Биологическое и геологическое будущее Земли можно экстраполировать на основе предполагаемых эффектов нескольких долгосрочных влияний. К ним относятся химия на поверхности Земли, скорость охлаждения недр планеты , гравитационное взаимодействие с другими объектами Солнечной системы и устойчивое увеличение светимости Солнца . Неопределенным фактором является всепроникающее влияние технологий, внедренных людьми, таких как климатическая инженерия , [2] , которая может вызвать значительные изменения на планете. [3] [4] Например, текущее вымирание в голоцене [5] вызвано технологиями, [6] и последствия могут длиться до пяти миллионов лет. [7] В свою очередь, технологии могут привести к вымиранию человечества , в результате чего планета постепенно вернется к более медленному эволюционному темпу, обусловленному исключительно долгосрочными естественными процессами. [8] [9]
В течение временных интервалов в сотни миллионов лет случайные небесные события представляют глобальный риск для биосферы , что может привести к массовым вымираниям . К ним относятся удары комет или астероидов и возможность околоземной сверхновой — массивного звездного взрыва в радиусе 100 световых лет (31 парсек ) от Солнца. Другие крупномасштабные геологические события более предсказуемы. Теория Миланковича предсказывает, что планета будет продолжать подвергаться ледниковым периодам , по крайней мере, до тех пор, пока не закончится четвертичное оледенение . Эти периоды вызваны изменениями эксцентриситета , наклона оси и прецессии орбиты Земли. [10] Как часть продолжающегося цикла суперконтинентов , тектоника плит, вероятно, приведет к образованию суперконтинента через 250–350 миллионов лет. В течение следующих 1,5–4,5 миллиардов лет наклон оси Земли может начать претерпевать хаотические изменения, с изменениями наклона оси до 90°. [11]
Яркость Солнца будет неуклонно расти, что приведет к увеличению солнечной радиации , достигающей Земли, и, как следствие, к более высокой скорости выветривания силикатных минералов . Это повлияет на карбонатно-силикатный цикл , что приведет к снижению уровня углекислого газа в атмосфере. Примерно через 600 миллионов лет уровень углекислого газа упадет ниже уровня, необходимого для поддержания фотосинтеза с фиксацией углерода C3 , используемого деревьями. Некоторые растения используют метод фиксации углерода C4 , чтобы сохраняться при концентрации углекислого газа всего лишь в десять частей на миллион. Однако долгосрочная тенденция заключается в том, что растительная жизнь полностью вымрет. Вымирание растений станет кончиной почти всей животной жизни, поскольку растения являются основой большей части пищевой цепи животных на Земле. [12] [13]
Примерно через миллиард лет солнечная светимость увеличится на 10%, в результате чего атмосфера станет «влажной теплицей», что приведет к неуправляемому испарению океанов. Как вероятное следствие, тектоника плит и весь углеродный цикл прекратятся. [14] После этого события, примерно через 2–3 миллиарда лет, магнитное динамо планеты может прекратить работу, что приведет к распаду магнитосферы и ускоренной потере летучих веществ из внешней атмосферы. Через четыре миллиарда лет повышение температуры поверхности Земли вызовет неуправляемый парниковый эффект , создав условия более экстремальные, чем современная Венера , и нагрев поверхность Земли достаточно, чтобы расплавить ее. К этому моменту вся жизнь на Земле вымрет. [15] [16] Наконец, наиболее вероятная судьба планеты — поглощение Солнцем примерно через 7,5 миллиарда лет, после того как звезда войдет в фазу красного гиганта и расширится за пределы текущей орбиты планеты. [17]
Люди играют ключевую роль в биосфере , при этом большая человеческая популяция доминирует во многих экосистемах Земли . [3] [18] Это привело к широкомасштабному, продолжающемуся массовому вымиранию других видов в течение настоящей геологической эпохи , теперь известной как голоценовое вымирание . Масштабная потеря видов, вызванная влиянием человека с 1950-х годов, была названа биотическим кризисом , при этом по оценкам, 10% от общего числа видов было потеряно по состоянию на 2007 год. [6] При нынешних темпах около 30% видов находятся под угрозой вымирания в течение следующих ста лет. [19] Событие голоценового вымирания является результатом разрушения среды обитания , повсеместного распространения инвазивных видов , браконьерства и изменения климата . [20] [21] [22] В настоящее время деятельность человека оказала значительное влияние на поверхность планеты. Более трети поверхности суши было изменено деятельностью человека, и люди используют около 20% мировой первичной продукции . [4] Концентрация углекислого газа в атмосфере увеличилась почти на 50% с начала промышленной революции . [3] [23]
Последствия устойчивого биотического кризиса, как прогнозируется, продлятся по крайней мере пять миллионов лет. [7] Это может привести к снижению биоразнообразия и гомогенизации биоты , сопровождающейся распространением видов, которые являются оппортунистическими , такими как вредители и сорняки. Могут появиться новые виды; в частности, таксоны , которые процветают в экосистемах, контролируемых человеком, могут быстро диверсифицироваться во множество новых видов. Микробы , вероятно, выиграют от увеличения экологических ниш, обогащенных питательными веществами . Новые виды существующих крупных позвоночных, вероятно, не возникнут, и пищевые цепи , вероятно, будут сокращены. [5] [24]
