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What if the moon didn't exist?

Voyages to earths that might have been

Cat: SCI
Pub: 1993
#:0621b

Neilf Comins

up 06705

Title

What if the moon didn't exist?

もし月が存在しなければ

Subtitle

Voyages to earths that might have been

そうなったかも知れない地球への旅
Author
Neil F. Comins

N.F.コミンズ

Published

1993

1993年
Index
Why?
  • There is no 'what if' in the history, but it is worth to do thought experiment based on a certain hypothesis, which is not only interesting but also scientifically meaningful.
  • Such thought experiment assuming various 'what if' is also applicable and useful in social phenomena.
  • 歴史に「もしも」はないが、ある仮定に基づき、自由に思考の翼を羽ばたかせて思考実験することは、楽しいだけでなく、科学的にも意味がある。
  • 社会的な現象についても、この「もしも」という思考実験を応用していくことは役に立つと思う。
Tag
Summary
要約
>Top

0. Introduction:

  • When five-year-old son began inundating us with questions that began with "What if": What if there were no trees? What if rocks were soft? It didn't dawn on me for many months that this type of question holds enormous potential for understanding nature?
  • People are in a rut, always looking at Earth and life from the same points of view.

0.序:

  • 5才の長男は、「もしも?」という質問をあびせかける。もしも木がなかったら?、もしも岩が柔らかかったら? これらの答えを考えつくまでに何ヶ月もかかったので、この種の質問は自然の理解に非常に役立つ。
  • 人々の思考は型にはまっていて、いつも同じ視点で地球や生活を眺めている。

>Top

1. What if the moon didn't exist? - Solon:

  • The moon's emergence:
    • The giant planetestimal would have first appeared as a dim light in the night sky. Seeming to swell in size as it approached, the planetestimal would have filled the entire sky just before it smashed into the earth at 40,000 km/h.
    • Although the crash was over in ten minutes, the impact generated the explosive power of a billion, trillion tons of TNT. (Hiroshima and Nagasaki each contained the equivalent 20,000 tons of TNT)
    • In a matter of minutes more than 5 billion cubic miles of the earth's crust and mantle were sprayed into orbit.
    • Fragments of the ring around the earth created by the impact collided with one another. The moon began to assemble from the ring shards, just as the earth had formed from grains of dust ages before.
  • The moon's effects:
    • altered both the earth's spin and its path around the sun.
    • The moon affect the earth through its gravitational attraction and through the sunlight it reflects here. In turn ocean tides pull on the moon , causing it to speed up and spiral away from the earth.
    • The moonlight has brightened our nights and affected the evolution on of some animals. It has also served as an invaluable timekeeper that helped early humans survive the changing seasons.
    • The earth's slower rotation rate has been essential in shaping the life cycles of all plants and animals.

1.月のない地球 - 惑星ソロン:

