如果将太阳浸泡在一个比它体积更大的水球里面,它会熄灭吗?
对于地球观察者来说,太阳还真的会被“浇灭”了。
不过,是暂时的。
即便对于和太阳相同体积的水来说,质量也高达太阳的1/1.408。(太阳密度1.408X10³千克/立方米,水密度10³千克/立方米)
太阳质量1.9891X10^30千克,可知,这些水的质量至少1.4127X10^30千克。
把这些水加热,并最终成为数千度的等离子体,吸收的能量可达:2.5X10^38J
有人一直对这里水取了10³的密度耿耿于怀,我这里解释一下:
水的确在低压和高压下会有密度变化,但变化幅度只有20%,且最高密度略高于10³,最低密度为0.8倍10³,这是水液相分子间距和排序所决定,分子密度更高则会固相化。
对于质量达到10^30的纯水球来说,最内部压强高达1亿个大气压强(1万GPa)。而常温下的水,早在1Gpa就会转化成冰Ⅵ(温度越低转变越快),超过2Gpa,转变成冰Ⅶ,达到1000GPa,转化成冰Ⅺ(低超低温下只需要数Gpa)。高达1万GPa时,分子键破裂等离子体化,此时温度也极高,足以发生核聚变。这还不考虑太阳引力,考虑太阳引力(太阳表面引力加速度是地球的28倍),压强可达到28万GPa。
所以说,常规引力下,太阳那么大的水球是不可能合理存在的。
那么,这个体量的水球,就必须是一个理想水球,它才能整体维持成液相的状态。实际题面的本意,本身就是倾向于理想水球的。只不过理想水球在被“释放”的刹那,则需要考虑所有受力情况。
水等离子体化吸收的能量,计算过程如下,不爱看演算过程的可以跳过:
根据水的温度不同(0℃~100℃),水汽化所需的能量约为3.193X10^36J~3.786X10^36J 已知水蒸气加热到2000℃左右,会分解为氢气和氧气。
升温过程中水蒸气比热容降低,加热到临界点,至少需要能量约为:3X10^36J 1摩尔水蒸气分解成氧气和氢气,吸收241.8kJ热量。
可知,所有水蒸汽解体为氢气和氧气,所需的能量约为:1.3433X10^37J
保守估计,这些氧气和氢气加热到电离临界点(接近太阳表面温度6000℃),所需能量约为:2X10^37J
氧气电离两个电子以及氢气电离,需要的能量约为:2X10^38J
总计:这些水从加热,一直到成为等离子态,大约需要2.5X10^38J的能量。
已知,太阳每秒钟释放的总辐射能量为:4x10^26J
那么,太阳原始辐射强度下,等离子体化这些水的时间为:6.25X10^11s,合19818年。
不过这些水为太阳至少增加了70%的质量,如此多的质量下,太阳核心压力和温度升高、核聚变强度和体积都会相应地增加。
如图所见,太阳聚变发生于核心内,温度高达1500万K,气压高达3000亿个标准大气压(核心区外部的压力和压强不足以发生核聚变,所以此时的太阳外部是不会发生核聚变的)。
新增加的70%重量迫使辐射区位置向内部挤压,大量辐射区转化成核心区,会大大增加核心区体积。
已知天狼星是太阳质量的2倍左右,核辐射能力却是太阳的25倍,可知增加70%的质量,太阳至少可以增加10倍的辐射强度。
那么,水等离子体化的时间将缩短到2000年左右(对于裹住太阳的水来说,超过一定极限时,增加的水质量越多,核心辐射越强,水等离子体化的时间反而会缩短)。
一开始,水全部包裹太阳的时候,几乎所有太阳辐射都被水所吸收。
对于此时的地球人来说,太阳是真的被浇灭了。(可见光在水中会衰减,对于厚度达到数十万公里的水来说,地球人已经完全看不见太阳了。)
这个黑暗期长达20年以上,太阳的消失,对于万千生命来说就是世界末日。
绝大部分的动植物都在这20年黑暗中灭绝,人类凭借核工业苟延残喘。
20年的过程中,内部接触太阳的水层直接等离子体化,更外一点分解成氢氧气,再外一点的水汽化。用敏感度高的天文望远镜,能够看到水球逐渐“沸腾”的过程。
