"IL DESTINO ULTIMO DEL PIANETA TERRA - pt.2" / "PLANET EARTH ULTIMATE FATE - pt.2"

IL SOLE NEL FUTURO

Stando alla teoria dell'evoluzione stellare, in futuro il Sole evolverà lentamente dallo stadio di nana gialla di media grandezza a quello di una fredda gigante rossa la cui luminosità intrinseca sarà più o meno 1000 volte più intensa di quella attuale. Dopodiché, il colossale Sole del futuro si avvierà, questa volta abbastanza rapidamente, verso il suo decadimento finale allo stadio di nana bianca. Ad ogni modo, le conseguenze per la Terra e per i due pianeti interni alla sua orbita, Mercurio e Venere, saranno in definitiva le stesse: incenerimento e vaporizzazione, ad opera dei gas estremamente caldi e delle radiazioni emesse dal Sole durante quelle ultime fasi della sua vita. Dato che la nostra stella, come tutte d'altronde, non può sfuggire alla propria fine, il Sistema Solare e con esso la Terra svaniranno anch'essi; chi prima, chi dopo, in relazione al verificarsi degli eventi sopra descritti. Stando così le cose, è allora interessante provare a tracciare l'evoluzione del Sole e correlare gli eventi della sua futura esistenza con i cambiamenti che si realizzeranno, di conseguenza, sul nostro pianeta.

Circa 5 miliardi di anni fa, quando la nostra stella era circa il 4% più piccola, il 38% meno luminosa e il 10% più fredda, essa era chimicamente omogenea e la temperatura centrale, di quasi 10 milioni di gradi, sufficientemente alta da fondere quantità stabili di idrogeno (o, se vogliamo, protoni) in elio: un processo il cui fine ultimo era quello, allora come oggi, di impedire un collassamento dell'intera struttura stellare ad opera della forza di gravità. Con il passare del tempo, però, il Sole diventerà chimicamente disomogeneo, in particolare allorché comincerà ad evolvere al fuori della cosiddetta "sequenza principale del diagramma HR", fase che lo porterà a subire i cambiamenti preliminari alla sua ascesa al cosiddetto “ramo delle giganti rosse".

Al momento, tale trasformazione sta avvenendo molto lentamente: il Sole, infatti, continuerà ad esistere come stella "di sequenza principale" per altri 5 miliardi di anni fa; ma nel momento in cui l'idrogeno presente nel suo nucleo si esaurirà, la sua struttura verrà significativamente influenzata dalla differenza tra la composizione chimica del nucleo divenuto di elio e quella delle regioni più esterne composte di idrogeno. Allora il Sole diventerà più grande, più caldo e più luminoso di ora: la sua superficie si manterrà ad una temperatura di circa 6400 K e sarà due volte più luminoso di quanto lo è oggi!

L'effetto di tali cambiamenti sugli organismi viventi presenti sulla Terra sarà certamente drastico: la vita verrà distrutta, a meno che la tecnologia umana non sia in grado da poter mettere in atto delle contromisure per far fronte a queste evenienze. Infatti, a causa dell'aumento delle dimensioni e della temperatura durante la sua evoluzione, l'intensità delle radiazioni ultraviolette solari che raggiungeranno la Terra comincerà ad aumentare sempre più, provocando conseguenze anche irreversibili su ogni forma di vita.

E qui, le ipotesi. Per ovviare questa minaccia, gli scienziati dell’epoca potrebbero servirsi di tecniche atte ad aumentare la densità dello spessore dello strato di ozono nell'atmosfera terrestre, che attualmente assorbe la maggior parte delle radiazioni ultraviolette inviate dal Sole sulla Terra. In ogni caso, non sarà tanto l'aumento delle radiazioni ultraviolette in arrivo sul nostro pianeta quanto la crescente luminosità intrinseca della nostra stella madre a minacciare maggiormente l'esistenza della vita, tanto che essa raddoppierà il suo attuale valore, la temperatura alla superficie del nostro pianeta aumenterà di circa il 25%! Nei giorni più caldi dei mesi estivi in entrambi gli emisferi e durante l'intero anno nelle regioni tropicali, la temperatura raggiungerà infatti, o addirittura supererà, il punto di ebollizione dell'acqua: laghi e fiumi si prosciugheranno o arriveranno al punto di ebollizione e alla fine anche i mari, in alcune zone specifiche, è molto probabile che inizieranno a bollire. Di conseguenza, la pressione dell'atmosfera terrestre aumenterà, stando alle ipotesi di circa il 25%, e dense nubi di acqua circonderanno gran parte della Terra di allora, ormai arida.

