دیدگاه ما از آینده از زمان ولز بسیار تغییر یافته است. اگر چه ماشین زمان همچنان جزء داستانهای علمی تخیلی باقی مانده است، شناخت و درك ما از تغییرات خورشید این امر را ممكن ساخته است كه آینده بسیار دور زمین را به گونه ای شرح دهیم كه هم شامل جزئیات و هم از نظر علمی درست باشد.

اگر بتوانیم فیلم سریعی از 200 میلیون سال آینده زمین ببینیم، خواهیم دید قاره ها به هم می پیوندند تا شكل آینده كهن قاره (Pangaea) را به وجود آورند كه آن هم ساختار جدید صفحات قاره ای را ایجاد می كند. حرارت داخل زمین در درجه اول از فروپاشی ذرات رادیواكتیو اورانیوم 238 ایجاد می شود كه نیمه عمر آن 4.5 میلیارد سال است. بنابراین مواد داخلی زمین هم اكنون در حدود نیمی از میزان اولیه گرما تولید می كنند. با سرد شدن مواد داخلی، فرایندهای نوسازی زمین شناسی به تدریج متوقف می شود و سیاره به دوران پیری و سالخوردگی وارد می شود. آتشفشانها فوران می كنند و قاره ها به تدریج شكل و ساختار نهایی خود را به دست می آورند. طی میلیاردها سال بعد سطح آب اقیانوسها اندكی پایین می رود، زیرا آب توسط پوسته كه به طور ثابت در حال خنك شدن است جذب می گردد.

با این حال خنك شدن زمین با خنك شدن سطح زمین همراه نیست. خورشید همواره از زمان تولدش كمی درخشانتر شده است. ستاره گرم حیاتبخش ما در مسیری است كه به بلایی سوزان برای حیات زمین تبدیل می گردد.

تعادل مشكل

خورشید مانند بیشتر ستاره ها در وضعبت پایدار و متعادل بین كشش جاذبه به سمت داخل از یك سو و فشار حاصل از گرمای همجوشی هسته ای به سمت خارج از سوی دیگر قرار دارد. این یك تعادل خود تنظیم است. كمی منقبض شدن خورشید باعث افزایش چگالی و دمای مركزی آن می شود و واكنشهای هسته ای را سریعتر می كند كه گرمای اضافی آن سبب منبسط شدن خورشید می گردد. انبساط نیز قسمتهای داخلی را مقدار كمی خنك و تولید انرژی هسته ای را كند می كند و سبب انقباض مجدد خورشید می گردد. در نتیجه خورشید در حال تعادل باقی می ماند.

با این حال پس از گذشت صدها میلیون سال این تعادل اندكی به هم می خورد. با انجام همجوشی و تبدیل هیدروژن به هلیم، مقدار هیدروژن در هسته خورشید كاهش می یابد. هلیم خنثی است پس هسته باید كوچكتر و گرمتر شود تا همجوشی ادامه یابد. خورشید با گذشت 4.5 میلیارد سال از تولدش، اندكی كمتر ازنیمی از هیدروژن اولیه خود را سوزانده و هسته آن واقعاً سرشار از هلیم شده است. خورشید در مقابل پایین آمدن تدریجی درجه گاز خود، با دنباله ای از اتفاقات پیچیده پاسخ می دهد كه هیچ یك از آنها پدیده خوشی برای زمین نیست.

وقتی ستاره ای نظیر خورشید كه در چرخه اصلی نمودار تحول ستاره ای هرتزپروگ-راسل قرار دارد هیدروژن خود را می سوزاند و هسته آن چگالتر می شود، دمای مركزی آن به اندازه كافی بالا می رود تا تمام هیدروژن سریعتر بسوزد. خورشید از زمان تولدش 30% درخشانتر شده است. طی 1.2 میلیارد سال، كمی بزرگتر شده و 10% دیگر نیز درخشانتر می گردد و دمای سطح آن 150 درجه سانتیگراد (270 درجه فارنهایت) گرمتر می شود.

