科学分析：我们能用巨大的推进器改变地球的轨道吗

据外媒报道，在所有冰川融化后，将我们的地球转移到更安全的轨道可能是保护地球生命的唯一方法。

在已知的宇宙历史中，地球最稳定的属性之一是它围绕太阳的轨道在过去的45亿年里，即使经历了——次大规模撞击，月球形成，地球自转持续放缓，生命出现等一系列奇妙事件，地球绕太阳运行的轨道也几乎没有改变即使我们考虑太阳系和银河系中所有其他天体的引力影响，地球仍有99%的概率保持其原始轨道不发生任何明显变化

NASA喷气推进实验室NEXIS离子推进器是长时间推进器的原型，可以长时间尺度移动大质量物体。

当太阳变成真正的红巨星时，地球本身可能会被吞噬，它肯定会经历前所未有的炙烤可是，如果我们能在此之前让地球远离太阳，不仅可以避免地球被吞噬，而且地球上的生命可以持续数十亿年

从长远来看，这将给整个地球带来不可避免的灾难即使是全球变暖导致的最坏情况，包括温室气体浓度不受控制地上升，导致地球上所有极地冰川剧烈升温和融化，与太阳辐射造成的最终后果相比，也是苍白无力的如果地球轨道没有显著变化，不断增加的太阳能输出将在未来10到20亿年内蒸发掉地球上所有的海洋，可能会杀死地球上所有的生命

有没有办法让地球摆脱这种命运答案是肯定的，那就是改变地球的轨道，把我们的星球移回太阳系的另一个位置这可能是我们最后也是最好的希望也许我们需要在南极洲建造一个巨大的螺旋桨来拯救整个地球

环境问题

这是我们现在看到的太阳它的温度，能量输出和与地球的距离决定了地球仍然处于宜居状态伴随着太阳能输出的增加，我们必须把地球移到离太阳更远的轨道上，否则太阳辐射的增加会蒸发掉所有的海洋

如果你认为我们目前正在经历的全球变暖已经非常糟糕了，那么你也许能够知道太阳可能会对未来的地球产生什么影响今天，地球气候变化和气温升高的主要原因与太阳无关，而是由工业革命以来人类活动引起的大气变化驱动的人类向大气中排放了大量的温室气体，在水汽浓度长期反馈的驱动下，在过去的200年里，造成了地球能量收支的巨大变化

在寒冷的天气里盖一条毯子可以帮助人体更好地保存体内的热量，防止热量散发出去同样，大气中温室气体的增加也有助于地球保持热量正如2021年诺贝尔物理学奖得主真由正弘在50年前所说，二氧化碳浓度翻倍会导致地球温度上升2摄氏度甚至更高在最坏的情况下，温室气体的增加将导致地球上所有的极地冰川在几千年内融化当然，地球历史上从来没有完全没有冰，但这对人类和今天地球上的其他生命来说是非常不利的

可是，伴随着时间的推移，太阳可能会给地球带来更严重的影响在太阳内部，核聚变只发生在核心，那里的温度超过400万K，在核心的中心，温度可高达1500万k，这里的核聚变反应速率会伴随着温度的升高而迅速增加

预测不同的温室气体排放情景，以及到2100年它们将导致的变暖程度请注意，任何更乐观的情景都需要大幅快速减少二氧化碳排放，但这还不可能

离光源越远，辐射通量越小该图显示了亮度和距离之间的平方反比关系

1)太阳核心将相当数量的氢转化为氦，

2)氦在堆芯聚集，但此时不能进一步熔融，

3)浓缩氦引起引力收缩，进而引起太阳内部温度上升，

4)内核温度上升，导致400万K及以上面积扩大，占用更大的内部空间，

5)这导致太阳的核聚变速率逐渐增加，从而增加了太阳的总能量输出。

伴随着越来越多的太阳能到达地球，地球上的防御和反馈机制逐渐断电一旦全球平均温度上升到100摄氏度以上，所有的海洋都会蒸发这种情况可能会在10到20亿年后发生从任何角度来看，这都将标志着地球上复杂生命的必然终结

能源问题

虽然地球的轨道在不同的时间尺度上经历周期性的振荡变化，但有一些非常小的长期变化会伴随着时间的推移而积累与这些长期变化相比，地球轨道形态的变化是显著的，但后者是累积性的，因此也会对地球产生重要影响

如果我们不能阻止太阳变暖，那么让地球远离太阳可能是最终的解决方案亮度和距离之间有一个简单直接的关系每次你和光源之间的距离加倍，你感觉到的亮度就会降低四分之一基于这个计算，如果太阳的能量输出增加10%，我们只需要将地球与太阳的距离增加4.9%，就可以保持接收到的能量不变

目前太阳的能量输出每10亿年就会增加10%，所以这是一个长期的问题可是，如果我们想让地球保持宜居，我们必须有一天解决这个问题乍一看，将地球轨道改变几个百分点似乎并不是一件特别困难的任务毕竟地球绕太阳的轨道是椭圆的，离太阳最近的距离是1.471亿公里，最远的距离是1.521亿公里这两点接收到的辐射差约为6.5%，这意味着如果我们能把地球目前的轨道替换成与远地点保持一定距离的轨道，那么地球在3亿年以上的时间内都不会增加能量输入

可是，这不仅是一项艰巨的任务，也是一项天文任务地球之所以在今天的轨道上绕着太阳转，是因为在这些位置上，地球

球的动能与当前距离上太阳的重力势能相平衡如果我们设法使地球的动能减少，就会导致地球以更快的速度沉入更接近金星的轨道同样地，如果我们想要上升到更接近火星的轨道，就需要给地球注入能量，使其净速度小于目前绕太阳运行的速度