  • 月の出現:
    • 巨大な微惑星は、最初はかすかな星と大差のない夜空に浮かべ薄暗い光にすぎなかった。それは近づくにつれて次第に大きくなり、時速40,000kmで地球に衝突する直前には、空を覆い尽くした。
    • 衝突は10分ほどで終わったが、衝撃は何十億、何兆トンTNT火薬に匹敵するエネルギーを生じた(広島長崎の原爆は20,000トンTNT火薬
    • 数分の内に、地殻やマントルから13立方kmもの物質が軌道上に吹き上げられる。
    • 地球の輪となる物資は相互に衝突をする。これらの破片から月が生成れる。それはあたかも塵のガスから地球が生成されたのと同様である。
  • 月の影響:
    • 地球の自転と公転の双方に影響する。
    • 月は、地球に引力をもたらし、また太陽光を反射する。一方で、大洋は月を貧力し、それを加速させらせん運動をおこさせる。
    • 月光は夜を明るくし、一部の動物の進化に影響する。月はまた時間計測として役立ち、原始人はそれによって季節の変動を生き抜いてきた。
    • 地球の自転が遅いことはすべての動植物のライフサイクルにとって重要なことであった。
  • Moonless earth: Solon
    • Assuming that the rest of the solar system is the same as it is today, and that Solon has the exact size, chemical composition, and orbit around the sun as does Earth.
  • >Top Different tides:
    • The oceans on Solon would still have tides despite the absence of the moon. driven by the gravitational pull of the sun, those tides would be one-third as high as tides on Earth today.
    • The range between high and low tide would remain constant throughout Solon's year.
    • Over the 4.5 billion years Solon would spin more and more slowly until the day become 8 hours long. The moon has lengthened the earth's day from 6 hours to 24 hours.
    • Today a year on Solon would have 1095 eight-hour days. The sun would be up for between three and five hours each day in the mid-latitudes, depending on the season.
  • Different winds:
    • Winds on Solon would be very different from those on Earth because the faster a planet rotates, the more its winds move east or west and the less they wander north or south. We can see this today on Jupiter and Saturn.
    • Hurricanes on Solon would be both more powerful and more frequent than those on earth, with winds regularly topping 200 miles per hour.
  • Different magnetized fields:
    • Magnetic fields are created whenever charged particles change speed or direction. Solon's magnetic field would be almost three times stronger than the earth's.
    • Solon's stronger magnetic field would present an even tougher screen around that planet than do the Van Allen belts around the earth. Solon would experience fewer auroras than does the earth.
  • Different early atmospheres:
    • On solon, as on Earth, hydrogen and helium would first dominate the atmosphere. These gases were part of the disk from which Solon would form.
    • Solon's second atmosphere would come from its interior: carbon dioxide, nitrogen, and water vapor, which were originally attached to the surfaces of rocks inside Solon.
    • The original outgassing of carbon dioxide from Venus gave it an atmosphere 115 times denser than earth. Venus was never struck by an atmosphere-removing, Mars-sized planetestimal.
    • Animas on Earth need the energy stored in oxygen to order to live; we could not function in a carbon dioxide-dominated atmosphere.
  • The final atmospheric conversion:
    • Solon's atmosphere would have been thicker when its oceans became saturated with the carbon dioxide. The remaining carbon dioxide must be converted into oxygen.
    • Extra energy is needed to combine atoms and inorganic molecules into organic molecules and life. That energy would have two sources on solon; the sun's ultraviolet radiation and the lightning.
    • A key to successful formation, replication, and evolution of life is the presence of large supplies of carbon.  The carbon would come from the atmospheric carbon dioxide that had been dissolved in the water.
  • Spread of life:
    • Once formed, simple aquatic bacteria and algae would spread through the oceans. But this initial propagation of life would be much slower on Solon than on Earth.
    • Solon's lower tides would wash much less sand and soil into the oceans.
    • Solon's lower tides would produce less global ocean movement than on Earth. On Solon, perhaps a 100 times less shoreline would be uncovered by tidal water, offering far fewer surfaces on which life could reproduce.
  • The first free oxygen:
    • Oxygen released into the atmosphere from the oceans would remain and the conversion to a breathable oxygen-nitrogen atmosphere would begin. Earth reached this stage about 250 million years after it was formed. The process on Solon would take longer, perhaps as much as an extra 250 million years.
  • Lethal levels of oxygen:
    • Once plant life begins to flourish in Solon's oceans, the amount of oxygen sent into the air would rapidly increase. The oxygen level could be as much as 100 times higher than it is on Earth. Life can deal with only about twice as much oxygen.
  • Early plant life:
    • Persistent winds would inhibit leafy plant growth because wind-whipped leaves would be easily damaged or torn off.
    • Early plant growth on Solon would grow low to the ground to protect itself against the strong winds.
    • Phototropism: the sun moving three times faster. For example, cylindrical leaves that always have part of their surface facing the sun might prove a successful adaptation.
  • Effect of lower tides:
    • Intertidal zone is a specialized niche, occupied by life forms that can take advantage of both the water and the dry land.
    • Solon's lower tides would narrow the intertidal beach area, thereby making it harder for many species to maintain safe populations.
  • Effect of high winds:
    • Birds are lightweight, hollow-boned fliers. They fly well either with a good tail wind or in calm air, but they are handicapped by strong head winds and rough air.
    • Hard-shelled creatures such as tortoises and armadillos would be particularly suitable for this environment.
    • Ponderous creatures such as dinosaurs would probably also thrive in Solon's more windy environs, while the smaller, lighter mammals that coexisted with them on Earth would have more difficulty there.
  • >Top Biological clock:
    • Many animals have clocks with 23 hours cycles, while humans have 25 hour cycles.
    • Biological clocks can be entrained only by external cycles that differ from their natural rates by less than 3 hours. The plants or animal lives its life based on its circadian rhythm, usually with disastrous results. Could animals do all that they need to in such short days?
    • The more concentrated oxygen in Solon might enable all life to do things more rapidly than on Earth. Animals could travel, hunt, eat, fight, mate, and even think faster. Life on Solon might run like a videotape on fast forward.
  • Development of the senses:
    • Besides the traditional five senses, at least one more passive sense began to evolve on Earth. This is the ability to detect the presence of heat or infrared radiation. Heat sensing became specialized to keep animals from burning themselves.
    • Visual 'speech' on Solon would be an effective alternative to oral communication. Biologically generated light that could change intensity or color would be an effective means of communication on Solon.
    • Nature could evolve radio communications over several hundred million years. We could consider them to be telepathic.
  • A new sense - telepathy:
    • Telepathy remains underdeveloped in the vast majority of people on Earth. Our brains give off weak but measurable radio waves. These signals are generated as a by-product of the brain's normal functioning. To be useful for interpersonal communication on Solon, radio brain waves would need to be more powerful and to be modulated by the equivalent of a voice box.
  • The moon as a goal:
    • The moon is close enough so that we were able to reach it with only 30 years of rocketry and computer science behind us.
    • Without the moon beckoning to the people of Solon, space technology would probably advance there much more slowly than it did on Earth.
  • 月のない地球ソロン:
    • 太陽系の他の惑星は今日もまったく同じで、ソロンは大きさも、化学組成も、太陽を巡る軌道も地球と同じと仮定する。
  • 異なる潮汐:
    • 月がなくてもソロンの海にはやはり潮汐はある。但し太陽に引力が引き起こす潮汐は、現在の地球の潮汐の1/3である。
    • ソロンの干満の範囲は、ソロンの1年を通じて常に一定である。
    • 45億年の間にソロンの自転はますますゆっくりになり1日8時間となる。因みに地球に1日は6時間から24時間にまで引き延ばされた。
    • 今日ソロンの1年は1日8時間として1095日である。中緯度地帯では、昼の長さは、季節によって異なるが、毎日3~5時間である。
  • 異なる風:
    • 自転速度がずっと速いので、ソロンでの風は地球とは非常に異なっている。東西に吹く風はずっと強く、南北に蛇行するのはずっと少ない。今日の木星や土星でそれを見ることができる。木星と土星の1日は10時間である。
    • ソロンのハリケーンは、地球のハリケーンより遙かに強力で、頻繁に発生し、最大風速は時速300km以上に達する。
  • 異なる磁場:
    • 磁場は、荷電粒子が速度や方向を変えるたびに発生する。それゆえ、ソロンの磁場は地球の磁場の約3倍ほどであろう。
    • ソロンの強力な磁場は、地球の回りのバンアレン帯よりも遙かに強力な障壁を形成する。ソロンは地球に比べてオーロラの出現回数ははるかに少ないだろう。
  • 異なる初期大気:
    • ソロンでは、地球と同様に、水素とヘリウムが初期大気の大半であった。これらの期待はソロンが形成された円盤の一部であった。
    • ソロンの第二の大気は内部から発生する。それは主に二酸化炭素、窒素、水蒸気で構成されており、これらは本来はソロンの内部の岩石の表面と結合していた。
    • 内部から放出された二酸化炭素のせいで、金星の大気は地球の115倍も重い。金星には、大気を奪っていくような火星サイズの微惑星に衝突しなかったことを意味する。
    • 地球上の動物は生きるために酸素に蓄えられたエネルギーを必要とする。我々は二酸化炭素中心の大気では機能できない。
  • 最後の大気の変換:
    • ソロンの大気は、海水が二酸化炭素を飽和して地球よりも濃密である。残った二酸化炭素が酸素に転換されなければならない。
    • 原子と無機分子を結合させて有機分子と生命を生み出すには特別なエネルギーが必要である。ソロンでは2つのエネルギー供給源がある。太陽の紫外線放射と稲妻である。
    • 生命の形成と複製と進化の鍵は大量の炭素の存在である。その炭素は海水に溶けた大気中の二酸化炭素に由来する。
  • 生命の拡散:
    • ひとたび生命が誕生すると、単純な水生細菌や藻類は海全体へと拡散していく。しかし初期の生命の伝搬速度は、地球よりずっと遅い。
    • ソロンの小さい潮汐は、海へ運ばれる土砂もずっと少ない。
    • ソロンの小さい潮汐が生み出す海洋運動は地球より小規模である。ソロンでは干満の差によって覆われる海岸は1/100以下で、生命が複製を作ることができる岩の表面も遙かに狭くなる。
  • 最初の自由酸素:
    • 海から大気中へ放出された酸素はそこに留まり、呼吸可能な酸素と窒素で構成される大気へと変換される。地球は2.5億年でこの段階に到達した。ソロンではこのプロセスにもっと時間がかかり、さらに2.5億年かかるだろう。
  • 限界酸素濃度:
    • ソロンの海で植物が繁茂し始めると、大気中に放出される酸素量はみるみる増加していく。酸素濃度は地球より100倍も高くなるだろう。生命は現在の地球大気の酸素濃度の2倍位しか耐えられない。
  • 初期の植物:
    • いつまでの止まない強い風で、葉が激しく吹かれて引き裂かれてしまうので、植物は育つことができない。
    • ソロンの初期の植物は、強い風に対抗して身を守るために地上低く成長する。
    • 向日性植物:太陽は3倍も早く移動する。例えば、円筒形の葉でいつも一部を太陽に向けているような種類がうまく進化するかもしれない。
  • 小さい潮汐の影響:
    • 潮間帯は特別な生態的な地位であって、水と陸地の両方を利用できる生物が多く生息している。
    • ソロンの小さな潮間帯は、多くの種にとって生息数を維持し続けるのには遙かに困難になる。
  • 強い風の影響:
    • 鳥類は、中空の骨格をもつ軽量な飛行生物である。それらは追い風や穏やかな風の中では巧みに飛べるが、強い向かい風や乱気流では不得意である。
    • 堅い高甲羅をもつカメやアルマジロのような生物は、この環境に特に適しているかもしれない。
    • 恐竜のような非常に重厚な生物もソロンの強い風の中で繁栄できるだろうが、地球環境に適した小型軽量の哺乳類はソロンで生きるには困難である。
  • 生物時計:
    • 多くの動物は23時間サイクル、人間の場合は25時間サイクルの時計を持っている。
    • 生物時計は、自然のサイクルとの差が3時間以内の場合のみ、外部のサイクルと同調可能である。独自の概日リズムで生活している動植物にとっては破滅的な結果をもたらす。動物はこのような短い時間の間にすべての必要なことができるのだろうか?
    • 地球より酸素濃度の高い大気によって、すべての生物は地球よりもすばやく活動することができるだろう。動物たちは、移動も狩猟も、食事も闘争も交尾も考えることさえもずっと速くできることだろう。ソロンの生命は早回しのビデオテープのようになるだろう。
  • 感覚の発達:
    • 地球上では五感の他にもう一つの感覚が発達した。それは熱や赤外線を感知する能力である。これは火傷から身を守るためである。
    • 音声より視覚言語の方が有効かもしれない。ソロンでは、光の強さや色を変えることのできる生物発光も有効な意思伝達手段となるだろう。
    • 自然が数億年の間に無線通信を進化させることもあり得る。我々にはテレパシーのように見えることだろう。
  • 新たな感覚 - テレパシー:
    • テレパシーは人類の大多数にとっては未発達である。我々の脳は微弱だが検出可能な電波を発している。互いの意思伝達手段として利用するには、脳波はもっと強力になり咽頭と同じような器官によって変換されなければならない。
  • 目的地としての月:
    • 月はとても近いのでわずか30年のロケット技術とコンピュータによって我々は月に到達できた。
    • ソロンでは、人類を手招きしてくれる月がないので、宇宙技術の発達は地球よりずっと遅くなるだろう。
>Top