Существует множество сценариев известных рисков , которые могут оказать глобальное воздействие на планету. С точки зрения человечества их можно разделить на риски, при которых можно выжить, и смертельные риски . Риски, которым подвергаются люди, включают изменение климата, неправильное использование нанотехнологий , ядерный холокост , войну с запрограммированным сверхразумом , генетически модифицированную болезнь или катастрофу, вызванную физическим экспериментом. Аналогичным образом, несколько природных событий могут представлять угрозу конца света , включая крайне опасную болезнь, столкновение с астероидом или кометой , неконтролируемый парниковый эффект и истощение ресурсов . Может существовать вероятность заражения внеземной формой жизни . [25] Фактические шансы наступления этих сценариев трудно, если не невозможно, вывести. [8] [9]
Если человеческий вид вымрет, то различные особенности, собранные человечеством, начнут распадаться. Самые большие структуры имеют предполагаемый период полураспада около 1000 лет. Последними сохранившимися структурами, скорее всего, будут открытые карьеры, большие свалки, крупные автомагистрали, широкие разрезы каналов и насыпные плотины. Несколько массивных каменных памятников, таких как пирамиды в некрополе Гизы или скульптуры на горе Рашмор, могут все еще существовать в какой-то форме после миллиона лет. [9] [a]
Поскольку Солнце вращается вокруг Млечного Пути , блуждающие звезды могут приблизиться достаточно близко, чтобы оказать разрушительное влияние на Солнечную систему . [26] Близкое звездное столкновение может вызвать значительное сокращение перигелийных расстояний комет в облаке Оорта — сферической области ледяных тел, вращающихся в пределах половины светового года от Солнца. [27] Такое столкновение может вызвать 40-кратное увеличение числа комет, достигающих внутренней части Солнечной системы. Удары этих комет могут вызвать массовое вымирание жизни на Земле. Эти разрушительные столкновения происходят в среднем один раз в 45 миллионов лет. [28] Существует 1%-ный шанс на каждый миллиард лет, что звезда пройдет в пределах100 а.е. от Солнца, что может привести к разрушению Солнечной системы. [29] Среднее время, необходимое Солнцу для столкновения с другой звездой в его окрестностях, составляет приблизительно 30 триллионов (3 × 10 13 ) лет, что намного больше предполагаемого возраста Вселенной, приблизительно 13,8 млрд лет. Это можно рассматривать как указание на низкую вероятность того, что такое событие произойдет в течение жизни Земли. [30]
Энергия, высвобождаемая при ударе астероида или кометы диаметром 5–10 км (3–6 миль) или больше, достаточна, чтобы вызвать глобальную экологическую катастрофу и вызвать статистически значимое увеличение числа вымираний видов. Среди пагубных последствий, возникающих в результате крупного удара, — облако выброса мелкой пыли, покрывающее планету, блокирующее часть прямого солнечного света от достижения поверхности Земли, тем самым понижая температуру земли примерно на 15 °C (27 °F) в течение недели и останавливая фотосинтез на несколько месяцев (аналогично ядерной зиме ). Среднее время между крупными ударами оценивается как минимум в 100 миллионов лет. За последние 540 миллионов лет моделирование показало, что такой частоты ударов достаточно, чтобы вызвать пять или шесть массовых вымираний и 20–30 менее серьезных событий. Это соответствует геологической летописи значительных вымираний в течение фанерозойского эона . Можно ожидать, что такие события будут продолжаться. [31]
Сверхновая — это катастрофический взрыв звезды. В галактике Млечный Путь взрывы сверхновых происходят в среднем раз в 40 лет. [32] За всю историю Земли , вероятно, произошло несколько таких событий на расстоянии 100 световых лет; это известно как околоземная сверхновая . Взрывы на таком расстоянии могут загрязнить планету радиоизотопами и, возможно, повлиять на биосферу. [33] Гамма-лучи, испускаемые сверхновой, реагируют с азотом в атмосфере, образуя оксиды азота . Эти молекулы вызывают истощение озонового слоя , который защищает поверхность от ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца. Увеличение УФ-В- излучения всего на 10–30% достаточно, чтобы оказать значительное воздействие на жизнь; особенно на фитопланктон , который составляет основу океанической пищевой цепи . Взрыв сверхновой на расстоянии 26 световых лет уменьшит плотность озонового столба вдвое. В среднем взрыв сверхновой происходит в пределах 32 световых лет раз в несколько сотен миллионов лет, что приводит к истощению озонового слоя на несколько столетий. [34] В течение следующих двух миллиардов лет произойдет около 20 взрывов сверхновых и один всплеск гамма-излучения , который окажет значительное влияние на биосферу планеты. [35]
Возрастающий эффект гравитационных возмущений между планетами заставляет внутреннюю Солнечную систему в целом вести себя хаотично в течение длительных периодов времени. Это не оказывает существенного влияния на стабильность Солнечной системы в течение интервалов в несколько миллионов лет или меньше, но в течение миллиардов лет орбиты планет становятся непредсказуемыми. Компьютерное моделирование эволюции Солнечной системы в течение следующих пяти миллиардов лет предполагает, что существует небольшая (менее 1%) вероятность того, что может произойти столкновение между Землей и Меркурием , Венерой или Марсом . [36] [37] В течение того же интервала вероятность того, что Земля будет выброшена из Солнечной системы проходящей звездой, составляет порядка 1 к 100 000 (0,001%). В таком сценарии океаны замерзнут в течение нескольких миллионов лет, оставив лишь несколько карманов жидкой воды примерно в 14 км (9 миль) под землей. Существует слабая вероятность того, что Земля вместо этого будет захвачена проходящей двойной звездной системой, что позволит биосфере планеты остаться нетронутой. Вероятность такого события составляет около 1 к 3 миллионам. [38]