Tutto questo accadrà finché gli scienziati gli ingegneri dell'epoca non troveranno il modo di proteggere la Terra dai raggi solari di intensità sempre crescente. Una possibilità potrebbe essere, ad esempio, quella di inviare in orbita attorno alla Terra grandi schermi riflettenti i raggi solari nello spazio; ma oltre a tali riflettori, si potrebbe mandare in orbita anche una serie di superfici assorbenti per catturare le radiazioni solari e ricavarne energia. Infatti, con un'apposita ed opportuna sistemazione di schermi riflettenti e di superficie assorbenti, si dovrebbe, almeno teoricamente, riuscire attentamente a controllare la quantità di radiazione solare che raggiungerà la Terra in modo da tenerne sotto controllo il clima; e, allo stesso tempo, si potrebbero utilizzare vaste quantità di energia solare.

In questo modo, le condizioni sulla Terra si stabilizzerebbero per altri 3,5-4 miliardi di anni ma, a partire da allora, il Sole comincerà a cambiare drasticamente e rapidamente: la sua temperatura si abbasserà sicuramente almeno fino a 4800 K, con la conseguenza che il Sole assumerà una tinta cromatica tendente al rosso-arancione, divenendo allo stesso tempo circa tre volte più grande e luminoso di quanto lo è ora. La temperatura terrestre allora dovrebbe crescere fino al punto in cui gli oceani cominceranno nuovamente a bollire. La situazione dovrebbe restare tale per alcune centinaia di milioni di anni mentre il Sole comincerà a consumare le sue ultime risorse di idrogeno nel suo interno; ma allora, non appena il suo nucleo di elio puro comincerà contrarsi rapidamente liberando grandi quantità di energia gravitazionale, la nostra stella inizierà ad espandersi rapidamente, raffreddandosi e diventando molto più rosso e luminoso: in questo modo, esso diventerà una gigante rossa, fase in cui la sua luminosità intrinseca aumenterà costantemente fino al valore previsto di circa 2.700 volte l'attuale luminosità del Sole. La sua superficie rossa e calda raggiungerà dapprima Mercurio e poi Venere: questi due pianeti, a turno, saranno vaporizzati non appena i gas solari li colpiranno…ciascuno di questi getti vaporosi che una volta costituivano i due pianeti interni all’orbita terrestre si aggiungerà al materiale solare in espansione. Una fine davvero triste.

E la Terra? Quando il Sole passerà alla fase di gigante, la sua luminosità sarà un migliaio di volte maggiore di quella attuale e il suo temperatura centrale raggiungerà i 100 milioni di gradi. Questa sarà sufficientemente alta da innescare la reazione dell'elio triatomico e il Sole si ritroverà allora nell'ultima fase della sua evoluzione, che lo porterà verso uno stato altamente condensato della sua stessa materia: quello di una nana bianca. Non sono ancora ben chiari diversi stadi attraverso i quali il Sole passerà dal suo stato di gigante rossa a quello finale, altamente compresso, ma si sa che prima di raggiungerlo esso dovrà passare attraverso una fase in cui perderà una certa quantità della sua massa disperdendola nello spazio: le sue ultime fasi di vita dipenderanno proprio da come ciò accadrà. Stando ai calcoli finora elaborati, durante questa fase il Sole subirà una perdita di massa equivalente a circa il 33% della sua massa totale, materia che verrà dispersa con il vento solare. Di conseguenza alla perdita di massa della nostra stella, le orbite dei pianeti dovrebbero espandersi, tanto che la distanza orbitale della Terra dovrebbe, almeno teoricamente, aumentare fino ad un massimo del 150% del suo valore attuale ma ad ogni modo dovrebbe interagire con l’atmosfera esterna del colossale Sole di allora per quanto riguarda le maree, cosa che, al contrario di quanto avvenuto fino ad allora, dovrebbe portare il raggio orbitale terrestre a diminuire, portando il nostro pianeta ad essere avviluppato negli strati più esterni della gigante rossa!

