宇宙有限论

半剑飘东半剑西

§35_2  太阳每天洒向地球的光照能量

       地球是一颗不发光、不透明的球体，太阳只能同时照亮地球表面积的大约一半：朝向太阳的半球为白昼，背向太阳的半球为黑夜。
       由于地球围绕地轴持续自西向东自转，不同区域会依次进入白昼、转入黑夜，形成昼夜交替现象，但对地球整体而言，永远有一半表面积被太阳直接照射，不存在全天无光照的情况。
       因此，将地球作为一个整体视之，永远都有太阳光照存在，24小时始终都有部分区域处于白天。
       在宇宙的其他恒星-行星系统，绕恒星公转的行星，始终有接受恒星光照的“地表”。

       太阳的总主序（星）寿命τ=100亿年 ≈3.65×10^12 天。

       太阳核心质量约为太阳总质量的10%，太阳总质量
       M⊙≈2×10 ^27  吨，因此核心可参与聚变的总氢质量为：
       M_氢=0.1×2×10 ^27  吨 =2×10^26  吨

       如上楼，太阳（恒星）每一次聚变，总质量亏损是原始投入质量的约0.7%。因此：

       主序星阶段太阳总共亏损的质量为核心氢聚变的总质量亏损：
       ΔM_总=M_氢×0.7%=2×10^26  吨×0.007=1.4×10 ^24 吨。

       再计算平均每天亏损质量：
       ΔM_天=ΔM_总/τ= (1.4×10 ^24)/(3.65×10^12)  吨 ≈ 3.84×10^11 吨=3.84×10^7  万吨=3.84×10^3 亿吨。也即：
       太阳主序阶段平均每天因核聚变亏损约3840亿吨质量。

    （注：如果算上太阳风抛射的物质损失，总质量损失会增加到每天约5000-6000万吨，但聚变仅使用太阳总质量的10%，而我们更着重于总质量亏损部分）

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       根据质能方程 E=m×c^2，太阳主序阶段平均每天因核聚变亏损约3840亿吨质量，平均每天转化的能量为：
       E_天=ΔM_天×c^2= 3.84×10^14×(3×10^8 )^2 = 3.84×10^14×9×10^16= 3.456×10^31  J。
      
      太阳是近似球体，能量会均匀向整个宇宙（4π立体角）全方向辐射。过太阳球心的平面会把全空间辐射分为两部分，每一半空间分得总能量的50%。
      类推可以由地球的遮挡占比计算出地球“分享”的能量占比。

      地球距离太阳约1.5亿公里，在太阳的辐射球面（日地距离为半径）上，地球横截面积只占这个大球面积极小的一部分，具体计算：
      总辐射球面面积：
      S_总 =4πR^2 （R为日地距离）；
      地球横截面积：
      S_地 =πr^2 （r为地球半径）；
      占比计算结果为：
      S_地/S_总 ≈ 1/2200000000 ;
      即地球“分享”的太阳辐射能量占比为二十二亿分之一。

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       太阳主序星阶段平均每天向宇宙辐射的总能量是3.456×10^31  J。
       二十二亿是2.2×10^9；
       地球“分享”值是：（3.456×10^31）/(2.2×10^9) J= 1.57 ×10^22 J。

       即是地球每天从太阳得到的光照能量是1.57 ×10^14 亿焦耳=1570000兆焦耳。
      （每小时得到为：1.57 ×10^22/24=6.54×10^20 J  ）

      地球平均每秒的“分享”值是：
      (15.7 ×10^21)/ (8.64×10^4)W=1.82×10^17瓦 。

      这是到达地球大气层顶端的总能量，经过大气层反射、吸收后，地球表面实际接收的能量约为大气上界的43% ，每秒真正的“分享”值：
      1.82×10^17瓦×43%= 7.83×10^16瓦=7.83×10^8亿瓦=7.83兆瓦。

      总结： 主序星阶段太阳每天均匀向整个宇宙（4π立体角）全方向辐射光照能源，平均每天到达地球大气层的能量为1570000亿亿焦耳，平均每秒对应为1.82×10^9亿瓦，到达地球表面，实际获得的重能量，每秒为7.83亿亿瓦。