Гравитационные возмущения других планет Солнечной системы объединяются, чтобы изменить орбиту Земли и ориентацию ее оси вращения . Эти изменения могут влиять на планетарный климат. [10] [39] [40] [41] Несмотря на такие взаимодействия, высокоточные моделирования показывают, что в целом орбита Земли, вероятно, останется динамически стабильной в течение миллиардов лет в будущем. Во всех 1600 моделированиях большая полуось планеты , эксцентриситет и наклон оставались почти постоянными. [42]
Исторически существовали циклические ледниковые периоды , в течение которых ледниковые щиты периодически покрывали более высокие широты континентов. Ледниковые периоды могут возникать из-за изменений в циркуляции океана и континентальности , вызванных тектоникой плит . [43] Теория Миланковича предсказывает, что ледниковые периоды происходят во время ледниковых периодов из-за астрономических факторов в сочетании с механизмами климатической обратной связи. Основными астрономическими факторами являются более высокий, чем обычно, орбитальный эксцентриситет , низкий осевой наклон (или наклонность) и выравнивание летнего солнцестояния северного полушария с афелием . Каждый из этих эффектов происходит циклически. Например, эксцентриситет изменяется с течением временных циклов около 100 000 и 400 000 лет, причем значение варьируется от менее 0,01 до 0,05. [44] [45] Это эквивалентно изменению малой полуоси орбиты планеты с 99,95% большой полуоси до 99,88% соответственно. [46]
Земля переживает ледниковый период, известный как четвертичное оледенение , и в настоящее время находится в голоценовом межледниковом периоде . Обычно ожидается, что этот период закончится примерно через 25 000 лет. [41] Однако возросшая скорость, с которой люди выбрасывают углекислый газ в атмосферу , может отсрочить начало следующего ледникового периода по крайней мере до 50 000–130 000 лет с настоящего момента. С другой стороны, период глобального потепления конечной продолжительности (основанный на предположении, что использование ископаемого топлива прекратится к 2200 году), вероятно, повлияет на ледниковый период только примерно на 5000 лет. Таким образом, краткий период глобального потепления, вызванный выбросами парниковых газов в течение нескольких столетий, будет иметь лишь ограниченное влияние в долгосрочной перспективе. [10]
Приливное ускорение Луны замедляет скорость вращения Земли и увеличивает расстояние Земля-Луна . Эффекты трения — между ядром и мантией , а также между атмосферой и поверхностью — могут рассеивать энергию вращения Земли. Ожидается, что эти комбинированные эффекты увеличат продолжительность дня более чем на 1,5 часа в течение следующих 250 миллионов лет и увеличат наклон примерно на полградуса. Расстояние до Луны увеличится примерно на 1,5 радиуса Земли за тот же период. [47]
На основе компьютерных моделей, присутствие Луны, по-видимому, стабилизирует наклон Земли, что может помочь планете избежать резких изменений климата. [48] Эта стабильность достигается за счет того, что Луна увеличивает скорость прецессии оси вращения Земли, тем самым избегая резонансов между прецессией вращения и прецессией плоскости орбиты планеты (то есть прецессионным движением эклиптики ) . [49] Однако, по мере того, как большая полуось орбиты Луны продолжает увеличиваться, этот стабилизирующий эффект будет уменьшаться. В какой-то момент эффекты возмущения, вероятно, вызовут хаотические изменения наклона Земли, и наклон оси может измениться на углы до 90° от плоскости орбиты. Ожидается, что это произойдет между 1,5 и 4,5 миллиардами лет назад. [11]
Высокий наклон, вероятно, приведет к резким изменениям климата и может уничтожить обитаемость планеты . [40] Когда наклон оси Земли превышает 54°, годовая инсоляция на экваторе меньше, чем на полюсах. Планета может оставаться под наклоном от 60° до 90° в течение периодов до 10 миллионов лет. [50]
Тектонические события будут продолжать происходить и в будущем, и поверхность будет неуклонно изменяться под воздействием тектонического поднятия , экструзии и эрозии . Можно ожидать, что Везувий извергнется около 40 раз в течение следующих 1000 лет. За тот же период около пяти-семи землетрясений магнитудой 8 или выше должны произойти вдоль разлома Сан-Андреас , в то время как во всем мире можно ожидать около 50 событий магнитудой 9. Мауна-Лоа должна испытать около 200 извержений в течение следующих 1000 лет, и гейзер Old Faithful, вероятно, прекратит свою работу. Ниагарский водопад продолжит отступать вверх по течению, достигнув Буффало примерно через 30 000–50 000 лет. [9] Супервулканические события являются наиболее влиятельными геологическими опасностями, генерирующими более1000 км 3 фрагментированного материала и покрывающие тысячи квадратных километров отложений пепла. Однако они сравнительно редки, в среднем каждые 100 000 лет. [51]
Через 10 000 лет послеледниковое восстановление Балтийского моря уменьшит глубину примерно на 90 м (300 футов). Гудзонов залив уменьшится в глубине на 100 м за тот же период. [37] Через 100 000 лет остров Гавайи сместится примерно на 9 км (5,6 миль) к северо-западу. К этому времени планета может вступить в очередной ледниковый период. [9]