Anche se la Terra potrà all'inizio essere protetta con mezzi tecnologici dalle intense radiazioni solari dopo che il Sole avrà lasciato la sequenza principale, essa non potrà sfuggire la distruzione nella fase solare di gigante rossa. A meno che…essa non si allontani “artificialmente” di una certa quantità dalla sua orbita attuale, proprio al fine di non poter essere raggiunta dai gas caldi solari in espansione. Ma è realmente fattibile questa ipotesi che a prima vista pare del tutto fantasiosa? Entriamo allora nella fantascienza che, almeno a volte, si è dimostrata premonitrice di eventi che poi sono realmente accaduti.

In linea di principio, ciò sarebbe fattibile perché tutto quello che la Terra richiederebbe è un'energia orbitale addizionale. In altre parole, se, in un modo o nell'altro, la Terra venisse accelerata sulla sua orbita, essa si allontanerebbe dal Sole andando a disporsi su un'orbita di raggio più grande. Ma se si cercasse di aumentare il raggio dell'orbita terrestre fino al valore desiderato, semplicemente impartendo più velocità alla Terra, si incorrerebbe in problemi di estrema difficoltà tecnica che comunque potrebbero essere semplificati in qualche modo, eliminando alcune difficoltà, usando i capi gravitazionali di Marte, Giove e Saturno per facilitare l'allontanamento della Terra dal Sole. Ma anche con l'aiuto di questi pianeti, si dovrebbe cominciare con incrementare l'energia orbitale terrestre fino a che la Terra non si trovi abbastanza vicino a questi pianeti da poter usare i loro campi gravitazionali per acquisire ulteriore energia.

Se la Terra, ad esempio, si muovesse sulla sua orbita ad una velocità di circa 45 km al secondo, essa sfuggirebbe del tutto al sistema solare vagando nello spazio interstellare, ipotesi che ricorda molto quel che accade per la Luna nella serie Sci-Fi "Spazio 1999". La velocità orbitale terrestre, al momento, è di circa 30 km secondo; stando così le cose, la Terra dovrebbe subire un'accelerazione di altri 15 km al secondo per poter uscire dal Sistema Solare ed allontanarsi dal Sole in espansione. Ma l'energia richiesta per far ciò equivale all'energia totale emessa dal Sole in circa tre mesi, una quantità immensa e proibitiva se si considera che deve essere disponibile in breve tempo! Certamente, questo non avverrà, fortunatamente, che tra miliardi di anni, ovvero quando il genere umano si troverà di fronte un Sole minaccioso; molto prima che esso cominci la sua espansione distruttrice nel gruppo delle giganti, gli scienziati e gli ingegneri, conoscendo quel che accadrà alle riserve terrestri se non si svolge un'azione protettiva su di esse, potrebbero cominciare a facilitare l'uscita della Terra dalla sua orbita incrementando la sua velocità gradualmente fino ad una velocità di circa 49 km al secondo. Se questo avvenisse in un periodo di circa 1,5 milioni di anni, che un tempo brevissimo se rapportato al tempo che il Sole impiega nella sua fase di subgigante, la velocità terrestre non dovrà essere aumentata di più di 1 cm al secondo per ogni anno, ovvero a quantità di energia richiesta in un anno sarebbe la stessa che viene emessa dal Sole in cinque secondi! Benché questa sia ancora una quantità elevatissima di energia, non sarà impossibile reperirla per una civiltà che, almeno si spera, si sarà tecnologicamente evoluta in qualche miliardo di anni!