پدیده گلخانه ای

پرسش بسیار جالب این است كه سیستم پیچیده زمین چگونه به این رویدادها پاسخ می دهد. تا كنون زمین وظیفه نگهداری دمای پایدار در مقابل درخشندگی همواره افزاینده خورشید را به صورت قابل قبولی انجام داده است. اگرچه در گذشته دور نوسانهایی هم رخ داده است، از جمله حداقل دو دوره عصر یخبندان پیش از شروع زندگی در زمین كه به نظر می رسد زمین در آن دوران به صورت كامل از قطبها تا استوا یخ زده است. همچنین دورانهای بسیار گرمتری از حالا وجود داشته است كه جنگلهای معتدله قطبها را پوشاندند.

طی قرن آینده و پس از آن با آزاد كردن حجم زیادی از دی اكسید كربن در جو، آزمایش پرماجرای بسیار بزرگی را در پیش رو خواهیم داشت.

شوك حاصل از آب و هوای زمین پیشرفت با ارزشی در فهم ما از این مهم ایجاد خواهد كرد كه زمین طی دوره های طولانی تر چگونه به انرژی افزاینده خورشید پاسخ خواهد داد.

با نگاهی واقعاً بلند مدت و با در نظر گرفتن این واقعیت كه زیست كره از قطب به سمت استوا غنی تر می شود، زمین كه بسیار گرمتر شده ممكن است واقعاً نعمتی برای زندگی باشد. زندگی در گلخانه رونق می گیرد: این روند شاید با گذشت میلیونها سال برای تحول و تطابق و سازگاری آهسته، حتی زیست كره غنی تری بالاتر از دمای جوش آب ایجاد نماید.

اما سرانجام این دمای سرنوشت ساز فراخواهد رسید. مدلهای آب و هوایی بدون ابر نشان می دهد كه زمین در 1.2 میلیارد سال آینده به وضعیت گلخانه مرطوب خواهد رسید. این از هر آنچه كه ما با رها كردن دی اكسید كربن در جو می توانیم انجام دهیم بسیار ویرانگرتر خواهد بود، چرا كه بخار آب در صورت وجود به اندازه كافی، خود یك گاز گلخانه ای قوی است. در دوران گلخانه مرطوب تبخیر آب اقیانوسها در اثر دماهای بسیار بالا به شدت افزایش می یابد و بخار آب بیشتری وارد جو می گردد. در نتیجه حتی به دماهای بالاتری خواهیم رسید و این روند تا جایی ادامه می یابد كه اقیانوسها به كلی تبخیر و خشك شوند. انتظار داریم زمین در مدت كوتاهی پس از یك میلیارد سال به یك بیابان برهوت و برشته تبدیل شود. سخت است تصور كنیم كه حیات چند سلولی ها چگونه ادامه خواهد یافت.

اما بر سر آن همه بخار آب بر فراز زمین خشك چه خواهد آمد؟ در حال حاضر بخار آب تقریباً به طور كامل در تروپوسفر (گشتكره) – لایه پایین جو كه شرایط جوی در آن رخ می دهد –  محصور شده است. مقدار كمی بخار آب در استراتوسفر (پوش كره) و خیلی كمتر در بالای ازن كه بیشتر نور فرابنفش زمین را جذب می كند وجود دارد. بنابراین مقدارخیلی كمی بخار آب در معرض پدیده نوركافت (فتولیز: تجزیه شیمیایی در اثر نور) است كه در آن نور فرابنفش یك مولكول آب (H₂O) را شكسته و یك اتم هیدروژن آن راجدا می كند. در نتیجه آب ما دست نخورده و سالم باقی می ماند.