沸腾之前,大量的水足以“浇灭”太阳的对流层,甚至“浇灭”部分辐射区(核心区的辐射却会指数增加的)。虽然太阳主要是气体,但这些水也不至于落入太阳内部太深的地方,因为太阳内部的密度高于水的密度。
在水气化过程中,此时的太阳大致会呈现:核心区、辐射层、水层、大气层四层的状态。
在高温作用下,水层会逐渐汽化。不过由于高达数十个G的重力加速度,即便水蒸气全部汽化,致密性也很高。
20年后,直到包裹太阳的水全面气化,大量的可见光从太阳辐射出来,太阳逐渐明亮了起来。
此时,人类可以通过储存的种子,再次让地球焕发生机。
不过,此时人们看到的不再是原来太阳的黄光,而是蓝光。
这是因为,此时太阳质量是原来质量的1.7倍,超过了1.5倍。(低于0.5倍为红光,0.5~1.5倍之间为黄光,大于1.5倍为蓝光)
由于聚变核心区压力很大,温度急剧上升,碳氮氧循环加剧,核心区因温差过大而形成对流。
高辐射压力把恒星撑得更大,体积至少膨胀到当前太阳体积的4倍以上。由于外部温度比较均匀,外部物质反而不再对流(外部氢元素不再被消耗,氧等离子体下沉)。
由于核聚变更加的强烈,太阳寿命反而会缩短30~40亿年,最终只剩下不到10亿的寿命。(增加的水越多,聚变指数加倍,寿命越短。)
随后,太阳的辐射能力每年不断的增加,数百年间,辐射强度就能达到太阳的大小。
大约2000年左右,在氢气和氧气被全部等离子体化以后,太阳的辐射强度已经翻倍增加,一直到曾经辐射能力的10倍以上。
那么地球辐射增加的是10倍吗?
其实并不是,太阳质量增加之后,引力势能发生改变。(太阳质量增大,地球被吸引,近日点的动能+势能=远日点的动能+势能。)
把地球公转近似看成圆周,可得近日点的距离大约为:6.23X10^7km(地球原半径的41.7%,不足以被太阳吞没。当然,如果增加的水体量达到太阳质量的10倍以上,地球就会撞击在太阳上)。
由于近日点辐射面积的增加,可通过面积是长度平方的关系,得到近日点的位置,地球接收到的太阳辐射,激增了4.76倍。
那么比较于旧太阳,地球上近日点的辐射增大47.6倍。
在近日点时,即便有大气层对辐射的反射、吸收等作用,白昼温度依然可以升高到1000℃以上。
水分蒸发,大气层很快消失,地球温度可继续升到高数千度。
地球表面融化,成为一颗熔岩行星。
不过太阳引力的变化引起的混乱,形成混沌效应,行星轨迹会有不可预知的变化,地球极有可能与其他行星发生碰撞。虽然生命会悉数灭绝,但地球运气足够好,依然可能被撞到新宜居地带,演化成一颗新的类地行星。
发生这一切之前,如果人类有能力离开的话,只有一个较短的时间逃离。太阳升温时,平均每1年便能升高1℃,越往后温度升高越快,适宜人类生活的时间可能只有短短数十年。这么短的时间,人类几乎不可能从之前20年的黑暗期恢复过来。
除非这个“事件”发生在人类,真的能星际穿越的时候。
10多亿年后,无论人类是否灭绝,太阳内核坍缩,辐射大量的能量,外部氢元素全面核聚变,演化为红巨星。
氦闪、地球被吞噬,数百万年后,红巨星燃烧殆尽坍缩为白矮星。
不过,题主提到的体积大于太阳,并没有说上限。
如果新太阳总质量超过旧太阳的8倍,太阳晚年坍缩后,剩余质量将会超过钱德拉塞卡极限(1.44太阳质量),它会在超新星爆发后,坍缩为中子星。
如果剩余质量超过太阳的3倍,则会坍缩为黑洞。
总之,加水仅仅只是给太阳加“燃料”而已,太阳内核聚变会更加的剧烈,辐射出更多的能量。
但因为辐射出的大量能量被水大量吸收,人类会“看到”太阳被暂时浇灭。随后太阳再次明亮起来,不可逆转地走向世界末日。
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