Su questa quantità è ancora eccessiva, il processo di accelerazione della Terra alla velocità richiesta può essere prolungato per un periodo di 100 milioni di anni, aggiungendo un centesimo di centimetro al secondo ogni anno. Per realizzare questo progetto il genere umano dovrebbe essersi evoluto a tal punto da poter liberare ogni secondo, in maniera esplosiva e dal lato opposto al senso di movimento, una quantità di energia uguale a quella liberata da una bomba all'idrogeno di circa 7,5 tonnellate. Tali esplosioni spingerebbero la Terra fuori dalla sua orbita in maniera tale da aumentare la sua velocità della quantità richiesta. Ciò non sarebbe necessario per tutti i 100 milioni di anni se la Terra potesse essere portata abbastanza vicina a Marte, da poter utilizzare l'attrazione gravitazionale di Marte, e quindi abbastanza vicino a Giove.

Benché questa fuga dal Sistema Solare sembri implicare una possibile ma molto poco realistica tecnica di applicazione energetica è chiaro che questa è l’unica soluzione che dovrà essere attuata per evitare la distruzione della Terra.

Potrebbe, in realtà, essere necessario trasformare la Terra in una grande nave spaziale e farla muovere nuovamente in un'orbita distante intorno al Sole in espansione o allontanarla del tutto dal Sole stesso mandandole in un'orbita intorno ad un'altra stella opportuna, non troppo lontana dal Sistema Solare. Se la Terra dovesse rimanere nel Sistema Solare dopo il Sole sarà diventato quasi 3000 volte più luminoso di ora, essa dovrebbe ruotare su un'orbita 40 o 50 volte più lunga di quella attuale per poter sopravvivere agli intensi raggi solari: un anno terrestri equivarrebbe allora a 350 anni attuali.

Se invece di rimanere nel Sistema Solare la Terra dovesse muoversi fuori nello spazio cercando un altro Sole, gli abitanti dovrebbero avere a disposizione una grande riserva di merce per sopravvivere, il che non sarà un problema comunque in quanto per quell'epoca l'uomo avrà sicuramente imparato (...) ad ottenere quantità di energia pressoché illimitate dalla fusione termonucleare e da sofisticate tecnologie, come la completa annichilazione di materia e antimateria. È anche possibile che l'uomo allora avrà imparato a raccogliere e immagazzinare la maggior parte dell'energia solare ora dispersa nello spazio. Così, speciali installazioni di conversione e deposito di energia dovranno essere predisposte e collocate su corpi come Mercurio, Venere e la Luna, e per altre centinaia di milioni o miliardi di anni si potrà raccogliere abbastanza energia solare da soddisfare bisogni della Terra vagante nello spazio dei suoi abitanti d'altri secoli ancora.

THE SUN IN THE FUTURE

According to the theory of stellar evolution, in the future the Sun will evolve slowly from the stage of a yellow dwarf of medium size to that of a cold red giant whose intrinsic brightness will be roughly 2,700 times more intense than at present. After that, the colossal future Sun will start, this time quite quickly, towards its final decay as a  white dwarf. However, the consequences for the Earth and for the two inner planets within its orbit, Mercury and Venus, will be ultimately the same: incineration and vaporization, both given by the extremely hot gas and the radiation emitted by the Sun during the last stages of his life. Since our star, like all the others in the sky, cannot escape his own end, the Solar System and the Earth will vanish with it too; who first, who later, in relation to the occurrence of the events described above. That being the case, then it is interesting to try tracing the evolution of the Sun and correlate events of his future existence with the changes that will take place, consequently, on our planet.

About 5 billion years ago, when our star was about 4% smaller, 38% less light and 10% colder, it was chemically homogeneous and the central temperature, nearly 10 million degrees, high enough melt stable quantity of hydrogen (or, if you will, protons) into helium, a process whose ultimate aim was, then as now, to prevent a collapse of the entire stellar structure by gravity. With the passage of time, however, the Sun will become chemically inhomogeneous, particularly when it will begin to evolve out of the so-called "main sequence of the HR diagram" phase that will take him to undergo changes prior to his rise to so-called "giant branch red ".

At present, such a transformation is taking place very slowly: the Sun, in fact, is going to continue existing as a "main sequence" star for another 5 billion years now; but in the moment in which the hydrogen in its core will run out, its structure will be significantly affected by the difference between the chemical composition of the nucleus become helium and that of the outer regions composed of hydrogen. Then the Sun will become bigger, hotter and brighter than now: its surface will be maintained at a temperature of about 6400 K and will be twice as bright as it is today!