2. What if the moon were closer to the earth? - Lunholm:

  • Tides:
    • Ocean tides occur because the parts of the earth closest to the moon feel more gravitational pull form it than do the more distant parts.
    • The reason there is a second high tide on the opposite side of the earth is because the moon pulls the bulk of the earth away from the oceans on the far side.
    • Today the earth rotates (spins on its axis) about 27 times faster than the moon orbits around the earth. This rapid rotation pulls the high tide nearest the moon out from underneath it. Specifically, the high tide nearest the moon is pulled ahead of the moon by the earth's motion.
    • The high ocean tide flows east to west. Since the earth rotes from west to east, the tidal ocean water is exerting resistance on the solid earth, slowing the earth's rotation rate.
    • The tidal bulge closer to the moon continuously pulls the moon forward in its orbit and speeds it up. Speeding up has the effect of making the moon spiral away form the earth. (about 5 cm per year)
  • The Roche Limit:
    • At the Roche limit the moon would be peeled apart like an onion until there was nothing left of it but a ring of rubble orbiting the earth. Saturn's Roche limit is 90,000 miles from the center, Earth's Roche limit is 11,000 miles.)
  • Angular momentum: (r × mv), where X is exterior product
    • The heavier or larger a rotating object is , the greater its angular momentum. If the earth loses angular momentum due to tidal friction, the moon must gain the same amount: the increase in the moon's orbital speed around the earth.
    • When we program a collision between a Mars-sized planetestimal and the young earth on the computer, we can see debris being thrown into an orbit around the earth 1.5 times farther away the the Roche limit. Therefore, since its formation the moon has moved outward at least 13 times its original distance form the earth!
  • Lunholm's moon:
    We will call the earth with a closer moon Lunholm.
    • Synodic orbital period: average 29.53 days
    • Sidereal month: about 27.32 days
    • Kepler's third law:
      The squares of the orbital periods of planets are directly proportional to the cubes of the semi-major axis of the orbits. (T^2 ∝ a^3)
    • Kepler's third law shows that the closer moon would orbit Lunholm more rapidly than our moon orbits the earth. Lunholm's moon would have a sidereal orbit of 3.5 days. The associated synodic orbital period would be nearly 4 days long.
  • Solar eclipse & Lunar eclipse:
    • Even though Lunholm's closer moon would still orbit in a plane tilted from Lunholm's ecliptic, that moon would be close enough to encounter Lunholm's shadow during virtually every synodic orbit. Similarly, the moon's shadow cone would strike Lunholm at every new moon. Therefore lunholm would experience nearly 180 eclipses each year (90 of each kind), rather than the 2 to 7 eclipses we have now on Earth.
  • >Top Shield against meteorite:
    • Arizona meteorite: with 50m across within the past 20,000 years, exploded with the energy of 1800 tons of TNT and formed a crater 1,300 m wide and 180 m deep.
    • The impact 16M years ago: the meteorite was10km across; the dust cooled off the earth for years or even decades. Many species were wiped out as their habitats became unlivable.
    • Had this impact occurred on the moon instead of the earth, the subsequent mass extinction of life would not have occurred. The evolution of humans would have been delayed or even prevented as dinosaurs continued to flourish.
  • Ocean tides:
    • If the moon were half as far away form the earth as it is, the tides here would be tight times higher. at one quarter of its present distance, 64 times high than they are today. Because Lunholm's moon would orbit that planet faster than the moon orbits the earth, the tides on Lunholm would be even higher still.
    • Since Lunholm' moon orbits once every 3.5 days, lunholm would not be spinning as fast relative to its moon as the earth spins relative to our moon. Because of this, the tides on Lunholm would have more time to rise up toward the moon.
    • Lunholm's oceans would rush miles, often tens or even hundreds of miles, inland with each rising tide.
  • Icebergs:
    • Icebergs would occasionally be washed ashore. Carried by tides, some of them would end up high on beaches at or beyond high-tide lines. They could be mined for drinking water in times of drought.
  • Solid tides:
    • The land on Earth rises 8 inches and settles throughout each cycle of lunar phases. On Lunholm, some landmasses would move as much as ten feel at high tide. These stress would lead to frequent, powerful Lunholmquakes as the land periodically readjusts itself to the changing forces acting on it.
    • Many coasts on Lunholm would probably have constant seismic activity, perhaps accompanied by continuous volcanic activity as magma leak out between the plates.
  • Life on Lunholm:
    • Tidal water flow, the uncovering of thousand of square miles of beaches at low tide, and vast quantities of chemicals necessary to duplicate life were all major ingredients necessary for reproduction of the earliest life forms.
    • Lunholm's surface would be primed for the development of animal life long before the earth was.
    • Oxygen in high concentration is toxic, making the evolution of lungs that could limit the amount of oxygen entering an animal's bloodstream. Our ancestors emerged rom the oceans during relatively calm high tides, stayed on land a few minutes, and returned to the ocean before the the water receded too far.
    • Their need to respond quickly might even enable one species among them to evolve the complex brain, opposable thumbs, and other features that would make them analogous to humans on Earth.
  • Nocturnal animals:
    • Lunholm's closer moon would shine 16 times more light onto the planet's surface than our moon. The greater nightly illumination would require nocturnal animals to have better camouflage.
  • Greater strength and faster brains:
    • With its colossal ocean tides and more frequent quakes, Lunholm would be a much less inviting place to live than our earth.
    • The development of faster brain function is a plausible evolutionary step for creatures with greater speed and strength than those that evolved here on Earth.
  • Astronomy:
    • The bright nights would make astronomical observations more difficult. Only when Lunholm's closer moon is new, or fine crescent, would the sky be dark enough to show all the stars visible today.