Теория тектоники плит показывает, что континенты Земли движутся по поверхности со скоростью несколько сантиметров в год. Ожидается, что это продолжится, заставляя плиты перемещаться и сталкиваться. Континентальный дрейф облегчается двумя факторами: энергией, вырабатываемой внутри планеты, и наличием гидросферы . С потерей любого из них континентальный дрейф прекратится. [52] Производство тепла посредством радиогенных процессов достаточно для поддержания конвекции мантии и субдукции плит по крайней мере в течение следующих 1,1 миллиарда лет. [53]
В настоящее время континенты Северной и Южной Америки движутся на запад от Африки и Европы. Исследователи разработали несколько сценариев того, как это будет продолжаться в будущем. [54] Эти геодинамические модели можно отличить по потоку субдукции , при котором океаническая кора движется под континентом. В модели интроверсии более молодой, внутренний, Атлантический океан становится преимущественно субдуцированным, и текущая миграция Северной и Южной Америки обращается вспять. В модели экстраверсии более старый, внешний, Тихий океан остается преимущественно субдуцированным, а Северная и Южная Америка мигрируют в сторону восточной Азии. [55] [56]
По мере улучшения понимания геодинамики эти модели будут подвергаться пересмотру. Например, в 2008 году компьютерное моделирование использовалось для прогнозирования того, что реорганизация мантийной конвекции произойдет в течение следующих 100 миллионов лет, создав новый суперконтинент , состоящий из Африки, Евразии, Австралии, Антарктиды и Южной Америки, который сформируется вокруг Антарктиды. [57]
Независимо от результата континентальной миграции, продолжающийся процесс субдукции приводит к перемещению воды в мантию. Геофизическая модель дает оценку, что через миллиард лет от настоящего времени 27% нынешней массы океана будет субдуцировано. Если бы этот процесс продолжался без изменений в будущем, субдукция и высвобождение достигли бы равновесия после того, как 65% нынешней массы океана было бы субдуцировано. [58]
Кристофер Скотезе и его коллеги составили карту прогнозируемых движений на несколько сотен миллионов лет вперед в рамках проекта Paleomap . [54] По их сценарию, через 50 миллионов лет Средиземное море может исчезнуть, а столкновение Европы и Африки создаст длинный горный хребет, простирающийся до нынешнего местоположения Персидского залива. Австралия сольется с Индонезией, а Нижняя Калифорния сдвинется на север вдоль побережья. Новые зоны субдукции могут появиться у восточного побережья Северной и Южной Америки, и вдоль этих береговых линий сформируются горные цепи. Миграция Антарктиды на север приведет к таянию всех ее ледяных щитов . Это, наряду с таянием ледяных щитов Гренландии , поднимет средний уровень океана на 90 м (300 футов). Внутреннее затопление континентов приведет к изменению климата. [54]
По мере продолжения этого сценария, через 100 миллионов лет от настоящего времени континентальное расширение достигнет своего максимального размера, и континенты начнут объединяться. Через 250 миллионов лет Северная Америка столкнется с Африкой. Южная Америка обернется вокруг южной оконечности Африки. Результатом станет образование нового суперконтинента (иногда называемого Pangaea Ultima ), с Тихим океаном, простирающимся на половину планеты. Антарктида изменит направление и вернется к Южному полюсу, создавая новую ледяную шапку. [59]
Первым ученым, который экстраполировал текущие движения континентов, был канадский геолог Пол Ф. Хоффман из Гарвардского университета. В 1992 году Хоффман предсказал, что континенты Северной и Южной Америки продолжат продвигаться через Тихий океан, вращаясь вокруг Сибири , пока не начнут сливаться с Азией. Он назвал получившийся суперконтинент Амазией . [60] [61] Позже, в 1990-х годах, Рой Ливермор рассчитал похожий сценарий. Он предсказал, что Антарктида начнет мигрировать на север, а Восточная Африка и Мадагаскар переместятся через Индийский океан и столкнутся с Азией. [62]
В модели экстраверсии закрытие Тихого океана будет завершено примерно через 350 миллионов лет. [63] Это знаменует завершение текущего цикла суперконтинентов , в котором континенты разделяются и затем снова соединяются друг с другом примерно каждые 400–500 миллионов лет. [64] После того, как суперконтинент будет сформирован, тектоника плит может войти в период бездействия, поскольку скорость субдукции упадет на порядок . Этот период стабильности может вызвать повышение температуры мантии со скоростью 30–100 °C (54–180 °F) каждые 100 миллионов лет, что является минимальным сроком службы прошлых суперконтинентов. Как следствие, вулканическая активность может возрасти. [56] [63]
Образование суперконтинента может кардинально повлиять на окружающую среду. Столкновение плит приведет к горообразованию , тем самым изменив погодные условия. Уровень моря может упасть из-за увеличения оледенения. [65] Скорость поверхностного выветривания может возрасти, увеличивая скорость захоронения органического материала. Суперконтиненты могут вызвать падение глобальной температуры и увеличение содержания кислорода в атмосфере. Это, в свою очередь, может повлиять на климат, еще больше понизив температуру. Все эти изменения могут привести к более быстрой биологической эволюции по мере появления новых ниш . [66]
Образование суперконтинента изолирует мантию. Поток тепла будет сконцентрирован, что приведет к вулканизму и затоплению больших территорий базальтом. Образуются разломы, и суперконтинент снова расколется. [67] Затем планета может испытать период потепления, как это произошло в меловой период , [66] который ознаменовал раскол предыдущего суперконтинента Пангея .