The effect of such changes on living organisms on the Earth will certainly be drastic: life will be destroyed, unless the human technology will be able to implement some countermeasures to cope with these eventualities. First of all, because of the size and temperature during its evolution, the intensity of solar ultraviolet radiation that will reach the Earth will start to increase more and more, causing irreversible consequences of all life forms.

And here, the assumptions. To overcome this threat, future scientists could use techniques to increase the density of the thickness of the ozone layer in Earth's atmosphere, which currently absorbs most of the ultraviolet radiation sent from the Sun to Earth. In any case, it will not be so much the increase in ultraviolet radiation coming to our planet as the increasing intrinsic brightness of our parent star to threaten further the existence of life, so that when it will double its current value, the temperature at the surface of the our planet will increase by about 25%! The hottest days of the summer months in both hemispheres and throughout the whole year in tropical regions, the temperature will reach, or even exceed, the so-called “boiling point of water”: lakes and rivers will dry up or come to the boiling point and eventually even the seas, in some specific areas, it is very likely that will begin to boil. Consequently, the pressure of the atmosphere will increase, according to the hypotheses of about 25%, and dense clouds of water surround large part of the Earth then, now dry.

All of this will happen until scientists engineers of the time they will not find a way to protect the Earth from the Sun's intensity increasing. One possibility could be, for example, to send into orbit around the Earth large screens reflecting sunlight into space; but in addition to these reflectors, you could send into orbit a series of absorbent surfaces to capture solar radiation and obtain energy. In fact, with a specific and appropriate accommodation of reflective screens and absorbent surface, it should, at least theoretically, be able to carefully control the amount of solar radiation that reaches the Earth so bear under control the climate; and, at the same time, we could use large amount of solar energy.

In this way, the conditions on Earth would stabilize for other 3,5 - 4 billion years; but, since then, the Sun will begin to change dramatically and rapidly: its temperature is lowered definitely at least up to 4800 K, with consequence that the Sun will take a reddish-orange color, becoming at the same time about three times bigger and brighter than it is now. The Earth's temperature should then grow to the point where the oceans will begin to boil again. The situation is expected to remain so for several hundred million years while the Sun will begin to consume his last resources of hydrogen in its interior; but then, as soon as its core of pure helium begins to contract rapidly releasing large amounts of gravitational energy, our star will begin to expand rapidly, cooling and becoming a lot more red and bright: in this way, it will become a red giant phase in which its intrinsic brightness increase steadily until the expected value of about 2,700 times the current brightness of the Sun. Its surface, red and hot, will reach first Mercury and then Venus: these two planets, in turn, will be vaporized as soon as the gas solar them strike ... each of these jets fluffy that once constituted the two inner planets orbit the Earth will add to the expanding solar material. A really sad end indeed!

And the Earth? When the Sun will go down giant phase, its brightness will be a thousand times greater than at present, and its central temperature will reach 100 million degrees. This will be high enough to trigger the reaction of triatomic helium and the Sun will be then at the final stage of its development, which will bring itself to a state of very highly condensed matter: that one of a white dwarf! The different stages through which the Sun will rise from its state of a red giant to its final highly compressed are still not very clear but it’s well known that before it the Sun will have to go through a phase where will lose a certain amount of its mass, dispersing it into space: its last stages of life will depend on precisely how this will happen. According to already processed calculations, during this phase the Sun will suffer a loss in mass equivalent to about 33% of its total mass, the subject to be dispersed with the solar wind. Therefore the loss of mass of our star, the orbits of the planets should expand, so that the orbital distance of the Earth should, at least theoretically, increase up to a maximum of 150% of its current value but either way it should interact with the colossal Sun's outer atmosphere of that time with respect to the tides, which, contrary to what happened until then, should bring the Earth's orbital radius to decrease, bringing our planet to be enveloped in the outer layers of the red giant!