2.近い月をもつ地球 - 惑星ルンホルム:

  • 潮汐:
    • 海洋の潮汐は、月に最も近い部分が他の部分より大きな引力を受けるために生じる。
    • 地球の反対側に二回目の満潮が起こる理由は、月の引力が地球そのものを月の反対側にある海洋から遠ざけてしまうからである。
    • 今の地球は、月の公転に比べ約27倍の速さで自転している。この急速な自転は、最も高い潮を月の真下から進行方向へひきずっていく。つまり地球の自転によって、月の真下の海水が先行して運ばれていく。
    • 高潮の海洋は東から西へと流れる。地球は西から東へと自転しているので、海水は固体の地球の自転を妨げ、その自転速度を遅くしていく。
    • 月に近い方の膨らみは、月の進行方向に絶えず引力を及ぼしてその公転速度を速める。月の公転速度が速くなるに従って、月は次第に地球から遠ざかっていく。 (毎年約5cm)
  • ロッシュの限界:
    • ロッシュの限界では、月はタマネギのように皮をむかれて、ついには地球を取り囲む岩石の輪になってしまう。(ロッシュの限界は、土星では中心から144,000 km、地球では17,000 km)
  • 角運動量: (r × mv) 、なお×は外積
    • 自転する天体の質量やサイズが大きいほど角運動量は大きくなる。地球が潮汐摩擦によって角運動量を失うと、月が同量を獲得し、地球を回る月の公転速度が増す。
    • 火星サイズの微惑星と若い地球との衝突をシミュレーションすると、飛び出した岩石はロッシュの限界の1.5倍の軌道に乗ることがわかった。従って、月は誕生以来当初の距離から13倍も遠ざかってしまったことになる。
  • ルンホルムの月:
    現在より近い距離に月のある地球をルンホルムと呼ぶことにする。
    • 朔望月:約29.53日
    • 恒星月:約27.32日
    • ケプラー第三法則:
      惑星の公転周期の2乗は軌道の半長径の3乗に比例する。
    • ケプラー第三法則によって、ルンホルムの月の公転周期は地球よりずっと短い。ルンホルムの月の恒星月は3.5日で、朔望月はほぼ4日になる。
  • 日食と月食:
    • ルンホルムの月の公転面が、ルンホルムの黄道面に対して傾いていても、その距離が近いので、満月になる毎にルンホルムの影の中を通過することになる。同様に新月の度にルンホルムは月の影の中を通過する。従って、ルンホルムでは年間90回の日食と90回の月食が生じることになる。 (地球上では2~7回の食が生じる)
  • 隕石の盾:
    • アリゾナ隕石:直径50mで20,000年前に落下し、TNT1800トンのエネルギーで爆発し、直径1,300m 深さ180mの隕石孔を作った。
    • 1600万年前の隕石落下:直径10kmで、まき散らした塵によって数年から数十年に亘って地球を寒冷化した。居住環境が破壊されたため、多くの種が地上から一層された。
    • もし、この衝突が地球ではなく月で起きていたら、それによる生物の大量絶命は起こらなかった。恐竜が繁栄を続けて、人類は進化するのがずっと遅くなるか、全く進化しなかっただろう。
  • 潮汐:
    • 地球と月の距離が現在の半分ならば潮汐の高さは現在の8倍、1/4ならば64倍となる。ルンホルムの月の公転速度がずっと速いので、潮汐の高さは更に高くなる。
    • ルンホルムの付は3.5日でルンホルムを公転するので、地球が月に対して自転するのに比べれて、ルンホルムはそれほど早く自転しない。ルンホルムの満潮は、その月に対して十分に膨らむ時間ができる。
    • ルンホルムの海岸は、潮が満ちるたびに、海水が内陸に何十kmも、時には何百kmも流れ込む。
  • 氷山:
    • ときには氷山が海岸に打ち上げられる。潮流に運ばれて満潮の海岸線やそれより高い所まで運び上げられるのである。これらは干ばつのときの飲料水になる。
  • 固体潮汐:
    • 地球の個体も20cm潮汐作用を受ける。ルンホルムでは満潮の時に3m持ち上がることもある。このストレスによって、月の引力が周期的に変化する毎に、ルンホルムでは巨大地震が頻発する。
    • ルンホルムの多くの海岸では、絶え間ない地震活動が見られ、多分、プレートの間から上昇してきたマグマによる絶え間ない火山活動を伴うかも知れない。
  • ルンホルムの生命:
    • 潮汐による潮の流れ、干潮時に現れる広大な浜辺、生命の複製に必要な大量の化学物質は、初期の生命の活動にとって不可欠な条件であった。
    • ルンホルムの地表は地球よりずっと早く動物の進化に適した環境になるだろう。
    • 高濃度の酸素は有毒なため、動物の血流に入り込む酸素量を制限できる肺を発達させる必要があった。我々の祖先は比較的穏やかな満潮の時に陸に上がり、しばらく陸上に留まってから、潮がまだ遠くに引かないうちに海に戻れた。
    • すばやく反応しなければならない動物は、複雑な脳や物をつかむことのできる指などを発達させて、やがて人類に匹敵するような知的生命に進化するかもしれない。
  • 夜行性動物:
    • ルンホルムの月は地球の月に比べて16倍も明るい。明るい夜に適応するには新たなカムフラージュが必要になる。
  • 脳機能の早い発達:
    • 強力な潮汐と頻発する地震のためにルンホルムは地球より住みにくい惑星である。
    • 素早く機能する脳の進化は、地球で進化して人類よりもスピードと力に勝る生物にとって、都合のよい進化と遂げたといえる。
  • 天文学:
    • 明るい夜空は天文観察によっては遙かに困難である。ルンホルムの月が新月か極細い三日月のときだけ、空が暗くなって全ての星が見えるようになる。
>Top

3. What if the earth had less mass? - Petiel:

  • Gravity:
    • Even on Earth an object can change its weight without changing mass. A 150 pound person would weigh only 149.5 pounds on the top of Mt. Everest.
  • Mass & density:
    • We choose to leave the earth's chemical composition alone. The lower-mass earth will have the same density as our world.
    • The smallest mass that the earth could have and still retain all he gases necessary for life is one quarter of its present mass. The corresponding radius of the smaller earth would then be 2,500 miles, which is just over 60% of its present radius of 4,000 miles.
    • We call this petite version of Earth Petiel.
  • Astronomical profile:
    • Everything on Petiel would weight 2/3 of the earth. Perhaps contrary to intuition, Petiel's lower mass would have no effect on the orbital period.
    • However, the orbit of the moon around Petiel would be very different: Petiel's lower mass would increase the moon's sidereal period (54.7 days) and synodic period (59 days).
    • The moon orbiting small Petiel at the same distance as our moon would create lower tides on that planet. Because 1) tides decrease with the diameter of the planet, 2) tides would decrease if the moon were moving more rapidly across the sky tan our moon does.
  • Internal heating:
    • Both would have molten interiors, although Petiel would have considerably less magma than the earth.
    • Petiel's surface area is 45% of the earth, while its interior contains only 30% as much mass as the earth's. Therefore, Petiel's surface is larger relative to that planet's volume.
    • Petiel's smaller size means that overall it would have less total radioactive matter. More of Petiel's interior would be solid.
    • Petiel's mantle would be cooler and stiffer than the earth's mantle because of Petiel's greater heat loss.
    • Plausibly, Petiel's tectonic plates stopped moving relative to one another 3.5 billion years after the planet formed. Since then, Petiel's continents would have been fixed in position.
    • Petiel would be more tranquil than the earth, with fewer volcanoes and quakes.
  • Volcanoes:
    • More important to life than the dust from Petiel's volcanoes is the sulfur dioxide. Because of the extreme altitude to which Petiel's eruptive gases would soar, the sulfuric acid they create would remain aloft for years, perhaps even decades.
  • Air:
    • Petiel would contain less rock in its interior from which carbon dioxide could be released. consequently, Petiel's early carbon dioxide-dominated atmosphere would have only one quarter.
    • Petiel's ocean volume would be 45% of that on Earth. Since Petiel's rocks would give off 25% as much carbon dioxide as Earth's rocks did, Petiel's oceans would be able to absorb a large fraction of the atmospheric carbon dioxide than Earth's early oceans.
    • Plausibly, the final oxygen level on Petiel would be as high as one quarter the oxygen content of our air.
  • Meteorites:
    • Petiel's thinner atmosphere would be less effect in burning up infalling space debris than the earth.
  • River flow:
    • Rivers on Petiel would flow more slowly: the silt in them would have more time to form sediment on river bottoms. Fewer minerals necessary for the formation of early life would be deposited in Petiel's oceans.
  • Life on Petiel:
    • The diversity of both plant and animal life should be less on Petiel than on Earth.
    • Less weight requires less structural strength to hold it up, so bones cold be thinner than they are here and still support animals of the same mass.
  • >Top Effect of diminished oxygen:
    • Nature has evolved ways to create energy biologically without using oxygen, called anaerobic metabolism. The efficiency of aerobic metabolism is nearly 20 times greater in forming ATP (adenosine triphosphate), than is anaerobic metabolism.
    • Smaller animals consume a large amount of the energy they create each second than do large animals. A mouse of 20g consume nearly 6 times more oxygen per body weight than a cat.
    • Let's assume that Petiel's animals evolve as as to consume as much oxygen. In order to do so, Petielians would have to breathe 4 times faster or have lungs with 4 times as much surface area.
  • Humans on Petiel:
    • Humans on Petiel would therefore be taller than we are. They would take deeper breaths to fill their larger lungs.
    • One ability essential for the success of tree-dwelling animals on Earth is their rapid response to falling. Fast reflexes requires swift coordination between several parts of the brain and body, which in turn uses lots of oxygen.

