Как быстро Земля остынет?

Это будет доминирующий фактор. Если охлаждение займет слишком много времени, то, возможно, все растения погибнут без солнечного света, а живые существа умрут от голода. Но если он остынет достаточно быстро, все замерзнут.

Мы можем применить закон Стефана-Больцмана, чтобы узнать, как быстро мы остынем.

радиация Земли

Простейшей моделью Земли является модель радиационного равновесия . Этот вид излучения подчиняется закону Стефана-Больцмана :

$$j^* = \epsilon\sigma T^4$$ куда $j^*$освещенность в Вт/м $^2$; $\epsilon$– коэффициент излучения Земли; $\sigma$- постоянная Стефана-Больцмана, $5.67\times10^{-8}$Вт м $^{-2}$К $^{-4}$; а также $T$это температура.

Эффективный коэффициент излучения Земли часто считается равным 0,612. Средняя температура поверхности Земли составляет 288 К.

Интеграция с течением времени

А вот и предупреждения. Излучательная способность Земли сильно контролируется образованием облаков. Изменение температуры Земли радикально изменит состав облаков. Кроме того, если Земля остынет и сформируются снег и лед, это также резко изменит коэффициент излучения. Однако у меня нет инструментов для моделирования всех этих вещей, поэтому я собираюсь рассмотреть модель, в которой коэффициент излучения Земли постоянен по мере ее остывания.

Тепловые потери Земли зависят от ее излучения. Но это также функция теплового резервуара Земли. Предположим (и это очень сферическая корова), что верхние 100 м земного океана вместе с верхними 100 м суши замерзнут. Океаны покрывают$3.6\times10^{14}$м$^2$; объем на глубине 100 м составляет$3.6\times10^{16}$м$^3$. Объемная теплота морской воды равна$3.9\times10^6 \frac{\text{J}}{\text{m}^3\text{K}}$. Земельные покровы$1.5\times10^{14}$м$^2$; Удельная теплоемкость различных типов горных пород, умноженная на плотность земной коры, дает нам объемную теплоту$1.8\times10^6 \frac{\text{J}}{\text{m}^3\text{K}}$.

В целом теплоемкость Земли составляет 1,7e23 Дж/К. Наконец, освещенность необходимо масштабировать по площади поверхности Земли ($5.1\times10^{14}$м$^2$). Это дает нам то, что нам нужно, чтобы определить дифференциальное уравнение охлаждения Земли.

$$\begin{align} \frac{dT}{dt}\ &= \frac{0.612\cdot5.67\times10^{-8}\text{ J m}^{-2}\text{s}^{-1}\text{K}^{-4}\cdot T^4 \text{ K}^4\cdot5.1\times10^{14}\text{ m}^2}{1.7\times10^{23}\text{ J/K}}\\ &=1.0\times10^{-16}\cdot T^4 \text{ K/s} \end{align}$$

Как быстро остынет Земля?

При рассчитанной выше скорости Земля первоначально охлаждается до 1 К примерно за 17 дней.

Мы также можем решить это дифференциальное уравнение для падения температуры на 15 К, что приведет к замерзанию верхних 100 метров Земли при температуре 273 К.

$$\begin{align} \frac{dT}{dt} &= 1.0\times10^{-16}T^4\\ \int_{273\text{ K}}^{288\text{ K}}\frac{dT}{T^4}&=1.0\times10^{-16}\int dt\\ \frac{-1}{3}\cdot\left(\frac{1}{288^3}-\frac{1}{273^3}\right) &= 1.0\times10^{-16}t\\ t&=2.4\times10^{6}\text{ s} \end{align}$$ Это число выражено в секундах и эквивалентно примерно 281 дню.

Вывод

Земля хранит много тепла. Верхние 100 м почвы и океана хранят достаточно тепла, чтобы излучать 1 К его в космос потребуется более двух недель, а замораживание — большую часть года.

Доминирующим фактором гибели всего живого будет гибель растений от неспособности к фотосинтезу. На Земле много растений, и им потребуется разное время, чтобы умереть, но было бы разумно предположить, что в течение 2 недель новая растительность не вырастет. С этого момента потребуется столько времени, сколько потребуется всем травоядным, чтобы поглотить оставшуюся растительную жизнь, чтобы разрушить пищевую цепь. По моим оценкам, в течение месяца жизнь большинства животных будет в крайней степени.

Некоторые животные могут прожить дольше, например, стервятники. Некоторые бактерии, такие как хемотрофы, могут существовать бесконечно долго. Бактерии, живущие глубоко в земной коре в глубоких морских жерлах, могут оставаться незатронутыми в течение сотен миллионов лет.

Так что в целом вся жизнь не исчезнет в течение миллиардов лет, но жизнь на поверхности, какой мы ее знаем, исчезнет примерно через месяц.

Если Земля как-то нагревается, то для человечества не все потеряно.