Богатая железом область ядра Земли разделена на твердое внутреннее ядро диаметром 2440 км (1520 миль) и жидкое внешнее ядро диаметром 6960 км (4320 миль) . [68] Вращение Земли создает конвективные вихри во внешней области ядра, которые заставляют ее функционировать как динамо . [69] Это создает магнитосферу вокруг Земли, которая отклоняет частицы солнечного ветра , что предотвращает значительную эрозию атмосферы от распыления . Поскольку тепло от ядра передается наружу к мантии, чистая тенденция заключается в том, что внутренняя граница жидкой внешней области ядра замерзает, тем самым высвобождая тепловую энергию и вызывая рост твердого внутреннего ядра. [70] Этот процесс кристаллизации железа продолжается около миллиарда лет. В современную эпоху радиус внутреннего ядра расширяется со средней скоростью примерно 0,5 мм (0,02 дюйма) в год за счет внешнего ядра. [71] Почти вся энергия, необходимая для питания динамо, поступает в результате этого процесса формирования внутреннего ядра. [72]
Ожидается, что внутреннее ядро поглотит большую часть или все внешнее ядро через 3–4 миллиарда лет, что приведет к почти полностью затвердевшему ядру, состоящему из железа и других тяжелых элементов . Сохранившаяся жидкая оболочка будет в основном состоять из более легких элементов, которые будут подвергаться меньшему смешиванию. [73] В качестве альтернативы, если в какой-то момент тектоника плит прекратится, внутренняя часть будет охлаждаться менее эффективно, что замедлит или даже остановит рост внутреннего ядра. В любом случае это может привести к потере магнитного динамо. Без функционирующего динамо магнитное поле Земли распадется за геологически короткий период времени примерно в 10 000 лет. [74] Потеря магнитосферы приведет к увеличению эрозии легких элементов, особенно водорода , из внешней атмосферы Земли в космос, что приведет к менее благоприятным условиям для жизни. [75]
Генерация энергии Солнцем основана на термоядерном синтезе водорода в гелий . Это происходит в области ядра звезды с использованием процесса протон-протонной цепной реакции . Поскольку в солнечном ядре нет конвекции , концентрация гелия накапливается в этой области, не распределяясь по всей звезде. Температура в ядре Солнца слишком низка для ядерного синтеза атомов гелия через тройной альфа-процесс , поэтому эти атомы не вносят вклад в чистую генерацию энергии, которая необходима для поддержания гидростатического равновесия Солнца. [76]
В настоящее время почти половина водорода в ядре израсходована, а остальная часть атомов состоит в основном из гелия. Поскольку число атомов водорода на единицу массы уменьшается, уменьшается и их выход энергии, обеспечиваемый ядерным синтезом. Это приводит к уменьшению поддержки давления, что заставляет ядро сжиматься до тех пор, пока повышенная плотность и температура не приведут давление ядра в равновесие с вышележащими слоями. Более высокая температура заставляет оставшийся водород подвергаться синтезу с более высокой скоростью, тем самым генерируя энергию, необходимую для поддержания равновесия. [76]
Результатом этого процесса стало устойчивое увеличение выхода энергии Солнца. Когда Солнце впервые стало звездой главной последовательности , оно излучало только 70% от текущей светимости . Светимость увеличивалась почти линейно до настоящего времени, увеличиваясь на 1% каждые 110 миллионов лет. [17] Аналогично, через три миллиарда лет ожидается, что Солнце будет на 33% ярче. Водородное топливо в ядре окончательно исчерпается через пять миллиардов лет, когда Солнце станет на 67% ярче, чем сейчас. После этого Солнце продолжит сжигать водород в оболочке, окружающей его ядро, пока светимость не достигнет 121% выше нынешнего значения. Это знаменует собой конец жизни Солнца на главной последовательности, и после этого оно пройдет стадию субгиганта и превратится в красного гиганта . [1]
К этому времени должно произойти столкновение галактик Млечный Путь и Андромеда . Хотя это может привести к выбрасыванию Солнечной системы из новой объединенной галактики, считается маловероятным, что это окажет какое-либо неблагоприятное воздействие на Солнце или его планеты. [78] [79]
Скорость выветривания силикатных минералов будет увеличиваться по мере того, как повышение температуры ускоряет химические процессы. Это, в свою очередь, снизит уровень углекислого газа в атмосфере, поскольку реакции с силикатными минералами преобразуют углекислый газ в твердые карбонаты . В течение следующих 600 миллионов лет с настоящего момента концентрация углекислого газа упадет ниже критического порога, необходимого для поддержания фотосинтеза C3 : около 50 частей на миллион. В этот момент деревья и леса в их нынешних формах больше не смогут выживать. [80] Это снижение растительности , вероятно, будет долгосрочным снижением, а не резким падением. Группы растений, вероятно, будут умирать одна за другой задолго до того, как будет достигнут уровень 50 частей на миллион. Первыми исчезнут растения C3 травянистые , за которыми последуют листопадные леса, вечнозеленые широколиственные леса и, наконец, вечнозеленые хвойные . [ 