3.小さな地球 - 惑星ペティエル:

  • 重力:
    • 地球上で、質量が変わらないのに重さが異なることがある。浜辺で68.0 kgなら、エベレスト山頂では67.8 kgとなる。
  • 質量と密度:
    • 地球の化学構成は変えないことにする。質量の小さな地球は我々の地球と密度が同じとなる。
    • 生命に必要なすべての気体を保ったままで地球がとることができる最小質量は現在の質量の1/4である。そのときの地球半径は4,000 kmで、現在の半径6,400 kmの60%に過ぎない。
    • この小さな地球をペティエルと名付ける。
  • ペティエルの特徴:
    • ペティエル上のすべての物体は地球の2/3の重さしかない。不思議なことに、質量が小さくなっても公転周期は変わらない。
    • しかしペティエルの月の軌道は非常に異なっている。ペティエルの質量が小さいために、恒星月は54.7日、朔望月は59日と長くなる。
    • 地球と同じ軌道を回っているベティエルの月は、地球よりも小さい潮汐しか発生させない。それは 1) 潮汐は惑星の直径に比例して小さくなる。2) 月が空を横切る速さが速くなるほど発生する潮汐は小さくなる。
  • 内部の発熱:
    • どちらも内部は溶けた岩石から成るが、ペティエルのマグマの量は地球よりかなり少ない。
    • ペティエルの表面積は地球の45%で、内部の質量は地球の30%に過ぎない。従って、ペティエルの表面積は体積に比べて相対的に大きくなる。
    • ペティエルの質量が小さいので、含有される放射性元素の総量は地球より少なくなる。ペティエルの内部の方が冷えて固化している。
    • ペティエルのマントルはより多くの熱が失われるので、地球のマントルより温度が低い。
    • おそらくペティエルの地殻プレートは、惑星誕生後35億年後に活動停止しているだろう。それ以来ペティエルの大陸は位置が変化しなくなる。
  • 火山:
    • 生命にとって重要なのは、火山灰より噴火によって放出される二酸化硫黄である。ペティエルの火山噴出物は非常に高く舞い上がるので、生じた硫酸は何年も、たぶん何十年も空中に漂うことになる。
  • 大気:
    • ペティエルの内部の岩石から放出される二酸化炭素の量も少ない。従って惑星初期の二酸化炭素主体の大気も地球の25%に過ぎない。
    • ペティエルの海水の体積は地球の約45%とみられる。一方ペティエルでは岩石から放出される二酸化炭素量は地球の25%なので、地球に比べて海水に吸収される二酸化炭素の割合が大きくなる。
    • おそらく最終的なペティエルの酸素の割合は、地球大気の酸素の25%に過ぎない。
  • 隕石:
    • ペティエルの大気は薄いので、宇宙から大気中に飛び込んでくる隕石は地球に比べて燃え尽きにくい。
  • 川の流れ:
    • ペティエルの川の流れは地球より穏やかなので、地球より遙かに多くのシルトが川底に堆積することになる。初期の生命形成に必要な海中の無機物が少なくなる。
  • ペティエルの生命:
    • ペティエルの動植物は地球に比べてあまり多様ではないだろう。
    • 体の構造も地球ほど丈夫である必要がないから、地球と同じ質量の動物なら、もっと細い骨で体を支えられる。
  • 低濃度酸素の影響:
    • 自然は酸素を使わずに、無機代謝と呼ばれる生物学的エネルギーを生み出す方法を進化させてきた。酸素を消費する有気代謝は、ATPを作るのに、無気代謝に比べて20倍も効率が良い。
    • 小型動物は大型動物に比べて毎秒毎に生み出すエネルギーをより大量に消費する。体重20gの鼠は体重あたりの消費酸素量は、猫の6倍近くになる。
    • ペティエルの動物が地球の動物と同量の酸素を消費するように進化したと仮定すると、ペティエルの動物は4倍の速さで呼吸するか、肺の表面積を4倍にしなければならない。
  • ペティエルの人類:
    • ペティエルの人類は我々より背が高いだろう。彼らは大きな肺を満たすために深々と呼吸するだろう。
    • 地球の樹上動物の生存に不可欠な能力は落下に対するすばやい反応である。すばやい反射のためには、脳のいくつかの部分と身体のすばやい協調が必要であり、そのためには多くの酸素が必要とする。
>Top

4. What if the earth were tilted like uranus? - Urania:

  • Earth's orbit:
    • Perihelion & Aphelion:
      It seems plausible that he seasons occur because of changes in the earth's distance from the sun. Perihelion (on Jan. 3) brings it 3 million miles closer than aphelion (July 3).
    • Earth axis:
      The earth spins once a day around an imaginary axis passing through N-S poles (earth axis). This axis is tilted by 23.5 degrees from ecliptic.
  • The seasons:
    • Vernal & autumnal equinox:
      On Mar. 22 (plus or minus a day), the sun is directly over the earth's equator. The autumnal equinox occurs six months later on Sept. 22.
    • Summer solstice:
      The amount of daylight increases daily until finally, on June 22. The north pole is not point at the sun, rather it is tilted just 66.5 degrees away from it.
    • Culmination & actinometer:
      The combination of the sun's changing height in the sky each day and the changing amount of daylight each day is the key to the cycle of seasons.