Растения и животные вымрут без солнечного света. Сначала дневные, потом растения и водоросли, потом ночные, потом почвенные обитатели и питающиеся на дне океана. Теплая Земля сама по себе не может обеспечить существование форм жизни, поэтому после того, как весь атмосферный кислород будет израсходован, это будет конец. Чтобы добраться туда, потребуются тысячи лет, и некоторые организмы могут питаться вулканическими химическими веществами и оставаться в живых на неопределенный срок, но для Земли это довольно мрачная картина. Без людей.

Люди могут сделать все по-другому — не для всей Земли, но достаточно для поддержания ограниченных биомов и некоторого населения. Если бы у нас был свет, у нас была бы еда. Чтобы иметь свет, нам нужна энергия. В этом сценарии его все еще достаточно. Во-первых, Луна все еще будет там. Невидимый, он все равно будет вызывать приливы. Приливная энергия может быть захвачена и использована. Во-вторых, если Земля нагреется, у нас все еще будут ветер и океанские волны, может быть, даже ураганы. Это еще больше энергии.

Все, что нам нужно сделать, это построить много генераторов приливной и ветровой энергии, и создать фермы с искусственным освещением (точно так же, как коноплю выращивают дома). К сожалению, таким образом можно спасти лишь небольшую часть из сегодняшнего 7-миллиардного населения. Таким образом, некоторые драматические (и, возможно, жестокие) события были бы неизбежны.

Солнечная система

Первое, что произойдет с Землей сразу после исчезновения Солнца... будет ничего. Солнечному свету требуется немногим меньше десяти минут, чтобы достичь Земли, так что может показаться, что солнце какое-то время все еще там. Земля даже все еще находилась бы в гравитационном поле Солнца, которое также продлилось бы несколько минут, поскольку гравитации Солнца требуется время, чтобы достичь нас.

Как только нас поразит самое красивое ночное небо в истории человечества, Земля будет выброшена в космос, подальше от нашей Солнечной системы. С этого четкого вида неба мы могли легко увидеть Юпитер и другие планеты — сидящие в небе, как будто ничего не произошло. Солнечный свет все еще отражается от них, и, находясь дальше, они еще не "пострадали" из-за отсутствия гравитации.

Исключение составляют Меркурий и Венера, которые, будучи ближе к Солнцу, уже прошли через нашу дилемму. Вероятно, мы больше не сможем их увидеть, если солнечный свет не будет отражаться от них (возможно, мы сможем это сделать с помощью некоторых телескопов).

Кислород

С другой стороны, нам действительно потребуется вечность, чтобы задохнуться. Конечно, все растения умирают в течение нескольких дней, и у нас нет возможности перерабатывать углерод в кислород, но атмосфера останется пригодной для дыхания в течение многих столетий. Хотя, если бы мы прожили какое-то время, воздух вокруг городов, пригодный для дыхания, мог бы быть довольно плохим, без каких-либо парков или растений, регулирующих местный кислород.

Многие деревья выжили бы в течение года, прежде чем растущие холода убили бы их.

Морозный холод

В течение первой недели температура опускалась до 0 градусов по Цельсию, замерзая, и можно было ходить по замерзшему морю. Это были бы хорошие времена. Многие люди умрут в последующие недели от внезапного изменения температуры, особенно бедняки в жарких странах скоро замерзнут и заболеют.

Бури

Сама Земля заболела бы от резкого перепада температур, и по всему миру бушевали бы страшные метели. Штормы в конечном итоге прекратятся, может быть, через первый месяц, и погода по всему миру станет гораздо более стабильной.

На самом деле, когда закончится последний шторм... ветра не будет. Без солнца ветер стал бы локальным явлением.

С течением времени снежная погода будет становиться все более и более редкой. Если бы солнце не испаряло воду, единственным источником испарения были бы геотермальные источники. А без солнца, которое нагревало бы облака и меняло температуру, они в основном оставались бы там, на холодном небе; переохлаждение далеко за точку замерзания.

Год спустя

Через год станет совсем плохо... Температура поднимется до -100 градусов по Фаренгейту. Самая низкая температура, которую я смог найти для человеческого жилья, была на исследовательском посту -97 градусов по Фаренгейту. Несколько городов также пережили зимы -90 по Фаренгейту, хотя я не знаю подробностей того, насколько хорошо они могли выдержать это.

В то время как те, кто оборудован для этого, могли бы выжить, огромная часть человеческого населения погибла бы. Все растения на Земле погибнут. Большинство животных по всему миру погибнет.

Животный мир

В течение первых нескольких месяцев животные ночной половины Северного полюса не заметят никакой разницы. Их могут поразить недели штормов, но в остальном жизнь останется неизменной. Однако к тому времени, когда пройдет год, они достигнут температуры, сравнимой с их самой холодной зимой, и большинство животных вскоре умрут. Маловероятно, но возможно, что некоторым животным удастся выжить еще какое-то время... только для того, чтобы умереть от голода, поскольку то немногое, что существует, не может быть возобновлено.