Although the early Earth may be protected by technological means by intense solar radiation after the Sun has left the main sequence, it cannot escape destruction during the red giant phase. Unless ... it does not diverge "artificially" by a certain amount from its present orbit, precisely in order that it cannot be reached by the solar hot gases expanding. But is it a really feasible hypothesis this one that at first glance seems quite imaginative? We enter then in science-fiction that, at least at times, proved predictive of events that actually happened then.

In principle, this would be feasible because all that the Earth is an energy would require additional orbital. In other words, if, in one way or another, the Earth was accelerated on its own orbit, it would move away from the Sun going to arrange themselves in an orbit of larger radius. But if you try to increase the radius of Earth's orbit to the desired value, simply by giving more speed to the Earth, you would incur in problems of extreme technical difficulty that still could be simplified somewhat by removing some difficulties, using the heads of gravitational Mars, Jupiter and Saturn to facilitate the removal of the Earth from the Sun. But even with the help of these planets, you should begin by increasing the Earth's orbital energy until the Earth is not located close enough to these planets can use their gravitational fields to capture additional energy.

If the Earth, for example, moved in its orbit at a speed of about 45 kilometers per second, it would escape the Solar System altogether wandering in interstellar space, a hypothesis that is very reminiscent of what happens to the Moon in the Sci-Fi series "Space 1999 ". The orbital velocity of the Earth is now approximately 30 km per second; under the circumstances, the Earth is expected to accelerate other 15 km per second in order to escape the solar system and move away from the Sun in expansion. But the energy required to do this is equivalent to the total energy emitted by the Sun in about three months, an immense and prohibitive amount considering that must be available in a short time! Certainly, this will not happen, fortunately, that billions of years, or when mankind will face a menacing Sun; much before it begins its destructive expansion in the group of giants, scientists and engineers, knowing what will happen to the reserves if you do not land plays a protective effect on them, could begin to facilitate the exit of the Earth from its orbit increasing its speed gradually up to a speed of about 49 km per second….this is Sci-Fi, of course. But if this occurs in a period of about 1.5 millions of years, a very short time if compared to the time it takes the Sun in its phase of subgiant, the speed of Earth will not be increased by more than 1 cm per second a year, which is the amount of energy required in a year would be the same that is emitted by the sun in five seconds! Although this is still a high amount of energy, it will be impossible to retrieve it for a civilization that, hopefully, you will be technologically evolved in a few billion years!

If this amount is still not enough, the acceleration process of the Earth at the speed required may be extended for a period of 100 million years, adding a hundredth of a centimeter per second each year. For this project mankind should be evolved to such an extent as to leave each second, in an explosive manner and on the side opposite to the direction of movement, an amount of energy equal to that released by a hydrogen bomb of about 7.5 tons. Such explosions would push the Earth out of its orbit so as to increase the speed of the required amount. This would not be necessary for every 100 million years if the Earth could be brought close enough to Mars, they can use the gravitational pull of Mars, and then close enough to Jupiter.

Although this escape from the solar system seems to imply a possible but very unrealistic energy application technique, it is clear that this is the only solution to be implemented to prevent the destruction of Earth.

It could, in fact, be necessary to turn the Earth into a large spaceship and move it again to a more distant orbit around the Sun in expansion or, at least, completely away from the Sun itself, sending it into orbit around another star appropriate, not too far away from the Solar System. That’s Sci-Fi…ok. But if the Earth were to remain in the Solar System after the Sun will become almost 3000 times brighter than now, it should rotate on an orbit 40 or 50 times longer than the current one in order to survive the intense sunlight: a year would then land 350 current years! There’s no way out, unfortunately.

If instead of remaining in the Solar System the Earth would move out into space looking for another Sun, people should have a large stock of goods to survive, which will not be a problem anyway because by then the man will definitely learned (...) to get almost unlimited amount of energy from nuclear fusion and sophisticated technologies, such as the complete annihilation of matter and antimatter. It is also possible that the future man will have learned how to collect and store most of the solar energy now dispersed in space. Thus, special installations conversion and energy storage will be prepared and placed on bodies such as Mercury, Venus and the Moon, and for hundreds of millions or billions of years, enough solar energy could be collected to meet the needs of the Earth in the space of rambling inhabitants of other centuries yet.