4.地軸の傾いた地球 - 惑星ウラニア

  • 地球の軌道:
    • 近日点・遠日点:
      季節変動は地球と太陽までの距離が変化するからと思っているかも知れない。近日点 (1月3日) は遠日点 (7月3日) より480万kmも太陽に近づく。
    • 地軸:
      地球は南北を貫く軸 (地軸)を中心に1日に一回転している。この軸は地球が太陽の周りを公転面 (黄道) に対して23.5度傾いている。
    • 春分・秋分:
      3月22日(±1日)、太陽は赤道の真上にやってくる。6ヶ月後の9月22日は秋分となる。
    • 夏至:
      日射量は6月22日に最大となる。北極が太陽を向くといっても66.5度傾いているが。
    • 南中と日射量:
      このように太陽の南中高度と日射量の変化の組合せが季節の変化をもたらす。
  • 90 degree obliquity - maximal seasons:
    • Urania is to be identical to Earth in all respects except that its rotation axis will lie in the plane of the ecliptic. We set Urania's North Pole to point at Regulus in Leo Major.
    • Urania's moon could be in one of two district orbit - either in the plane of the ecliptic or around Urania's equator. (Uranus' moons orbit in the plane of its equator.)
  • Sunrise, Sunset:
    • in Uranian Atlanta (N34 degrees):
      Whereas during the months following this equinox on Earth the sun rises only to 23.5 degrees north latitude, on Urania the sun would continue to rise higher and higher over the Northern Hemisphere every day.
    • On April 25, you would see the sun directly overhead.
    • On May 18, it would rise and stay up in the sky north of Atlanta without setting for the next 68 days.
    • circumpolar constellations:
      There are constellations such as Ursa Minor and Ursa Major, that are so near Polaris that they are up all night long as viewed from most places in the Northern Hemisphere.
    • On Urania the summer solstice would find the sun directly over the North Pole, with Regulus directly behind it. The sun would be 34 degrees above the northern horizon from Atlanta.
    • On July 25 the normal day and night cycle in Atlanta would resume. The sun would pass directly overhead again on Aug. 18.
    • On Nov. 17 the sun would skim along the southern horizon as seen from Uranian Atlanta. Atlanta would be plunged into a 68 day period of continuous darkness, softened only by moonlight.
    • On Jan. 26 the sun would finally peek above Atlanta's southern horizon again for a few minutes.
  • Seasons at the poles:
    • The season at Urania's poles would range to the greatest extremes. During 6 months when the sun is below the horizon, a substantial amount of ice an snow would form there. However, the other 6 months, when the sun is up continuously, the heating of Urania's poles would be inconceivably strong. The sun's heat would melt whatever arctic ice had formed the previous winter. Therefore, the ice caps on Urania would only be seasonal. (raise of sea levels by about 37m)
  • >Top Seasons of the equator:
    • The equatorial lands would enjoy the most moderate climate of all places on Urania. They are the only places where the sun would rise and set every day.
    • It is around the equator that life would probably first emerge onto Urania's surface.
  • Lunar Phases:
    • Eclipses would be exceptionally rare on Urania.
    • Since our moon orbits close to the earth's ecliptic, the boundary between light and dark on the moon (terminator) always runs north-south as seen from Earth. As Urania's sun moves northward, the terminator on its moon would slowly tilt from north-south to east-west.
    • During the summer solstice one half of the moon would continually be visible from the planet's surface.
    • The crucial point is that Urania would not have a repeatable monthly cycle of lunar phases.
    • Changing phases resembling those we are used to on Earth would occur only in abbreviated form around the times of the equinoxes.
  • Life on Urania:
    • Life required ultraviolet radiation to begin forming. Once constituted, it has needed heat to keep from freezing to death.
    • Urania's equatorial oceans, while cooler than those on Earth, would still be temperate and so would provide a suitable environment in which life cold develop.
    • As on Earth, once life is established on Urania's equatorial landmasses, it would almost certainly disperse over the entire planet, evolving to cope with the extremes of light and dark, hot and cold.
  • Vegetation:
    • Needles like those of the evergreen would be more of a liability than an asset on Urania. During the months of darkness the needles would gather no light and still give of heat and moisture.
    • Therefore, the long periods of darkness and cold on Urania do suggest that virtually all trees, except perhaps those at the equator, would drop their leaves before winter sets in.
    • The roots would draw heat up into the trunk of the tree. Warmed by the ground's thermal energy, the sap in trees and perennial plants on Urania could carry heat upward, thereby providing enough warmth to the living tissue to take the edge off winter.
    • The sap would also have to be less sticky on Urania so that it could quickly transport heat through the tree. Urania's tree sap would more closely resemble blood in its viscosity than sap on Earth.
  • Animal survival during winter:
    • Migration, a major alternative to hibernation, would require longer treks on Urania than it does on Earth, since more of Urania's lands would be frozen.
    • On Earth, animals use speed primarily to help them hunt and escape from predators, whereas on Urania migration rates would affect evolutionary success.
  • Humans on Urania:
    • On Earth evolution provided humans with the flexibility to withstand significant seasonal changes in weather. This ability, combined with the development of clothing and the use of fire, enabled our ancestors to spread all over the planet.
    • It seems reasonable to expect that people would be cave dwellers on Urania for even longer than they were on Earth; with wood for heating at a premium, using caves for homes would make even more sense on Urania than it did on Earth.
    • Fishing would be even more important in supporting early people on Urania than it was on Earth.
    • Large-scale agriculture would face severe challenges on Urania.
    • Equatorial farming on Urania would be limited to three-month periods twice a year when the sun is height in the sky.
  • Synchronizing biological clocks:
    • The distinction between animals active during the day (diurnal species) and those active at night (nocturnal species) would become blurred on Urania.
    • Other external influences besides the day-night cycle can entrain biological clocks. Secondary entrainers on earth include changes in temperature, humidity, sound levels, air pressure, all of which are affected by the daily presence of the sun.
    • Earth show that the light intensity necessary to entrain them need not vary to the same peak each day. It just needs to be cyclical in changing intensities. Lunar days are 24 hours and 50 minutes long. This would be the entrainment cycle during the prolonged nights on Urania.
    • The food chain would be seriously disrupted when the day-night cycle gives way to long periods of dark or light. (Sleeping predators would become prey.)
    • People on Urania would need their mechanical clocks to run with lunar-day cycles of 24 hours and 50 minuets. On the other hand, during the season of continuous daylight would depend on the motion of the sun. This cycle would be 24 hours long, and so mechanical clocks would have to run in 24 cycles during that time of the year.
  • 地軸が90度傾斜:
    • ウラニアはその回転軸が90度傾いていることを除けばすべて地球と同じである。ウラニアの北極は獅子座のレグルスを向いているとしよう。
    • ウラニアの月の公転軌道は黄道面かウラニアの赤道面に沿うかいずれかとなる。 (天王星の月は赤道上を公転している。)
  • 日の出と日没:
    • ウラニアのアトランタ (北緯34度)
      春分に続く3ヶ月間に、地球では太陽は北緯23.5度までしか上がらないが、ウラニアではどこまでも上がっていく。
    • 4月25日には、太陽は真上に来る。
    • 5月18日には、太陽はアトランタの北の空に上がってからそのまま68日間は沈まない。
    • 周極性の星座:
      北国性に近い小熊座や大熊座のような星座は一晩中空に留まっており、北半球の多くの地点からみることができる。
    • ウラニアでの夏至は太陽は北極星近くのレグルスの近くに留まることになる。アトランタからはその日の太陽は北の地平線から34度の高度を巡る。
    • 7月25日には再び昼と夜が始まる。8月18日には太陽は再び頭上を通過する。
    • 11月7日には太陽は南の地平線をかすめるだけとなる。アトランタは 68日間続く長い夜に突入し、闇を和らげるのは月光だけとなる。
    • 1月26日になってようやく太陽はアトランタの南の地平線に数分間だけ頭をのぞかせる。
  • 極地方の四季:
    • ウラニアの両極の季節は極端な寒暖を繰り返す。太陽が昇らない冬の6ヶ月間、大量の雪と氷が降り積もるだろう。しかし夏の6ヶ月間は、太陽はいつも出ており、ウラニアの極地方は酷暑となる。太陽の熱によって、冬の間に積もった雪は残らず溶けてしまうだろう。その結果、ウラニアの氷床は季節的なものとなる。 (海面は37m上昇する)
  • 赤道地帯の四季:
    • ウラニアでは赤道地帯が最も穏やかな気候に恵まれるだろう。一年を通じて日の出と日没が見られるのは赤道だけである。
    • 最初に生命が誕生するとすれば、おそらくそれは赤道近辺ということになろう。
  • ウラニアの月:
    • ウラニアでは日食や月食はごく稀である。
    • 地球の月は地球の公転面にほぼ重なる軌道なので、月面上の明暗境界線は、地球から見て常に南北に走っている。ウラニアでは、太陽が北方に移るにつれて、月面上の明暗境界線は徐々に南北から東西に傾いていく。
    • 夏至の間は、ウラニアの月はずっと半月のままに見える。
    • 最も重要なことは、ウラニアの月は地球のように周期的な変化見せないことである。
    • 我々が地球で見慣れたような月の満ち欠けは春分と秋分前後の短縮された形で起きる。
  • ウラニアの生命:
    • 生命が誕生するには紫外線が必要である。そして誕生した生命は凍死しないために熱が必要である。
    • ウラニアの赤道の海洋は、地球に比べれば温度は低いが、それなりに温暖で、生命の進化適した環境を提供してくれる。
    • 地球と同様に、ひとたびウラニアの赤道地帯で生命が誕生すれば、極端な温度差と明暗の変化に適応しながら、惑星全体に拡散していくに違いない。
  • 植物:
    • ウラニアでは針葉樹の葉は利点より弱点になりかねない。何ヶ月も続く闇の期間、針葉樹は光合成をすることができず熱と水分を失うだけだからでる。
    • 従って、ウラニアの長い夜と寒気では、おそらく赤道を除いて、すべての樹木が冬になる前に葉を落とすことになるだろう。
    • 根は地下から熱を汲み上げて樹木の幹に送り込む。ウラニアの木の樹液や多年生植物の汁は、地下の熱エネルギーによって暖められ、その熱を地上に運び上げる。それによって生きた組織は冬を生きのびるのに必要な暖かさを得ることができる。
    • その樹液は地球の植物のものよりさらさらしていて、熱を素早く運ぶことができなければならない。従って、ウラニアの樹液の粘性は、地球の植物の樹液よりも動物の血液に似ているだろう。
  • 冬を生きのびる動物:
    • 冬眠に代わるもう一つの方法である渡りは、地上の多くが凍結するるウラニアでは、地球に比べてどうしても長旅になる。
    • 地球上の動物は、主に獲物を捕ったり捕食者から逃れたりするために、その速さを利用しているが、ウラニアの動物が進化で成功するかどうかは、移動の速さにかかっている。
  • ウラニアの人類:
    • 地球の人類は、気候の季節変動に耐えられるだけの柔軟性に恵まれている。この能力と、衣服の発達と火の利用のお陰で、我々の祖先は、地球上のあらゆる地域に拡散することでできた。
    • ウラニアの人類は。地球よりも長期に亘って穴居生活を続けるだろう。燃料となる樹木が貴重なので、洞窟を住居とすることは地球よりも合理的だからである。
    • 海洋漁業は、地球よりも遙かに重要になるだろう。
    • ウラニアでは、大規模な農業は非常に難しいだろう。
    • 赤道地帯の農業は、太陽が高く昇る年二回の三ヶ月間に限定されてしまう。
  • 生物時計の同調:
    • 昼間に活発な動物 (昼行性動物)と夜間に活発な動物 (夜行性動物)のライフサイクルはウラニアではあいまいになってしまう。
    • 日光の他にも、生物時計の同調に影響を与える外部要因はいくつかある。地球では、副次的な同調の要因としえ、気温、湿度、音量、気圧の変化などがあるが、これらはすべて昼夜サイクルの影響を受けている。
    • 地球では、生命時計に同調するのに、光の強さのピークが必ずしも一定である必要はないことがわかっている。明るさの変化が周期的でさえあればいいのである。太陰日は約24時間50分で、これがウラニアの長い良くの間の同調化サイクルになるだろう。
    • 昼夜サイクルが一日単位ではなく季節単位に移行するとき、食物連鎖は大混乱に陥る。(眠っている補食者は逆に被食者になってしまう。)
    • ウラニアの人類は、機械時計は一日24時間50分の太陰日で動かなければならない。一方、昼がいつまでも続く時期には、一日の長さは太陽の動きによって決定される。このサイクルは一日24時間なので、この時期には時計も一日24時間の太陽日で動かなければならない。
>Top