     （宇宙中其他恒星-行星体现，行星获得的恒星光照直接辐射能量，均可模仿上面推导，得到平均每个时间周期的能量数值。）

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       这样得到的数字还是印象不深。由上面，地球表面每小时得到太阳能为：
       6.54×10^20 瓦时×43%=2.81×10^20瓦时=2.81×10^17千瓦时。

      人类2025年全年发电量总和约为31.8万亿千瓦时（即31,800,000,000万瓦时）
      即 31.8×10^12千瓦时 = 3.18×10^13千瓦时。
      两者之比是：
      (2.81×10^17)/( 3.18×10^13)= 8.84×10^4 (倍)。

      因此，太阳主序星阶段：
      地球表面平均每小时得到太阳直接光照能量，是地球2025年全年发电量总和的约9万倍。
      地球表面平均每天得到太阳直接光照能量，是地球2025年全年发电量总和的约212万倍。

      地球表面平均每年得到太阳直接光照能量，是地球2025年全年发电量总和的约8亿倍。

      根据英国智库Ember《全球电力报告》，2025年全球太阳能发电量约为 2778太瓦时, 报告明确指出太阳能发电量占全球总发电量比重达 8.7%，较2015年（1.1%）显著提升。
      即使有明显提升，不到10%的占比依然不足。
      考虑到太阳直接光照能量8亿倍于总发电量，人类在太阳能利用方面，尚远远不足。

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§35_3  爱的尽头：太阳的红巨星阶段

       前面一直使用恒星（太阳）的“主序星阶段”表述，此阶段太阳“洒向人间都是爱”。
       但到了红巨星阶段，属于“爱的尽头”，行星地球，会因红巨星的“摧残”而死亡、消失。
       宇宙中大多数的恒星，在主序星阶段，恒星自身引力产生向内的收缩趋势，核心氢核聚变持续输出能量，在内部形成向外的辐射压与气体热压力，共同抵抗引力收缩；
       这种引力与压力的动态平衡，属于恒星结构的流体静力学平衡。
       于太阳而言，此流体静力学平衡已维持数十亿年之久，目前（宇宙年龄t≈138亿年）依然维持平衡。

       当太阳核心氢燃料耗尽，无法维持氢核聚变时，核心引力收缩占据主导，核心温度压力持续升高；
       核心收缩会点燃外围氢壳层，当核心收缩升温至约1亿℃时，将启动核心氦核聚变；
       伴随壳层聚变能量的持续输入，太阳外层大气会急剧膨胀，半径可达当前的200倍以上，正式进入红巨星阶段。

       恒星演化的全部过程是：
       核心氢耗尽→核心引力收缩→外层氢壳层点燃→外层膨胀进入红巨星→核心升温到阈值→启动氦核聚变。

       宇宙中约90%的可见恒星都处于主序星阶段，所有主序星，无论质量大小，都维持引力向内收缩、内部压力向外平衡的流体静力学平衡；
       能量全部来自核心氢核聚变，这是所有主序星的共同特征，并非太阳独有。
       而无论恒星质量大小，核心氢耗尽后都会遵循：
      “引力收缩占主导→核心升温→点燃外围氢壳层→外层膨胀”
      的路径进入红巨星阶段，这是恒星演化的通用规律。

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       但具体到不同质量的恒星，略有分化。
       质量小于8倍太阳质量的恒星（包括太阳），核心收缩升温到≈1亿℃后，会启动氦核聚变，最终膨胀为半径超过当前百倍的红巨星，和太阳的演化路径完全一致。
       对于质量大于等于8倍太阳质量的恒星而言，其演化节奏更快，核心升温到氦聚变阈值的过程更平滑，不会发生氦闪，但整体依然遵循
       “核心氢耗尽→收缩→壳层聚变→外层膨胀为红超巨星”
       的路径，基础逻辑完全相同。

       恒星质量仅影响终末归宿，并不改变前序演化，其差异只出现在红巨星阶段之后：
       中小质量恒星最终会抛射外层形成行星状星云，留下白矮星；
       大质量恒星会继续核心聚变，最终以超新星爆发结束生命，留下中子星或黑洞，但进入红巨星阶段前的演化逻辑和太阳是完全一致的。