دما در بالای جو زمین به اندازه كافی بالاست كه هر اتم آزاد هیدروژن معمولاً به فضا فرار كند. بنابراین اگر آب به بالای لایه ازن برود در مسیر آزاد شدن در فضا قرار می گیرد. زمین بعد از دوره تحول گلخانه مرطوب به تدریج همه آب خود را از دست می دهد و سیاره دوره جدید انتقال به یك گلخانه گرم جهنمی را شروع می كند، درست مشابه آنچه كه اكنون در سیاره ناهید حكمفرماست.

در واقع ناهید ممكن است زمانی بسیار معتدل تر و شبیه زمان كنونی ما بوده باشد. اندازه گیریهای انجام شده در مورد آهنگ تبدیل دوتریم موجود در جو آن به هیدروژن حاكی از آن است كه این سیاره مقدار زیادی آب را در گذشته خود از دست داده است، مقداری احتمالاً به اندازه یك اقیانوس. اگرچه ناهید انرژی بیشتری نسبت به حال حاضر زمین دریافت كرده، در دوران اولیه خورشید نیز 30 درصد كمتر انرژی دریافت نموده است. اگر دقیقاً بتوانیم بفهمیم كه ناهید چگونه به این صورت درآمده، ممكن است بتوانیم پیش بینی آب و هوایی طولانی مدت تری را به صورت دقیقتر در مورد زمین انجام دهیم.

مدل سازیهای انجام شده توسط جیمز كستینگ (James Kasting) ازدانشگاه ایالت پن نشان می دهد كه گلخانه خشك تقریباً در 3 میلیارد سال در زمین اتفاق خواهد افتاد - دو میلیارد سال پس از آنكه آخرین قطره آب مایع هم تبخیر شد. دما در آن زمان دوباره بالا خواهد رفت و به دمای ذوب كننده 400 درجه سانتیگراد (750 درجه فارنهایت) خواهد رسید.خورسید در آن زمان فقط 40% درخشانتر از حال حاضر خواهد بود و چند میلیارد سال دیگر برای سوزاندن هیدروژن در پیش رو خواهد داشت.

به تعویق انداختن واقعه ای اجتناب ناپذیر

 من و فرد آدامز (Fred Adams) از دانشگاه میشیگان و دان كریكانسكی (Don Korycansky) از دانشگاه كالیفرنیا سانتاكروز در سال 2000 به صورت گروهی طرحی را آماده كردیم تا دمای مطلوب فعلی زمین را در برابر گرمای افزاینده خورشید در چند میلیارد سال آینده تثبیت نماییم. كلید این طرح زمان بسیار طولانی است كه در پیش رو داریم. ما نشان دادیم كه تنها با مصرف كمی انرژی طی هزاران یا میلیونها سال می توان جرم بزرگتری از كمربند سیاركی و یا كوییپر را به گونه ای مانور داد كه پی در پی گذرهای نزدیكی از زمین و مشتری داشته باشد، به گونه ای كه بخشی از انرژی عظیم مداری مشتری را به زمین منتقل نمایند. چنین گذری در هر 10000 سال كافیست تا مدار زمین را با سرعت كافی به سمت خارج حركت داد تا با درخشندگی افزاینده خورشید مقابله كند.

اگرچه فناوری لازم برای شروع چنین پروژه ای تقریباً موجود است، اما برنامه ریزی بلند مدت و ثبات انسانی باید به اندازه زیادی در ابعاد مختلف رشد كند. مشكل فقط این نیست كه یك اشتباه كوچك محاسباتی می تواند سبب بروز برخورد برای زمین شود. پس از چاپ نتایج این كار، رسانه ها كاملاً به صورت اشتباه گزارش دادند كه این طرح می تواند در كوتاه مدت، گرم شدن جهانی زمین توسط انسانها را به تأخیر اندازد. چنین گزارشهایی منجر به نوشته های روزنامه ها، میزگردهای بی معنی تلویزیونی و سیل فراگیر نامه ها و تماسهای خشمگینانه شد. 10 میلیون سال زمان خوبی است تا قبل از شروع صبر كنیم. مسأله اصلی كه باید در نظر بگیریم آن است كه آیا تمدن در این مدت دوام خواهد آورد.