5. What if the sun wee more massive? - Granstar:

  • Nearest star:
    • Our solar system is 25 trillion miles from the next star, Proxima Centaruri. It would take 57,000 years at 50,000 miles an hour.
  • Photons:
    • Photons can be visualized as tiny, discrete packets composed of waves of energy. The waves inside a photon diminish in height at the leading and tailing edges of packet. All the waves in one photon have the same wavelength.
  • Star light:
    • As soon as each gamma ray is created, it bangs into a nearby atom in the star' core. The photon is absorbed and the re-emitted by the atom, after which it soon strikes another atom, which absorbs and re-emits it. So begins a long, arduous journey from the star's core up to its surface.
    • Relatively few photons leave the star as radio waves. More of them go as infrared radiation, and most photons emerge as visible light. Many are ultraviolet, while relatively few are X rays and even fewer are gamma rays.
    • Photons leaving the sun's surface today were created in its core a million years ago.
  • Colors of stars:
    • Actually, the sun's intensity peaks in the blue-green part of the spectrum. More of shorter-wavelength photons are scattered by the air than any other colors, and so they do not reach our eyes. The apparent color of the sun look yellow.
  • Brightness of stars:
    • More massive stars are hotter because they create more energy each second through higher fusion rates in their cores.
    • Greater fusion occurs because more massive stars have more gravity, which compresses them harder and creates higher pressures in their cores.
    • The higher pressure causes more fusion. The greater the fusion rate, the larger the number of photons being created.
  • Maximum possible mass of the sun:
    • There are two factors that limit the maximum mass a life-supporting star; first, electromagnetic radiation on the process of planet formation. Second is weather the star will last long enough for life to evolve on a planet.
    • Ultraviolet are the most effective in pushing matter out of orbit around young, massive stars. The ultraviolet radiation emitted by stars with more than 10 solar masses is so intense that virtually all the dust and gas around them is ejected before planets can form.
    • How long must a star remain on the Main Sequence before intelligent life could evolve on a planet?
    • Considering the time it took to make the air breathable, to evolve land creatures, to allow for recovery form mass destruction of species by asteroid impacts and diseases, it seems that 4.6 billion years is a plausible minimum life for a planet before people evolve on it.
    • Calculations show that the most massive star still on the main Sequence after 4.5 billion years has only 1.5 solar masses.
    • It may seem at first that adding only 50% more mass to the sun is a disappointingly small change. Even this alteration leads to major changes in the earth's relationship to the sun.
  • The new orbit:
    • To enable a planet around the more massive sun to be cool enough to have oceans, we need to move it farther out in space. The ideal location for a life-supporting planet around the new sun is 3.5 times farther away than we are. This new orbit would be located between Mars and Jupiter.
    • The asteroids formed in a region of the present solar system where the planetesimals did not have enough mass to form a planet. If the earth condensed where the asteroids are today, the asteroid material would have become part of the earth during its formation.
  • The Granstar:
    • We call it Granstar to emphasize the increased mass of the sun it orbits.
    • Granstar's greater distance to its sun would have more effect on the length of the year there than would its sun's greater mass. Granstar's year would end up being 5.3 of our present years long.
    • However, the longer year would mean that each season would be 5.3 times longer than it is on Earth. Hidden in these numbers is a potential barrier to the evolution of life on Granstar.
  • >Top Runaway glaciation.
    • The problem for Granstar comes from the possibility of reflecting too much sunlight during the prolonged winters, thereby starting a cycle of excessive cooling.
    • This cycle of cooling - snowfall - more cooling - more snowfall can be unstable.
    • Like our earth, Granstar would be precariously balanced between runaway glaciation and the runaway greenhouse effect.
  • Life on Granstar:
    • Granstar's more massive sun would emit almost 100 times more visible light and heat than our sun does, as well as many thousands of times more ultraviolet radiation. The increase in emission of electromagnetic radiations is not uniform.
    • As far as life is concerned, ultraviolet radiation is a double-edged sword. While the radiation supplied the energy that enabled organic molecules to form in the first place, it also supplied the energy that broke up these molecules into simpler ones.
    • Whereas the ultraviolet radiation striking the earth's oceans is absorbed by the first few feet of water, the heavier ultraviolet bombardment on early Granstar would penetrate several tens of feet deep.
  • Ozone:
    • The sun's ultraviolet radiation breaks apart some of those molecules into their constituent oxygen atoms. The freed oxygen atoms hen combine with other oxygen molecules to form triple oxygen molecules called ozone.
    • The ozone layer is thickest some 17 miles above the surface.
    • Since the ultraviolet radiation on Granstar would be strong during all daylight hours but would drop significantly when the sun goes down; the first great explosion of animals on Granstar would be nocturnal creatures.
    • Eyes of animals on Earth today are especially sensitive to ultraviolet radiation. Even the relatively low-intensity ultraviolet radiation that penetrates to the earth's surface caused cataracts and other blinding illnesses.
    • Granstar would probably evolve natural ultraviolet monitors, like the radiation badges worn by people working in nuclear power plants.
  • Seasons of Life:
    • On Granstar those bodies of water the completely freeze would not be habitats for such fish if they are to live more than one year.
    • Animals active during the winter on Granstar would require larger food caches. The food chain would have to evolve to cope with this need by having trees produce more nuts and other edibles, creating more nutritious nuts, having more trees grow in each area, having wintering animals eat more flexible diets, having fewer wintering animals.
  • Life Cycles:
    • Perhaps the most important effect on animal life of Granstar's lengthened seasons would be the change in fertility cycles.
    • Is the maximum length of an animal's life determined by the number of years it lives, by the total number of days, or by some absolute time?
    • Competition for space and food between species and between members of the same species would be endemic. The law of the jungle would be even more violent there than it is on Earth.
  • More Massive Sun:
    • We chose the 1.5 solar mass sun because it would still be shining 4.6 billion years after it formed. After that it becomes a red giant. Granstar's sun would not engulf that more distant planet as our sun will the earth. However, Granstar would be overheated and overirradiated when its sun became a red giant. All life on Granstar would surely be killed at that time.
    • Our sun has enough fuel in its core so that this end-of-life crisis will not occur for another 5 billion years. Assuming that humans survive these early millennia of high technology, we will undoubtedly migrate to other star systems billion of years before the earth is in dagger from the expanding sun.
    • While we on Earth hope we will have the luxury of being able to decide when and where to go in space, people on Granstar would not be so fortunate. They would need to emigrate to any habitable planet they could find.

