地理科普

《流浪地球》的10大地理科普

《流浪地球》是一部少儿科幻。早在近二十年前,刘慈欣就完成了这部中篇科幻小说。今年影院黑马非《流浪地球》莫属了,带上这些地理科普知识去看《流浪地球》,收获更大。

太阳老化,科学家通过各种数据得出太阳短时间内会产生巨变,形成骇闪,地球会毁灭。面对这种情况,为了应对危机,人类内部产生两种不同意见,地球逃生派和飞船逃生派。

地球派主张以整个地球为载体,在世界各地建造核聚变大功率发动机;飞船派主张建造城市那么大的宇宙飞船进行跑路。最终因为生态系统循环稳定性等原因(一个飞船的生态系统不足以维持数十代人的生存与延续),地球派得到大部分人的支持,全球开始建造地球发动机。

先利用赤道发动机反向喷射停止地球自转,再开动全部发动机让地球加速至逃逸速度脱离太阳系,开始流浪。流浪的最终目标是离太阳系最近的比邻星系的合适轨道,这个流浪过程要经历几十代人。

地球刹车停转时,地球日落了三天三夜,主角降生,在十多年后,地球开始加速围绕着太阳绕圈,期间主角经历了地球在近日点的全球恐慌、经历了火山爆发导致地下城被岩浆侵蚀(母亲死亡)、经历了地球穿越小行星带时地球舰队用反物质炸弹轰击小行星的场面(父亲死亡)。最终地球绕日轨道进行运行至木星附近时,在木星强大的引力下的反作用,最终脱离太阳引力,地球全面加速。

多年后,地球已经逃出太阳系,然而太阳还是没有什么异常变化。这时候很多人开始怀疑太阳骇闪毁灭地球的说法,认为这是联合政府搞,以一个骗局来统治幸存的人类。这种说法得到越来越多的人相信与支持,人类开始推翻联合政府。(主角妻子死亡)组织最终推翻了联合政府,把联合政府的高层全部处决在遥远的太阳余晖下。

就在此时,太阳骇闪爆发了,吞没了整个太阳系的空间……结尾处,幸存的地球人类继续操控着地球在宇宙中飘荡,主角已经做了爷爷,他的后代,以及后代的后代,接下来数十代人都要继续保持这样的生活,直到比邻星的光辉重新照耀地球。

太阳是以内部氢核聚变方式向外发光发热的,当内部的氢元素消耗得差不多的时候,内部的高温高压会激发氦元素的聚变,这个时候的太阳就会发生氦闪,说白了就是太阳老了,自爆了。

原著:“太阳内部氢转化为氦的速度突然加快,太阳的演化已向主星序外偏移,氦元素的聚变将在很短的时间内传遍整个太阳内部,由此产生一次叫氦闪的剧烈爆炸”。

意思就是太阳加速衰老,氦闪之后,太阳将变为一颗巨大但暗淡的红巨星,结果爆炸之后还膨胀了,到时候体积庞大到能把地球都吞了。

你以为装上发动机就可以让地球直线逃离吗?并不是,行星这样的“越轨”,也要符合轨道动力学,太阳也是有引力的,所以会用到变轨加速。

因为地球发动机没那么大劲儿,它只能给地球很小的加速度,不能把地球一下子推出太阳轨道,在地球离开太阳前,还要绕着它转15个圈!在这15个圈中地球慢慢加速。而且速度越快,这圈就越扁,所以地球有时离太阳会很远,有时候会很近。

原著中当地球运行到近日点的时候,就会有地球要被太阳吞并的阴谋论,导致全球人心惶惶,东半球上草木生烟。电影开场一家人在海边的场景,电影世界观中是地球启航之前的故事,而在原著中来源于地球运行到远日点顶端那一天,地球人如同过年一样,因为这时地球距太阳最远,人们都有一种虚幻的安全感。