اما تحول خورشید بدون در نظر گرفتن آنچه آیندگان ما انجام خواهند داد سرعت خواهد گرفت. مدلهای كامپیوتری بسیار بهینه شده و بررسی و رصدهای دقیق و جزئی از ستاره های شبیه خورشید نشان می دهد كه سوختن هیدروژن از هسته خورشید به سمت پوسته خارجی پیش خواهد رفت و این انتقال سریعتر و سریعتر خواهد شد. تولید انرژی به طرز شگرفی افزایش خواهد یافت و باعث بزرگ شدن لایه های خارجی خورشید خواهد گردید.

مدلهای فعلی نشان می دهد كه خورشید در 6.36 میلیارد سال بعد 2.2 برابر درخشنده تر از وضعیت فعلی خود خواهد بود و مریخ به اندازه حال حاضر زمین گرما دریافت می كند. اما این اتفاق احتنالاً خیلی دیر در مریخ رخ می دهد. جاذبه مریخ آنقدر كم است كه نمی تواند جو گرم قابل ملاحظه ای را نگه دارد تا آنرا به یك منطقه قابل سكونت تبدیل نماید.

خورشید طی 730 میلیون سال بعدی 2.7 برابر درخشانتر و 2.3 برابر بزرگتر از حال حاضر می شود. منظومه شمسی در آن زمان به واقع غیر قابل سكونت می شود. ناهید و زمین دوقلوهای سولفوری می گردند و مریخ به یك بیابان سوزان مبدل می گردد. اقمار مشتری همچنان یخ زده هستند، اما ذوب شدن آنها نزدیك است. خورشید پس از 590 میلیون سال به مرحله تبدیل به یك غول سرخ وارد می شود و مراحل بعدی بسیار شدیدتر از هر آنچه تا كنون بوده می شود.

غول سرخ

اكنون می توانید یك مدل مقایسه ای از زمین و خورشید درست كنید. یك دانه شن را دریك دست و یك سكه ده سنتی (قطر 17.9، ضخامت 1.35میلیمتر و حجم 339.7 میلیمتر مكعب) را در دست دیگر گرفته و تا جایی كه می توانید آنها را دور از هم بگیرید. همانطور كه خورشید به یك غول سرخ تبدیل می شود، سكه ده سنتی را ابتدا با یك سكه 25 سنتی (قطر 24.3 ، ضخامت 1.75 میلیمتر و حجم 811.6 میلیمتر مكعب) و پس از آن با یك گریپ فروت جایگزین نمایید. اقمار گالیله ای مشتری - اروپا، گانیمد و كالیستو -  در آن زمان یك جو ضخیم از بخار آب می سازند و وارد دوره گلخانه مرطوب می گردند. سپس آب آنها فتولیزه شده و به فضا می رود.

تایتان بزرگترین قمر زحل به خوبی گرم می شود. كریس مك كی (Chris McKay) از مركز تحقیقات آمس ناسا و همكارانش دوره ای چند صد میلیون ساله شناسایی كرده اند كه اقیانوسهای آمونیاك مایع در سطح تایتان به پایداری می رسند. واكنشهای شیمیایی پیچیده در بین مولكولهای ارگانیك آنها انجام خواهد شد و احتمالاً سبب ایجاد شكل جدیدی از زندگی، البته نه برای مدتی خیلی طولانی خواهد شد.

