一算用反作用力让地球转向所需要的时间和动力。

根据角动量守恒和动能定理,可以算出让地球反转需要年,共消耗×10^ 31 J能量,对应的功率高达×10^ 21 W,按照电影中的发动机数量和功率设定,让地球转向并不难。不过,如果考虑现实条件,这可就难了。一个原子弹释放出来的能量差不多是×10^ 15 J,目前人类曾经引爆过的能量最强的氢弹“沙皇炸弹”释放的能量约为×10^ 17 J,也就是说,想让地球转向,需要相当于100万亿个“沙皇炸弹”同时爆炸产生的能量。

好消息是我们可能能获得足够多的核反应燃料:氘在地球海水中的比重是%,换算下来约有40万亿吨的储量;根据探测结果,月球上氦-3含量约有上百万吨,这些都能成为地球发动机的燃料。不过,燃料够用的前提是核聚变反应的能量利用率能达到100%,可是,我们所制造的任何机械都有热能的耗散,100%的能量利用率几乎不可能实现。再考虑人类所能制造出的发动机的功率更是天方夜谭了,目前世界上最大的核裂变电站机组的功率也只能达到 8×10^ 9 W ,与电影中所使用的×10^ 18 W功率的发动机相比还差得很远。

碰撞让金星转向?

目前看来,通过人类自身的科技力量让地球转向是不太可能实现了,不过不用太早灰心,在太阳系中我们还有一个“榜样”——金星,在金星上太阳自古以来就是从西边升起的,它是怎么做到的?

像我们已经知道的那样,金星上的太阳之所以打西边出来,是因为金星的自转方向与地球截然相反。这是一件非常奇怪的事情,根据行星形成理论,太阳系中的所有行星都起源于同一片原始星云,星云中的物质在惯性作用下朝着相同的方向转动,由这些星云物质形成的行星都应该具有相同的运动方向,为什么金星如此与众不同呢?

科学家对此有一些猜想,其中最源远流长的一个猜想就是碰撞说。原始的太阳系和我们今天看到的稳定的太阳系不同,当时太阳系的能量更高,行星数量更多,轨道运行也比较混乱,因此行星与行星间的碰撞次数很多,碰撞后果也更惨烈。行星级的碰撞会改变彼此的自转轴倾角、角动量甚至是自转方向,从而改变行星的运行轨道,科学家猜想,在太阳系形成初期,有一颗原始卫星撞击过金星,最终导致金星的自转方向发生了改变。

行星碰撞说在太阳系里有不少实例,另一个由碰撞改变了自转的例子当属天王星。天王星的自转轴倾角为度,天王星在轨道上自转的时候以两极指向太阳,就像一个皮球在地上滚动,与之相比,太阳系其他行星就像陀螺一样“站着”自转。天王星之所以会“躺平”,正是行星碰撞的结果:在天王星刚形成的时候,其自转轴和其他太阳系大行星基本一致,但是很快就有一颗地球大小的原行星和天王星发生了碰撞,这次巨大的碰撞直接就将天王星撞歪了。行星撞击不但让天王星“躺下来”了,而且还创造了天王星大部分的卫星:计算发现,27颗天王星卫星中有18颗都是撞击事件的产物。

有了天王星这个例子,科学家推测金星之所以转向与卫星撞击有关也算有例可循了。不过,大多数情况下,行星间的撞击都是将行星撞裂,很难恰好将行星撞歪且不会将它撞裂。为什么金星能在遭遇撞击后保留完整的身体而仅仅是被撞歪了“脸”呢?这种事发生的可能性太低了。

向金星学习“掉头”

科学家因此提出了金星转向的另一种假说:大气热潮汐假说。一般而言,太阳的引力会将行星拉长,并最终对行星潮汐锁定,就像地球对月亮做的那样。金星拥有一层非常厚的大气层,金星的大部分质量集中在大气层中。金星的大气潮汐受太阳辐射的影响,大部分的大气质量都会分布到较冷的区域,导致金星“头重脚轻”。太阳对于不同大气区域的引力也会不同,从而形成一种扭转力。多种作用力的综合作用下,金星的角动量会发生变化,最终改变金星的自转速度。

而后,在地核、地幔之间的摩擦力和大气潮汐力的共同作用下,漫长的时间过去,金星的自转方向就发生了变化,开始逆向自转。如果内部的核幔摩擦力导致金星的自转轴倾角变得比较大的话,再加上大气层的潮汐拖曳,就可能直接让自转轴翻转180°(南北极对调),最终表现出来的就是金星反转。还有科学家认为,就算金星核幔摩擦力和大气潮汐力没有大到足以让金星倒个个儿,当金星速度慢到暂停后,大气潮汐力也能将它反向拉动起来,实现反转,就像前文所述用发动机反向推动地球那样。根据这个假说计算出的金星自转周期和现实相符,足以解释金星转向的成因,因此目前越来越多的科学家都认同了这个说法。

想改变地球的自转方向,我们也可以参考金星的做法——给地球“打气”。最简单的做法莫过于通过燃烧化石燃料排放温室气体,据统计,如果人类把世界上所有剩余的化石燃料烧完,将释放万亿吨的温室气体,与金星的二氧化碳含量有一拼。不过,为了达到这个目的,需要付出的代价可能非常惨重:化石燃料燃烧会释放出许多污染物,二氧化碳增加所导致的温室效应也会热死许多地球生物。

在地球缓慢变向的过程中,我们也会遇到许多挑战:当地球发生反向时,地球上水的流动方向会发生逆转,季风的方向也是如此,原本的热带雨林将变成沙漠,原本的沙漠则会高温多雨;与此同时,海洋的温度也会相应地发生变化,沿海地区的气候将会更加温暖,内陆地区更加寒冷;磁场方向也可能发生改变,影响许多生物的生活……

仅仅为了让太阳从西边出来,这些代价是否太大了一些?还是顺其自然,让地球自己选择最合适的运动方式吧。

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