Удивительно, но такие насекомые, как красный плоский жук-короед, оказались среди тех, кто пережил холод. В конце концов они все равно вымрут, так как их источник пищи (жуки-древоядные) поддастся холоду. Даже если их источник пищи уцелеет, умирающие деревья в конечном итоге будут съедены. Жук Upis переживет Flat Bark, замерзнув, впадая в криогенную спячку.

Тараканы и крысы также выживут в населенных пунктах, хотя в некоторых городах они могут полностью исчезнуть.

Животные, которые живут рядом с горячими источниками, могут какое-то время выживать и адаптироваться к этому новому миру... только для того, чтобы умереть, когда смерть растений и вечная зима заставят их голодать.

Выживание

Чтобы пережить холод, вам нужна изоляция и электричество или горячие источники.

Самый простой способ согреться — копать глубоко под землей (что будет делаться все труднее, поскольку холод промерзает). Подземное проживание станет вполне комфортным, избавившись от главных недостатков. Под землей вам придется беспокоиться о дожде и управлении сточными водами. Но в этом случае все ваши сточные воды будут переработаны, и больше не будет проблемы дождя. Подземное проживание поможет вам сохранить тепло и безопасность при минимальном потреблении электроэнергии. Однако вам нужно будет приложить больше усилий, чтобы проветрить воздух.

Чтобы пережить голод, нужны либо большие запасы еды (которые закончатся), либо много сил и дотошная настройка.

С питанием и изоляцией не так уж сложно согреться и даже проветрить свои помещения. Настоящей тратой ресурсов будет выращивание еды. Грибы можно достаточно легко выращивать, и они начнут составлять большую часть вашего рациона в качестве экономичной пищи. Но создание достаточного количества света для выращивания сельскохозяйственных культур будет сложной задачей. Без урожая большинство сельскохозяйственных животных бесполезны.

Таким образом, в основном вы будете есть грибы, витаминные таблетки и, в конечном итоге, выращенные в лаборатории дрожжи и тому подобное, чтобы восполнить дефицит в питании. Самый очевидный и важный дефицит — это витамин D, так как у вас больше нет солнца.

Те эксперты, которые выживут в этот период на запасах продуктов, будут усердно работать над генной инженерией лучших грибов и дрожжей, а в долгосрочной перспективе будут отчаянно искать философский камень этого нового мира: силу синтеза.

Будущее власти

Если энергия синтеза будет развита, небольшая популяция людей может прожить тысячелетия в этом холодном ночном мире.

Даже если нет, урана достаточно для нынешнего населения Земли, чтобы выжить при нынешнем уровне потребления в течение 200 лет. Если потребление энергии уменьшится до 1% от того, что есть сейчас, только атомная энергетика сможет поддерживать существование человечества в течение 2000 лет.

Чистый воздух

Таким образом, добавляя уголь и другие ископаемые виды топлива, человечество сможет выжить при разумном населении. Конечно, без растений страх перед углеродным загрязнением атмосферы стал бы крайним. Страх был бы намного хуже, чем проблема.

Даже без атмосферы, пригодной для дыхания, достаточно практично запитать теплицу и использовать ее для повторного использования воздуха. Это будет основным назначением овощей, перерабатывать воздух. Грибы для этого не подходят... они тоже дышат кислородом. Таким образом, чем больше грибов вы выращиваете, тем больше овощей вам придется выращивать (как в симуляторе управления ресурсами!).

Добыча полезных ископаемых

В первые дни будет много попыток захватить вещи из магазинов (естественное охлаждение) и украсть припасы, чтобы выжить. После того, как люди поселятся в комплексах, основным источником работы станут мусорщики, которые не боятся холода, чтобы получить больше припасов.

В конце концов, когда материалы для сбора мусора закончатся, нам придется возобновить добычу полезных ископаемых. В сильные морозы будет трудно путешествовать, искать и транспортировать полезные ископаемые. Но сам майнинг не будет слишком отличаться. Под землей тепло, и большинство из вас все равно будет жить под землей.

Вывод

Так что, в конце концов, мы могли бы прожить достаточно долго, чтобы развить межзвездные путешествия и адаптироваться к этому миру, исключая любые неудачные столкновения с астероидами и метеорами. Поскольку Земля все это время уносится в космос, это может даже помочь нам взлететь к ближайшей звезде.

Действительно, очень сферическая корова. Когда на поверхности океана образуется лед, он создает изоляционный барьер. Станет ли Земля похожей на Европу?

Ответ на этот вопрос был дан в The Straight Dope:

http://www.straightdope.com/columns/read/3293/if-the-sun-goes-out-how-long-till-the-earth-freezes/

Земля может хранить много тепла, но нас, вероятно, волнует температура поверхности, которая будет падать быстрее. Как уже упоминалось, ночью в пустыне температура падает гораздо быстрее.