و زمین؟ سؤال این است كه آیا این سیاره اصلاً باقی خواهد ماند؟

در مدل مقایسه ای ما خورشید از گریپ فروت به توپ بسكتبال و سپس به توپ بزرگ بازی در ساحل تبدیل می گردد و سرانجام سیاره تیر را خواهد بلعید. اما چون درخشندگی آن به صدها برابر افزایش می یابد و جاذبه سطحی آن به علت افزایش قطرش كاهش می یابد، باد قدرتمندی از خورشید شروع به وزیدن می كند كه سرانجام نزدیك به یك چهارم از جرم خورشید را با خود به خارج حمل می كند. در نتیجه خورشید یك چهارم از نیروی گرانش خود را از دست می دهد. بنابراین مدار سیارات به سمت خارج منتقل می گردد.

همچنانكه خورشید به اوج تبدیل به غول سرخ نزدیك می شود بیش از 200 برابر اندازه كنونی خود می گردد و به راحتی مدار فعلی ناهید و تقریباً مدار فعلی زمین را در بر می گیرد. اما ناهید در آن زمان احتمالاً به جای كنونی زمین رسیده و زمین نزدیك به مدار فعلی مریخ است. بنابراین در نگاه اول به نظر می رسد كه زمین فرار می كند.

به تازگی كاسپر آر ریبكی (Kacper R Rybicki) از مؤسسه ژئوفیزیك آكادمی علوم لهستان و كارلوس دنیس (Carlos Denis) از دانشگاه لژ بلژیك مطالعات دقیقتری در مورد اثرات غول سرخ خورشید بر منظومه شمسی انجام داده اند. آنها به یك نتیجه گیری مهم دست یافته اند: نیروهای كشندی نقش مهم و حساسی در تعیین سرنوشت زمین دارند. همچنانكه خورشید بزرگتر می شود گرانش زمین سبب ایجاد برآمدگی كشندی خیلی كوچكی در سطح خورشیدی آن می گردد. اصطكاك سبب می شود تا این برآمدگی اندكی تأخیر در حركت ایجاد نماید. این تأخیر به نوبه خود كشش گرانشی دائمی به سیاره وارد می نماید و سبب می شود تا زمین به آهستگی به سمت داخل حركت مارپیچی كند. این حركت مشابه وضعیتی است كه برای ماه رخ می دهد كه در آن اثر كشندی ماه بر زمین باعث می شود ماه به سمت خارج حركت كرده و از زمین دور شود، با این تفاوت كه در اینجا برعكس اتفاق می افتد، زیرا سرعت گردش خورشید آهسته تر از سرعت گردش ما به دور خورشید است نه سریعتر از آن.

با در نظر داشتن همه احتمالات هنوز مشخص نیست كه آیا زمین از بلعیده شدن توسط غول سرخ فرار خواهد كرد یا نه.

مرحله اول غول سرخ زمانی پایان خواهد یافت كه دمای هسته به 100 میلیون درجه سانتیگراد می رسد و هلیم شروع به همجوشی به كربن می كند كه منبع جدید تازه ای از انرژی می باشد. خورشید در پاسخ به این انرژی جدید زیاد به میزان زیادی كوچك شده و درخشندگی كلی آن حدود 100 برابر كاهش می یابد. خورشید هلیم را برای چند صد میلیون سال با آهنگ ثابت مصرف می كند و منظومه خورشیدی برای مدتی از زنجیره بلایا خلاصی می یابد. اگر زمین سالم باشد (با هزینه ای اندك این احتمال به 75% می رسد) احتمالاً به صورت صخره ای از سیلیكات جوش خورده است كه به طور مستقیم با خلأ فضا در تماس می باشد و دمای ظهر آن به 600 درجه سانتیگراد می رسد. هر نشانه ای كه در سیاره ما وجود داشته مدتهاست ذوب و دوباره كریستال شده اند و به فراموشی سپرده شده اند.