这个概念并不难，但所涉及的能量总额却异常惊人例如，在未来 20 亿年里，我们必须将地球到太阳的平均距离从目前的 1.496 亿公里推到 1.64 亿公里，以保持从太阳输入到地球的能量不变但请记住，地球有着令人难以置信的质量:约为 6×10^24 千克要让地球进入一个更远离太阳的稳定轨道，我们必须向地球额外输入 4.7×10^35 焦耳的能量:这相当于人类连续 20 亿年为各种目的产生的累计能量的 50 万倍

推进器的作用是什么。

由于角动量守恒，行星会在轨道上稳定地运行。可是，某种冲击或推动力可能会给地球带来我们所渴望的改变，使其最终迁移到更远离太阳的轨道上

要向地球输入如此巨大的能量看起来似乎是很高的要求，但也是可能的事实上，太阳本身就有足够的能量供我们收集

1)收集太阳能，

2)将太阳能转换成推力，

3)利用这种推力来改变地球的动量和动能。

收集能量是这个问题中最困难的部分之一有研究者提出了一个可能具有巨大前景的设想，那就是在太空中建立太阳能收集阵列这可能需要一个规模惊人的阵列，总面积达到 5×10^15 平方米，大约相当于 10 个地球的表面积，才能收集到必要的太阳能这种能量必须是可用的更重要的是，从另一个角度来看，我们需要的太阳能只占太阳总能量的 0.000002%:这样的能量规模仍然相当巨大，但并非不可能

另一个关键是如何有效地利用这些能量提升地球的轨道从物理学的角度，这个任务对引力场中的任何物体都是一样的:我们必须在一定时间内施加一个外力，产生一个能产生加速度的脉冲，从而改变物体的动量将火箭发射到太空的物理原理同样适用于将地球发射到更高的轨道我们所要做的就是施加一个推力，使地球的动量向正确的方向改变，最终推动地球离太阳更远

于是，我们就需要一台推进器:这种装置的作用力与一个大小相等，方向相反的反作用力(排出乏燃料)相平衡理想情况下，我们要一直确保推进器的作用方向是准确的，使其推动地球朝着既定的移动方向前进可是，在一个快速且持续旋转的星球上，做到这一点非常困难因此，假设我们能够收集，控制，运输并将能量转化为有用功，那么更好的策略便是连续多次启动行星加速推进器

为什么是南极。

在太空中收集太阳能的概念已经存在很长一段时间，但从来没有人设想过一个面积达到 50 亿平方公里的阵列。如此规模的阵列可以收集足够的能量，将地球迁移到一个足够高的轨道上

这也正是我们为什么选择南极作为推进器安装地点的原因一旦地球表面的冰全部融化，南极洲就会暴露出来今天的南极大陆还覆盖着巨大的冰层，但仍有一大片陆地远远高出海平面，如果我们把南极洲的冰全部移走，就会发现南极点的海拔约为 3000 米

1)地球开始加速，并将被推到更高的轨道上，

2)所有的推力将被利用起来，不会有一丝一毫浪费在地球当前的运动方向上，

3)地球将被抬升出目前的地—日平面，但幅度较小，经过 20 亿年的推进，地球的轨道将比现在的平面高出几度。

不过，最重要的一点是，当我们通过持续推进增加地球动能时，我们也能更顺利地跳出太阳的引力势阱这将使地球的轨道与太阳距离更远，使输入地球的太阳辐射逐渐减少，我们的行星家园也就能延续更长的时间

伴随着上亿年的时间过去，我们将不得不开始面临大陆漂移的问题但只要推进器定期调整位置，保持在南极点，并直接指向地球的旋转轴，我们就不必担心地球轴倾角的灾难性改变这是一个巨大的隐忧，因为地球拥有的总旋转动能只有2×10^29 焦耳，还不到推动地球以进入更高轨道的能量的百万分之一只有在推进时不断与地球的轴向旋转保持一致，我们才能消除地球自转被扰乱的风险

由于地球绕轴旋转，我们施加在地球表面的任何力都会显著改变地球的自转，只有两个地方不会有这种问题，那就是北极和南极。考虑到北极在海洋之上，而南极洲是一片陆地，选择南极安装推进器是一个显而易见的决定

仔细想想，这真的是地球工程的终极壮举我们说的不是通过化学或反馈过程来改变地球，而是通过纯粹的蛮力在长远的时间尺度上，我们所见到的流星雨将会与现在很不一样，因为不断变化的轨道会使地球移出某些长周期天体的路径，并进入其他天体的路径不过，通过正确的技术发展和资源投资，我们的最终目标是有可能实现的，那就是减少太阳辐射对地球生命造成的伤害，并防止由于不断增加的太阳能量输入而导致的海洋蒸发

我们要记住的重要一点是，无论人类活动如何，地球和太阳都会发生一些长期的变化太阳会燃烧掉它的燃料，太阳核心会扩张并升温，其总能量输出会增加这反过来又会增加到达地球的辐射量这些变化将极其缓慢，但像太阳这样的恒星本身生命周期就很长:我们今天所接收到的能量大约比 40 亿年前多 30%，而且这种趋势会一直继续下去，大约每 10 亿年增加 10%

我们无法阻止太阳耗尽氢燃料，最终进入红巨星阶段，但我们可以通过将地球轨道远离太阳，为地球上的生命多争取几十亿年的生存时间在我们已知的整个世界历史上 —— 也许是整个宇宙历史上 —— 这将是人类进行的最宏伟的工程如果我们选择这么做的话，这就将展示我们人类真正的力量，如果我们什么都不做，那么在 10 到 20 亿年后，太阳将煮沸地球上的海洋，终结地球生命的历史如果人类能够开发并实施南极推进器所需的技术，那这项宏伟的工程可能就是在所有冰川融化之后，真正拯救地球的唯一手段

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