原著中塑造了一个对太阳感动恐惧的氛围,开始发生的时间,主角出生在地球刚刚停止转动之际。书中表示,地球光是“自转刹车”就用了42年,然后围着太阳绕圈加速。地球刹车之后,围绕太阳的转圈,到第15个公转轨道时,最后一次通过近日点时候,主角已经结婚了,东半球将迎来两千五百年的黑夜,然后在远日点才到达了木星轨道。

引力弹弓(又名引领助推)就是利用行星的重力场来给太空探测船加速,将它甩向下一个目标,也就是把行星当作“引力助推器”。

这有点类似离心力,以飞行器为例,飞往内行星,朝向太阳就可以获得加速度;而飞往外行星的飞行器,就算有着火箭助推器,由于是背向太阳飞行的,要抵抗太阳引力,故其速度会逐渐降低。

(这也是原著中为什么地球要绕太阳15个圈,而且“圈”越来越扁的原因,否则速度不够,根本到达了不了木星轨道)

而朝着外行星飞时,是要加速。飞行器第一次从远距离接近行星时,在轨道速度之下,利用火箭助推器,最终产生超越轨道速度的动能,产生的运动效果就像该飞行器被行星反弹开了。

这一连串动作,叫做行星引力辅助变轨。通俗的来说,假如轨道行星是一个黑帮老大,跟上我的速度才能入伙,来了之后就老老实实当我的小弟(卫星),一旦你速度太快超了我,就赶紧滚,有多远滚多远。。。

人类历史上很多飞行器都是这样完成的,比如水手10号,它于1974年2月5日经过金星,经过引力助推减速之后到达水星,否则因为太阳引力,速度太快就直接“跑过了”。还有卡西尼号探测器,两次飞掠过金星,之后又途经地球、木星,最终才到达了土星。

《流浪地球》把飞行器换成了地球,原理不变,只是要想让地球发动机助推器产生的动能完全超越太阳引力,就必须借用木星这个大块头,把地球反弹出去。

引力弹弓就是利用行星的重力场来给太空探测船加速,将它甩向下一个目标,也就是把行星当作“引力助推器”。

利用引力弹弓使我们能探测冥王星以内的所有行星。在航天动力学和宇宙空间动力学中,所谓的引力助推(也被称为引力弹弓效应或绕行星变轨)是利用行星或其他天体的相对运动和引力改变飞行器的轨道和速度,以此来节省燃料、时间和计划成本。

影片中,地球为了逃离太阳系,设定了一个飞往木星的冒险轨道,差点毁掉地球。这种冒险的原因是为了利用木星给地球加速。这种加速的方式俗称引力弹弓(gravitational slingshot)或者叫引力助推(gravity assist)。这样地球就获得了木星的轨道速度,再加上原有的速度,速度增加到了二者之和,地球的速度和能量都增加了,却没有消耗任何燃料。

其实不仅在“流浪地球”计划中使用这个原理使得地球加速,在2007年7月6日,旅行者1号距离太阳154.4亿公里(103.2天文单位),它在经过木星和土星时通过引力助推获得了足以完全摆脱太阳引力的动能。目前是距离地球最远的人造物体,位于太阳系和星际空间之间的边缘带。

木星的引力比地球强2.5倍,因为体积太大,能够牵引太阳系包括地球在内的行星,这意味着木星将与地球和地球轨道发生交互作用,比如地球四季就是因为木星引力的作用。感谢木星巨大的引力,使得很多小行星和彗星的轨道在木星引力的作用下发生偏转,保护地球免受撞击。

电影中的原理,就是要利用木星的引力把地球吸过去,只要飞得足够快,并且算好角度,就会得到巨大的加速力:“我们的星球也在木星表面拉起了如山的液氢和液氦的巨浪。这时,木星巨大的引力正在把地球加速甩向外太空。”

可惜问题就出在了“没有算好”,原因还在于速度不够,没跑成功。就像月球一样,人家原本没打算成为地球的卫星,就因为被地球引力“捕捉”到了,才成为地球的卫星。但电影中的问题比较严重,因为木星引力太大,地球距离木星太近,差点超越洛希极限。