81] Однако фиксация углерода C4 может продолжаться при гораздо более низких концентрациях, вплоть до более 10 частей на миллион; Таким образом, растения, использующие фотосинтез C4 , могут выживать по крайней мере 0,8 миллиарда лет, а возможно, и 1,2 миллиарда лет, после чего повышение температуры сделает биосферу неустойчивой. [82] [83] [84] Исследователи из Калифорнийского технологического института предположили, что как только растения C3 умрут , отсутствие биологического производства кислорода и азота приведет к снижению атмосферного давления Земли, что будет противодействовать повышению температуры и позволит сохраняться достаточному количеству углекислого газа для продолжения фотосинтеза. Это позволит жизни выживать до 2 миллиардов лет, после чего вода станет ограничивающим фактором. [85] В настоящее время растения C4 составляют около 5% биомассы растений Земли и 1% известных видов растений. [86] Например, около 50% всех видов трав ( Poaceae ) используют путь фотосинтеза C4 , [87] как и многие виды семейства травянистых Amaranthaceae . [88]
Когда уровень углекислого газа падает до предела, при котором фотосинтез едва ли может поддерживаться, ожидается, что доля углекислого газа в атмосфере будет колебаться вверх и вниз. Это позволит растительности на суше процветать каждый раз, когда уровень углекислого газа повышается из-за тектонической активности и дыхания животных; однако долгосрочная тенденция заключается в том, что растительная жизнь на суше полностью вымрет, поскольку большая часть оставшегося углерода в атмосфере будет изолирована в Земле. [13] Растения — и, как следствие, животные — могли бы выживать дольше, развивая другие стратегии, такие как потребность в меньшем количестве углекислого газа для фотосинтетических процессов, становясь плотоядными , адаптируясь к высыханию или связываясь с грибами . Эти адаптации, вероятно, появятся ближе к началу влажной теплицы (см. далее ). [81]
Потеря высшей растительной жизни приведет к возможной потере кислорода, а также озона из-за дыхания животных, химических реакций в атмосфере и извержений вулканов. Моделирование снижения оксигенации предсказывает, что она может упасть до 1% от нынешних уровней атмосферы через миллиард лет. [89] Это снижение приведет к меньшему ослаблению повреждающего ДНК ультрафиолета, [81] а также к гибели животных; первыми исчезнут крупные млекопитающие , за которыми последуют мелкие млекопитающие, птицы, земноводные и крупные рыбы, рептилии и мелкие рыбы, и, наконец, беспозвоночные . [12]
Прежде чем это произойдет, ожидается, что жизнь будет концентрироваться в убежищах с более низкими температурами, например, на возвышенностях, где доступно меньше площади поверхности суши, что ограничит размеры популяции. Более мелкие животные выживут лучше, чем более крупные, из-за меньшей потребности в кислороде, в то время как птицы будут чувствовать себя лучше, чем млекопитающие, благодаря своей способности преодолевать большие расстояния в поисках более низких температур. Исходя из периода полураспада кислорода в атмосфере, жизнь животных продлится максимум 100 миллионов лет после исчезновения высших растений. [12] Некоторые цианобактерии и фитопланктон могут пережить растения из-за их толерантности к уровням углекислого газа всего в 1 ppm и могут выживать примерно столько же времени, сколько и животные, прежде чем углекислый газ станет слишком истощённым, чтобы поддерживать любую форму фотосинтеза. [12]
В своей работе « Жизнь и смерть планеты Земля » авторы Питер Д. Уорд и Дональд Браунли утверждают, что некоторые формы жизни животных могут продолжаться даже после того, как большая часть растительной жизни Земли исчезнет. Уорд и Браунли используют ископаемые свидетельства из сланцев Берджесс в Британской Колумбии, Канада , чтобы определить климат кембрийского взрыва , и используют его для прогнозирования климата будущего, когда повышение глобальной температуры, вызванное потеплением Солнца, и снижение уровня кислорода приведут к окончательному вымиранию животной жизни. Первоначально они ожидают, что некоторые насекомые, ящерицы, птицы и мелкие млекопитающие могут сохраниться, наряду с морской жизнью ; однако, без пополнения кислорода растительной жизнью, они полагают, что животные, вероятно, вымрут от удушья в течение нескольких миллионов лет. Даже если бы в атмосфере оставалось достаточно кислорода за счет сохранения какой-либо формы фотосинтеза, устойчивый рост глобальной температуры привел бы к постепенной потере биоразнообразия . [13]
По мере повышения температуры последние представители животного мира будут перемещаться к полюсам, возможно, под землю. Они станут в основном активными во время полярной ночи , впадая в спячку во время полярного дня из-за сильной жары. Большая часть поверхности станет бесплодной пустыней, и жизнь в основном будет обнаружена в океанах. [13] Однако из-за уменьшения количества органического вещества, поступающего в океаны с суши, а также уменьшения растворенного кислорода , [81] морская жизнь тоже исчезнет, следуя тому же пути, что и на поверхности Земли. Этот процесс начнется с потери пресноводных видов и завершится беспозвоночными, [12] особенно теми, которые не зависят от живых растений, таких как термиты или те, что находятся вблизи гидротермальных источников, таких как черви рода Riftia . [81] В результате этих процессов многоклеточные формы жизни могут вымереть примерно через 800 миллионов лет, а эукариоты — через 1,3 миллиарда лет, и останутся только прокариоты . [90]