در كشاكش مرگ

خورشید در نزدیكی به پایان رسیدن هلیم خود به یك كوتوله سفید با هسته ای از كربن و هیدروژن تبدیل می گردد. در این زمان لایه های خارجی خورشید دوباره بزرگ و سرد می شوند و خورشید برای دومین بار به یك غول سرخ مبدل می گردد. ستاره شناسان به این دومین غول سرخ به دلیل موقعیت آن در نمودار تحول ستاره ای هرتزپروگ-راسل به نام «شاخه مجانب» اشاره می كنند. خورشید یك بار دیگر به تهدیدی جدی برای حیات فیزیكی زمین تبدیل می شود. غول سرخ در طی مرحله دوم چندین دوره خروج عظیم انرژی را تجربه می كند. هلیم شعله ور می شود كه منجر به ارتعاش و تپشی با بزرگی حدود 10000 سال خواهد شد. كاملاً محتمل است كه زمین پیش از آنكه فرصتی برای حركت مارپیچ به بیرون از خرابی كلی داشته باشد مختصری توسط خورشید در بر گرفته شود.

سپس حدود 100 میلیون سال پس از شروع مرحله دوم غول سرخ، خورشید لایه های بزرگ خارجی خود را به طور كامل به بیرون می ریزد تا یك سحابی سیاره ای ، شاید مشابه آنچه در تصویر نشان داده شده تشكیل دهد كه یك كوتوله سفید كوچك، اما گرم و درخشان باقی می گذارد.

و دوباره تهدید دیگری از راه می رسد.

ما دریافته ایم كه از دست دادن جرم توسط خورشید برای حیات فیزیكی زمین ضروری است. اما اگر خورشید بیش از حد مورد انتظار جرم از دست دهد، مشتری و زحل به صورتی خطرناك برهم كنش گرانشی خواهند داشت. آنها یكدیگر را تحریك كرده و حركتی طولانی و دیوانه وار در حلقه های بیضوی انجام می دهند كه مابقی

منظومه شمسی را ویران خواهد نمود. در آشفتگی های بعدی تصادم اشیاء به پایان می رسد و آنها به فضای بین ستاره ای پرتاب شده و به سمت خورشید سقوط می كنند. بقایای مشابه از منظومه های خورشیدی ویران شده در دو و شاید تمام 40 كوتوله سفید مشاهده شده اند، از جمله یكی كه از دست دادن جرم آن موجب ایجاد سحابی مارپیچ شده است.

تبدیل خورشید به كوتوله سفید پایان نقش خورشید در داستان ما می باشد. سیارات به جا مانده، شاید شامل بقایای سوخته و گداخته زمین و تیر به صورت پایدار برای صدها میلیارد سال به دور كوتوله سفید می چرخند در حالیكه سرمای آنها و خورشید به سمت صفر مطلق میل می كند. آنها منتظر مجموعه ای عجیب از بلایای كیهانی هستند.

همچنانكه خورشید كوتوله سفید به تدریج رو به سیاهی می رود درخشانی شب نیز كم خواهد شد. جهان در حال ورود به عصر انبساط سریع می باشد كه در طی چند صد میلیارد سال همه كهكشانها را به جز آنهایی كه در گرانش با گروه محلی ما هستند به ورای افق علّی ما می برد. راه شیری نیز با كهكشان آندرومدا ادغام شده و یك كهكشان مارپیچ را تشكیل داده است. می توانیم انتظار داشته باشیم كه طی حدود 100 تریلیون سال بقایای تصادفی یك كوتوله سفید به اندازه كافی از نزدیكی زمین عبور می كند كه زمین را از مدارش خارج كرده و آنرا در كهكشان اكنون تاریك رها كند تا آنجا نیز به تنهایی برای هزارتریلیون سال دیگر پرسه زند.

اگر زمین از برخورد با سیاهچاله مركز كهكشان فرار كند با بقایای ستاره ای در حال عبور برخورد كرده و به طور كامل به خارج كهكشان پرتاب می شود. اگر زمین بدین ترتیب آزاد شود، انبساط پیوسته كیهانی راه شیری را به ورای افق خارج از دید یا هر ارتباط علّی[1] می برد و زمین كاملاً تنها وارد گستره زمانی وسیعی در فضای خالی سیاه می گردد.