电影中没有解释这个名词,实则不应该,但这个词听上去很高深莫测,但其实很简单的。洛希极限是指当行星与卫星距离近到一定程度时,潮汐作用就会使天体本身解体分散。

举个例子,地球和木星的距离为洛希极限时,地球自身的重力和木星造成的潮汐力相等。如果它们的距离少于洛希极限,地球就会倾向碎散,继而成为木星的环,没错,土星的环就是这样来的。

所以,地球飞过木星的时候,不能靠的太近,太近了超过洛希极限,地球就会崩了。但是离太远的话,引力又不太够,会达不到冲出太阳系的第三宇宙速度。只能拐回来继续绕太阳,所以冒险接近木星,是地球杀出太阳系的唯一一条路。(只要我跑的够快,木星能帮我让太阳抓不到我)

可见,洛希极限就是末日的临界点,在电影中充当了电影中常见的“倒计时爆炸”功能,知道这一点足矣。

地球发动机熄火是电影的原创,翻遍原著我也不记得有发动机熄火的时候(只是说了过小行星带,损失了一部分发动机:“西半球的地球发动机已被陨石击毁了三分之一”)。

但这个原创并非信手拈来,造成地球发动机大面积停机的原因之一,是因为木星的磁场和辐射相当的强大,造成地球上所有的电子仪器在木星强大的磁场和引力下全部失灵,这是原著没有涉及到的地方。

地震原著中有解释,由于地球发动机产生的加速度及运行轨道的改变,地核中铁镍核心的平衡被扰动,其影响穿过古腾堡不连续面(是地幔与地核的分界面),波及地幔,地热溢出,地震火山横行,这对于人类的地下城市是致命的威胁:“第六次变轨周期后,在各的地下城中,岩浆渗入灾难频繁发生。”

原著中,主角老妈就是这样被岩浆夺取了生命。而电影中,也是采用了原著中的设定,地球变轨加速后会导致地热溢出,那么临时减速“停车”同样会致使类似的效果,这里逻辑没有问题。

电影结尾,点燃木星大气,使地球获得巨大反冲能量,达到木星逃逸速度,这个设定也是原创,但致敬了原著。

原著中,地球穿过小行星带,地球舰队需要反物质炸弹炸掉轨道上的小行星:“反物质炮弹不断地击中小行星,湮灭的强光此起彼伏地在漆黑的太空中闪现”。而被炸碎的小行星,会以火流星的形式落到地球。(原著中这段内容是爱情主题)

电影结点燃木星大气的冲能量,特效效果就是火流星:“们拖着长长的火尾划破长空,给人一种恐怖的美感。”这是典型的致敬,更何况,原著中主角的父亲也是在这里去世的:

“在清除地球航线上的小行星的行动中,一块被反物质炸弹炸出的小行星碎片击中了父亲的单座微型飞船。”

人类带上地球的逃亡之旅,听上去简单,实际上就是“我们的是星辰大海”,电影的故事实则沧海一粟,简单而言,人类跑路,分五步:

在亚洲和美洲部署一万两千台发动机(因为只有这两个完整坚实的板块结构才能承受发动机对地球巨大的推力),使发动机喷口固定在地球运行的反方向,先利用赤道发动机反向喷射停止地球自转。

全功率开动地球发动机,使得地球脱离轨道,在不断绕着太阳转圈运行获得加速度,直至木星轨道附近,利用木星引力,使地球加速到逃逸速度,飞出太阳系。

期间,地球发动机将不间断地开动500年,到时地球将加速至光速的千分之五,然后地球将以这个速度滑行1300年,之后地球就走完了三分之二的航程,它将掉转发动机的方向,开始长达500年的减速。地球在航行2400年后到达比邻星,再过100年时间,它将泊入这颗恒星的轨道,成为它的一颗卫星。

地球跑了,月球咋办?肯定会有人问这个问题,果真是对故土有着情怀的东方人啊,地球搬家可以一起带走吗?一家人就要齐齐整整嘛!