Через миллиард лет около 27% современного океана будет погружено в мантию. Если бы этот процесс продолжался непрерывно, он достиг бы состояния равновесия, при котором 65% текущего поверхностного резервуара осталось бы на поверхности. [58] Как только солнечная светимость станет на 10% выше своего текущего значения, средняя глобальная температура поверхности поднимется до 320 К (47 °C; 116 °F). Атмосфера станет «влажной теплицей», что приведет к неуправляемому испарению океанов. [91] [92] В этот момент модели будущей среды Земли показывают, что стратосфера будет содержать увеличивающиеся уровни воды. Эти молекулы воды будут разрушены посредством фотодиссоциации солнечным УФ-излучением, что позволит водороду покинуть атмосферу . Конечным результатом будет потеря мировой морской воды примерно через 1–1,5 миллиарда лет с настоящего момента, в зависимости от модели. [93] [94] [95]
Будет один из двух вариантов этой будущей обратной связи потепления: «влажная теплица», где водяной пар доминирует в тропосфере , в то время как водяной пар начинает накапливаться в стратосфере (если океаны испаряются очень быстро), и «неконтролируемая теплица», где водяной пар становится доминирующим компонентом атмосферы ( если океаны испаряются слишком медленно). В эту эпоху без океанов будут продолжать существовать поверхностные резервуары, поскольку вода постоянно высвобождается из глубокой коры и мантии, [58] где, по оценкам, есть количество воды, эквивалентное в несколько раз большему, чем в настоящее время присутствует в океанах Земли. [96] Некоторое количество воды может удерживаться на полюсах, и могут быть случайные ливни, но по большей части планета будет пустыней с большими полями дюн, покрывающими ее экватор, и несколькими солончаками на том, что когда-то было дном океана, похожими на те, что находятся в пустыне Атакама в Чили. [14]
Без воды, которая могла бы служить смазкой, тектоника плит, вероятно, остановилась бы, и наиболее заметными признаками геологической активности стали бы щитовые вулканы, расположенные над горячими точками мантии . [92] [81] В этих засушливых условиях планета может сохранить некоторую микробную и, возможно, даже многоклеточную жизнь. [92] Большинство этих микробов будут галофилами , и жизнь могла бы найти убежище в атмосфере, как это, как предполагается, произошло на Венере . [81] Однако все более экстремальные условия, вероятно, приведут к вымиранию прокариот между 1,6 миллиардами лет [90] и 2,8 миллиардами лет с настоящего момента, причем последние из них будут жить в остаточных водоемах с водой на высоких широтах и высотах или в пещерах с захваченным льдом. Однако подземная жизнь может длиться дольше. [12]
Что произойдет после этого, зависит от уровня тектонической активности. Постоянное высвобождение углекислого газа из-за извержения вулкана может привести к тому, что атмосфера войдет в состояние «суперпарникового эффекта», подобное состоянию планеты Венера . Но, как указано выше, без поверхностной воды тектоника плит, вероятно, остановилась бы, и большая часть карбонатов осталась бы надежно погребенной [14] до тех пор, пока Солнце не станет красным гигантом, а его повышенная светимость не нагреет породу до точки высвобождения углекислого газа. [96] Однако, как отметили Питер Уорд и Дональд Браунли в своей книге « Жизнь и смерть планеты Земля» , по словам ученого NASA Ames Кевина Занле, весьма вероятно, что тектоника плит может прекратиться задолго до потери океанов из-за постепенного охлаждения ядра Земли, что может произойти всего за 500 миллионов лет. Это может потенциально превратить Землю обратно в водный мир и даже, возможно, затопить всю оставшуюся наземную жизнь. [97]
Потеря океанов может быть отложена до 2 миллиардов лет в будущем, если атмосферное давление снизится. Более низкое атмосферное давление уменьшит парниковый эффект , тем самым понизив температуру поверхности. Это может произойти, если естественные процессы удалят азот из атмосферы . Исследования органических отложений показали, что по крайней мере 100 килопаскалей (0,99 атм ) азота было удалено из атмосферы за последние четыре миллиарда лет, что достаточно, чтобы эффективно удвоить текущее атмосферное давление, если бы он был выпущен. Такая скорость удаления была бы достаточной, чтобы противостоять эффектам увеличения солнечной светимости в течение следующих двух миллиардов лет. [85]
