Если Земля ушла из Солнечной системы в межзвездное пространство. Через какое время атмосфера замерзнет?

Земля излучает тепловое излучение, соответствующее ее температуре, и таким образом теряет энергию (и снижает температуру). Обычно это отменяется - каждый день или каждый год - энергией, исходящей от Солнца. В вашем мысленном эксперименте второй член отсутствовал бы.

Так что те 342 Ватта на квадратный метр, в среднем исходящие от Солнца (точнее, только 250 или около того, потому что часть все равно отражается без какого-либо преобразования формы энергии, так что это как если бы она вообще не исходила) исчезли бы из поля зрения. бюджет. Нужно оценить теплоемкость атмосферы - и соответствующие слои океана, способные некоторое время нагревать атмосферу над ним. Но вам не нужно быть таким изощренным. Достаточно посмотреть на реальность погоды — цифры, которые всем известны.

В континентальном климате переход от дня к ночи снижает температуру атмосферы в среднем на 1 градус Цельсия (облачность уменьшает разницу между днем ​​и ночью, солнечное небо увеличивает ее). Поскольку то, что вы говорите, это всего лишь постоянная ночь, эта скорость охлаждения будет продолжаться и продолжаться. Таким образом, начальная скорость будет снижаться на 1 градус в день или около того; это было бы медленнее над океаном.

По мере того, как температура Земли падала бы, радиация падала бы как четвертая степень абсолютной температуры (в градусах Кельвина). Атмосфера станет более прохладной, частично сконденсированной (если не замерзшей) и намного более тонкой. Итак, как только абсолютная температура уменьшилась на 20 процентов (обратите внимание, что$1.2^4$равно 2 или около того) или около 50 градусов Цельсия, скорость охлаждения упадет до 1/2 от исходной. В любом случае, вам нужно несколько месяцев, чтобы добраться до минус 50 градусов или что-то в этом роде. Океан еще долго будет колебаться и будет пытаться растопить более разреженную атмосферу прямо над собой — точно так же, как циркулирует вода подо льдом в пруду. Обратите внимание, что глубоководная циркуляция океана занимает около 1500 лет.

Так что, конечно, океан не замерзнет еще очень долго. Но это уже другой вопрос. Излишне говорить, что тепло почти не проникает под твердую землю - километры ниже скал, они не заметят, что Солнце ушло на тысячи лет или намного дольше.

С наилучшими пожеланиями Любош

Если бы вы могли внезапно бросить большой экран между Землей и Солнцем, первоначальная скорость потери энергии равнялась бы общему потреблению солнечной энергии:

Где$\alpha$среднее альбедо, которое Вольфрам определяет как$0.37$, поток$F = 1400\frac{\text{W}}{\text{m}^2}$, а радиус Земли$R_e = 6.4 \times 10^6\text{ m}$, Я получил$7 \times 10^{16} W$.

Теперь масса атмосферы примерно$5 \times 10^{18}\text{ kg}$(снова Вольфрам), а теплоемкость газообразного азота равна$c_p = 30 \frac{\text{J}}{\text{mol K}} = 1070 \frac{\text{J}}{\text{kg K}}$. Так что начальное охлаждение будет около$1.3 \times 10^{-5}\text{ K/s}$, или около одного Кельвина в день. Эта скорость упадет на четвертую степень температуры (используйте абсолютные единицы измерения!).

Вещи, оставленные без внимания:

• Я пренебрегал океанами и геотермальным теплом. Оба эффекта замедлят ход событий, океан значительно, геотермальный — не очень. В самой породе также содержится много тепла, но она является гораздо лучшим изолятором, чем вода, поэтому в краткосрочной перспективе она будет иметь меньший эффект. Тем не менее, отправляйтесь в глубокую шахту или пещеру, чтобы согреться, и следите за дырой в шахте !
• Теплота испарения водяного пара и теплота плавления жидкой воды и углекислого газа будут замедлять процесс, пока происходят фазовые переходы. Позже будут и другие фазовые переходы, но они не будут иметь значения для замороженных трупов...
• Я использовал приближение черного тела, которое, конечно, не точно, но для наших целей должно подойти.

Как пишет Омега в комментариях, все эти факторы являются смягчающими, и реальная скорость потери температуры может быть в несколько (а может и в десять) раз ниже, чем приведенный выше расчет. Есть много деталей, которые действительно имеют значение, и все будет меняться по мере изменения атмосферы (больше облаков, затем меньше, возможные облака углекислого газа...) и замерзания океанов.

Однако тот факт, что дневной/ночной температурный цикл намного больше, чем дневное изменение, полученное выше, предполагает, что температура вблизи поверхности Земли лишь слабо связана со средней температурой атмосферы (я думаю, это не является большим сюрпризом, поскольку поверхность, вероятно, самая теплая часть атмосферы), поэтому вы можете ожидать, что температура поверхности будет падать намного быстрее, чем в среднем поначалу. Насколько быстрее? Ну, как смена дня и ночи поначалу, хотя я предполагаю, что это довольно быстро замедлится.

Скорость относительно где? Хотя не так критично =)

Это займет несколько часов (может быть, несколько дней), если вы мгновенно перенесете его на пустое место. Это займет несколько недель, если вы будете постепенно удаляться от Солнца. Позвольте мне отметить, что, как сказал Нолдорин, единственный способ передачи тепла — это излучение, но, поскольку Земля является относительно хорошим излучателем, это не займет много времени.

Почти всегда будет атмосфера, потому что гравитации достаточно, чтобы притягивать газ, независимо от того, какой это газ. Хотя он наверняка будет более тусклым и менее плотным. На Земле недостаточно метана для образования метанового цикла, подобного циклу на Титане. На Титане может быть в сотни раз больше метана, чем на Земле.