“夜空中出现了一个巨大的彗星,那是月球。人类带不走月球,就在月球上也安装了行星发动机,把它推离地球轨道,以免在地球加速时相撞。月球上行星发动机产生的巨大彗尾使大海笼罩在一片蓝光之中,群星看不见了。月球移动产生的引力潮汐使大海巨浪冲天,我们改乘飞机向南半球的家飞去。”

据影片中介绍,地球流浪的原因是因为太阳即将毁灭。太阳属于恒星,根据湘教版地理必修一对天体意义的解读,太阳属于恒星,恒星是什么?恒星是由气态或等离子态组层的自己发光发热的球状或类球状天体。太阳的能量来源是氢和氦产生的核聚变反应。太阳正处于壮年期,科学家预测还有50亿年的寿命,太阳自然死亡,也就是能量衰竭是会退化为白矮星。太阳辐射主要集中在波长较短的可见光波段。

影片中描述到太阳即将衰竭,地表各地出现了极端变冷天气,影片中,主人翁从地下城出来,发现杭州,北京、上海等大城市已经成为冰封的世界。其实计算太阳还是存在,由于人类活动,温室气体排放等,使得地球上极端天气的频率与强度大大增加。这也是高考的一个命题切入点。

影片中介绍地球想寻找新的栖息地,因为太阳系中唯一的恒星太阳即将毁灭,那么问题来了,地球怎么逃离太阳系。影片中所说的靠助推器或木星推动是否合理?

地球处于太阳系八大行星中的第三颗行星。那么想逃离太阳系必须要摆脱当前的轨道,也就是黄道。必须具备强度的推力和逃逸速度。从研究两个质点在万有引力作用下的运动规律出发,人们通常把航天器达到环绕地球、脱离地球和飞出太阳系所需要的最小发射速度,分别称为第一宇宙速度、第二宇宙速度,第三宇宙速度。第一、二、三宇宙速度分别为7.9km/s ,11.2km/s ,16.7km/s。也就是说地球想逃出太阳系必须达到第三宇宙速度。

影片中说到地球需要借助外力脱离轨道,即便木星可以提供强大的推力,但是地球是否能承受住,这就是一个问题。地球从外到内,分为三大圈层分别是地壳、地幔和地核。地壳的最大厚度约为33km,但是这33km对于地球的整个半径来说,就相当于鸡蛋的蛋壳与整个鸡蛋相比。因此强大的推力会使得整个刚性的岩石圈完全破碎,陆壳和洋壳会大规模水平运动和垂直运动,而被卷入地幔。而最终地表会面目全非。

当然,在这里会有很多的命题切入,比如地球远离太阳,通过木星轨道的时候,会经历小行星带,木星的卫星的形成与小行星带有关。

2017年3月24日,南美智利的阿塔卡马望远镜观测到了比邻星的一次超级耀斑爆发,仅仅只持续了10S,但比邻星在这短短的时间之内亮度上升了1000倍,很多科学家推测假如比邻星的行星上存在生命的话,此次耀斑就会要了它们的命!

而另外两颗这距离比较近,类似伴星一般的存在,因此以它们为母星导致行星轨道不稳定,两者中的A星比太阳大,也要更热一些,B星则稍小,但也差不多,因此这个三星系并非宜居之地!比邻星距地球4.22光年,还记得书本上说的,离太阳系最近的一颗恒星距太阳4.2光年吗?对,这颗恒星就是比邻星。《流浪地球》中设定的是2500年左右到达,天仓五理论上需要7500年左右,但与比邻星的不稳定恒星以及三星系同相比。因此在木星引力弹弓作用下直接转向前往天仓五,当然半路有那么长时间的转向也是没有问题的哈…