Через 2,8 миллиарда лет температура поверхности Земли достигнет 422 К (149 °C; 300 °F), даже на полюсах. В этот момент вся оставшаяся жизнь будет уничтожена из-за экстремальных условий. Что произойдет дальше, зависит от того, сколько воды останется на поверхности. Если вся вода на Земле испарится к этому моменту (через «влажную теплицу» примерно через 1 млрд лет), планета останется в тех же условиях с постоянным ростом температуры поверхности, пока Солнце не станет красным гигантом. [92] Если нет, и все еще остаются карманы воды, и они испаряются слишком медленно, то примерно через 3–4 миллиарда лет, как только количество водяного пара в нижних слоях атмосферы увеличится до 40%, а светимость Солнца достигнет 35–40% от ее нынешнего значения, [93] наступит «убегающий парниковый» эффект, в результате чего атмосфера нагреется и температура поверхности поднимется примерно до 1600 К (1330 °C; 2420 °F). Этого достаточно, чтобы расплавить поверхность планеты. [94] [92] Однако ожидается, что большая часть атмосферы сохранится до тех пор, пока Солнце не войдет в стадию красного гиганта. [98]
Ожидается, что с исчезновением жизни через 2,8 миллиарда лет биосигнатуры Земли исчезнут и будут заменены сигнатурами, вызванными небиологическими процессами. [81]
Как только Солнце перейдет от сжигания водорода в своем ядре к сжиганию водорода в оболочке вокруг своего ядра, ядро начнет сжиматься, а внешняя оболочка расширится. Общая светимость будет неуклонно увеличиваться в течение следующих миллиардов лет, пока не достигнет 2730 раз своей текущей светимости в возрасте 12,167 миллиарда лет. Большая часть атмосферы Земли будет потеряна в космосе. Ее поверхность будет состоять из лавового океана с плавающими континентами из металлов и оксидов металлов и айсбергами из тугоплавких материалов, а температура ее поверхности достигнет более 2400 К (2130 °C; 3860 °F). [99] Солнце испытает более быструю потерю массы, при этом около 33% ее общей массы будет сброшено солнечным ветром . Потеря массы будет означать, что орбиты планет будут расширяться. Орбитальное расстояние Земли увеличится максимум до 150% от ее текущего значения (то есть 1,5 а.е. (220 миллионов км; 140 миллионов миль)). [17]
Самая быстрая часть расширения Солнца в красного гиганта произойдет на последних стадиях, когда возраст Солнца составит около 12 миллиардов лет. Вероятно, оно расширится и поглотит Меркурий и Венеру, достигнув максимального радиуса в 1,2 а.е. (180 миллионов км ; 110 миллионов миль ). Земля будет приливно взаимодействовать с внешней атмосферой Солнца, что уменьшит радиус орбиты Земли. Перетягивание хромосферы Солнца уменьшит орбиту Земли. Эти эффекты будут уравновешивать влияние потери массы Солнцем, и Солнце, вероятно, поглотит Землю примерно через 7,59 миллиарда лет. [17]
Сопротивление солнечной атмосферы может привести к распаду орбиты Луны . Как только орбита Луны приблизится к расстоянию 18 470 км (11 480 миль), она пересечет предел Роша Земли , что означает, что приливное взаимодействие с Землей разорвет Луну, превратив ее в кольцевую систему . Большинство орбитальных колец начнут распадаться, а обломки ударят по Земле. Следовательно, даже если Солнце не поглотит Землю, планета может остаться безлунной. [100] Более того, абляция и испарение, вызванные ее падением по затухающей траектории к Солнцу, могут удалить мантию Земли, оставив только ее ядро, которое в конечном итоге будет разрушено максимум через 200 лет. [101] [102] Единственным наследием Земли будет очень небольшое увеличение (0,01%) солнечной металличности после этого события. [103] : IIC
После слияния гелия в ядре с углеродом Солнце снова начнет коллапсировать, превратившись в компактную белую карликовую звезду после выброса внешней атмосферы в виде планетарной туманности . Прогнозируемая конечная масса составляет 54% от нынешнего значения, скорее всего, состоящая в основном из углерода и кислорода. [1]
В настоящее время Луна удаляется от Земли со скоростью 4 см (1,6 дюйма) в год. Через 50 миллиардов лет, если Земля и Луна не будут поглощены Солнцем, они будут связаны приливом на более крупной, стабильной орбите, при этом каждая будет повернута только одной стороной к другой. [104] [105] [106] После этого приливное воздействие Солнца извлечет угловой момент из системы, в результате чего орбита Луны начнет уменьшаться, а вращение Земли ускорится. [107] Предполагается, что примерно через 65 миллиардов лет Луна может столкнуться с Землей из-за того, что оставшаяся энергия системы Земля-Луна будет выкачана оставшимся Солнцем, в результате чего Луна будет медленно двигаться внутрь к Земле. [108]
После этой точки окончательная судьба Земли (если она выживет) зависит от того, что произойдет. В масштабе времени 10 15 (1 квадриллион) лет оставшиеся планеты в Солнечной системе будут выброшены из системы в результате близкого столкновения с другими звездными остатками, а Земля продолжит вращаться по орбите через галактику около 10 19 лет, прежде чем будет выброшена или упадет в сверхмассивную черную дыру . Если Земля не будет выброшена во время звездного столкновения, то ее орбита будет распадаться из-за гравитационного излучения , пока она не столкнется с Солнцем через 10 20 (100 квинтиллионов) лет. [109] Если распад протона может произойти и Земля будет выброшена в межгалактическое пространство, то она просуществует около 10 38 (100 ундециллионов) лет, прежде чем испарится в излучение. [110]