       如果以寿命论之，主序星阶段属于其前1%~80%（甚至1%~85%）寿命内，恒星光度稳定，宜居带位置几乎不变，对行星宜居性非常友好，是生命存在的稳定窗口。
      （如果恒星是100岁，此即从诞生到80岁、个别是到85岁期间）

       进入寿命的85%~90%(对应于100岁之85到90岁)，恒星之核心氢消耗过半，恒星光度会缓慢升高，宜居带会逐步向外推移
       ——开始威胁内侧行星的大气层和液态水（譬如太阳在约30亿年后就会让地球液态水完全蒸发）。

       寿命达到约90%时(对应于100岁之90岁及更老)，核心氢耗尽，主序阶段结束，恒星膨胀为红巨星，会直接吞噬或彻底摧毁内侧行星，行星的宜居历史完全终结。

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§35_4  太阳的层次结构与红巨星“肆虐”

      当前主序阶段太阳的分层（从内到外）分别是：
      [1] 核心区（太阳能量发源地）
      其范围：太阳中心向外0-0.25倍太阳半径；
      其构成：100%氢/氦混合气体，氢核聚变全部发生在此区域，温度约1500万℃，压力约2500亿大气压，目前正处于稳定氢聚变阶段。

      [2] 辐射区
      其范围：0.25-0.86倍太阳半径；
      其构成：氢、氦等离子体，核心产生的能量以辐射方式（光子反复碰撞吸收）向外传递，光子从核心到达辐射区外边缘需要十几万年时间。

      [3] 对流区
      其范围：0.86倍太阳半径到太阳表面；
      其构成：温度降低到约200万℃以下，等离子体以对流方式传递能量，类似沸水翻滚，能量通过对流运动传递到太阳表层。

      [4] 太阳大气层（外围可见层）
      其共分为三个子层：光球层（肉眼可见的太阳表面）、色球层、日冕层，是太阳最外层的大气结构。

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       当太阳核心氢耗尽，原核心变为氦核，此时会新增“氢燃烧壳层”，结构从内到外变为：

       [1]惰性氦核（尚未启动氦聚变）；
       [2]氢燃烧壳层（俗称核心外围氢壳层，氢在此持续聚变，是红巨星阶段主要能量来源）；
       [3]原辐射层、对流层（此时膨胀为松散的外层大气）；
       [4]太阳大气层；
       当氦核收缩升温到1亿℃的阈值后，核心氦聚变启动，此时太阳红巨星结构会再新增
       [5]“氦燃烧核心”；
       最终变为：
       氦燃烧核心→惰性氦壳层→氢燃烧壳层→外层大气。
       综上：当前主序太阳从内到外共分4个大层；核心氢耗尽进入红巨星阶段后，会新增氢燃烧壳层，结构变为5个核心分层。

      （红巨星阶段太阳的外层密度虽然极低，但整体已经是恒星本体的一部分；原辐射层、对流层本身就是太阳本体，随着恒星整体膨胀一起向外推移
       ——恒星膨胀后整体“身躯”庞大了很多很多，故“遇神杀神，遇佛杀佛”）

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§35_5  太阳留给地球30亿年实施文明重建计划

        那么，“爱的方面是恨”，本为地球“保姆”、“守护神”的太阳，在红巨星阶段如何“肆虐”呢？

       当太阳核心氢耗尽点燃氢壳层后，整个太阳的半径会从当前的约70万公里膨胀到约1.5亿公里（接近当前日地距离），原本位于内侧的辐射层、对流层会随着整体膨胀一起向外扩张，整个恒星都会变为密度极低的红巨星大气结构：
      其中：
      [A]水星：太阳膨胀到0.3天文单位（约4500万公里）时就会被整个扩张的太阳外层完全吞噬，水星会直接在太阳大气中气化消失。
      [B]金星：太阳继续膨胀后会很快吞噬金星，金星也会步水星后尘被完全吞没。
      [C]地球：目前天文模型对地球结局还有微小争议：
      如果太阳膨胀后的半径刚好略小于日地距离，仅外层稀薄日冕会包裹地球，地球会因潮汐阻力缓慢螺旋落向太阳核心；
      如果太阳膨胀略超过当前日地距离，地球会被整个扩张的太阳外层直接吞噬。无论哪种情况，地球的固态结构都会在太阳膨胀后被完全摧毁。