5.大きな太陽 - 恒星グランスター:

  • 近い恒星:
    • 太陽系も最も近い恒星であるプロキシマ・ケンタウリから40兆kmはなれている。時速8万kmでも57,000年かかる。
  • 光子:
    • 光子は、エネルギー波からなる小さなばらばらのパケットであり、光子の中の波は、パケットの前端と後端で振幅が減衰している。一個の光子の中の全ての波の波長は同じである。
  • 星の光:
    • ガンマ線が恒星のコアで誕生するとすぐに近くの原子に衝突して吸収され、それから再び光子として放出される。それからすぐに別の原子に衝突して吸収されまた放出される。この過程が何度も繰りかえされて、恒星のコアから表面までの果てしない旅が始まる。
    • 電波となって表面から放射される光子はわずかである。赤外線の方がずっと多く、大半の光子は可視光線として放射される。紫外線も多いが、X線は比較的少なく、ガンマ線はさらに少ない。
    • 現在、太陽表面から放射される光子は、100万年も前にコアで作られたものである。
  • 恒星の色:
    • 実際には、太陽の放射強度のピークはスペクトルの青緑の部分にある。但し、地球の大気は波長の短い光子をより多く散乱させるので我々の目に届かない。つまり太陽の見かけの色は黄色になる。
  • 恒星の明るさ:
    • 質量の大きな恒星が質量の小さな恒星より温度が高いのは、核融合が盛んに起こるために、より多くのエネルギーを生み出すからである。
    • 核融合がより頻繁に起こるのは、恒星の質量が大きくなるほど重力も大きくなるので、コアでの圧力も大きくなるからである。
    • より大きな圧力によって核融合回数がより多くなる。核融合が多くなるほど、生成される光子の数も多くなる。
  • 太陽はどこまで大きくできるか:
    • 生命を維持できる恒星の最大質量は、2つの原因によって限定される。一つは惑星が形成される過程における恒星の電子放射であり、もう一つはその恒星の寿命が惑星に生命が進化できる位長いかどうかである。
    • 粒子を押し退ける力が最大なのは紫外線である。我々の太陽の10倍以上の質量があると、その恒星からの紫外線の放射はとても強力なので、すべてのガスと塵を惑星を作るひまもなく吹き飛ばしてしまう。
    • 惑星で知的生命が進化するためには、恒星はどのくらい長く主系列星に留まる必要があるのだろうか。
    • 大気が呼吸可能になる時間や、陸上生物が進化しる時間や、隕石の衝突や疫病による大量絶命から回復するのにかかる時間などを考慮すると、惑星に知的生命が誕生するのに必要な時間は、少なくとも46億年であると考えられる。
    • 経線によれば、誕生から46億年後でも主系列星に留まっていられる最大の恒星は、大量質量の1.5倍 である。
    • 太陽の1.5倍というと、がっかりするほど小さな変化に思えるかも知れないが、この程度の変化でも地球と太陽の関係はがらっと変わってしまう。
  • 新たな公転軌道:
    • 質量の大きな太陽の周りを公転しながら、海ができるくらいに表面温度を下げるには、地球を新しい太陽から遠ざける必要がある。生命を維持するのに理想夷的な距離は、現在の軌道の約3.5倍である。この新しい軌道は火星と木星の丁度中間に位置する。
    • 小惑星帯が現在の位置にあるのは、その付近の微惑星が惑星を形成できるだけの質量が無かったためで、もし地球が現在の小惑星帯の位置で誕生したら、小惑星の材料は地球に取り込まれていた。
  • グランスター:
    • それが公転している太陽の質量を強調するために新しい地球をグランスターと名付けることにしよう。
    • グランスターの太陽の質量が大きくなった影響より太陽から遠くなった影響の方がずっと強く表れる。グランスターの一年は約5.3倍になるだろう。
    • 一年の長さが地球の5.3倍なので、四季の長さも地球の5.3倍になる。ところがそれによって生命が進化する上で重大な障害が生じる。
  • 氷河作用の暴走:
    • グランスターで問題なのは、長い冬の間に太陽光を反射してしまうために、過冷却のサイクルが始まることである。
    • この過冷却サイクルとは、降雪によってさらに冷却され、それがさらなる降雪へと一層変化することことである。
    • 我々の地球と同様に、グランスターでも氷河作用と温室効果との微妙なバランスを永続的に保たなければならない。
  • グランスター上の生命:
    • グランスターの太陽は、我々の太陽の100倍もの可視光線と、何千倍もの紫外線を放射する。恒星から放射される電磁波の量は比例するわけではない。
    • 生命に関する限り紫外線は両刃の剣である。そもそも紫外線が有機分子の形成を可能にしたが、それはまた有機分子を破壊するエネルギーをも供給する。
    • 地球の海に差し込む紫外線は水深1mまでに海水によって吸収されるが、グランスターの海に差し込む強い紫外線は、水深数10mにまで達するだろう。
  • オソン:
    • 太陽の紫外線は酸素分子を破壊して元の原子に分解する。自由になった酸素原子は他の酸素分子と結びついて、三個の酸素原子結合したオゾンになる。
    • オゾン層は地表から27km上空である。
    • グランスターに降り注ぐ紫外線は、昼間は極めて強烈であるが、日没後は著しく減少する。従って、最初に大規模な爆発的進化を遂げる動物は夜行性動物である可能性が高い。
    • 今日の地球上の動物の目は紫外線に極めて弱い。大気を通過して来る比較的弱い紫外線でも、白内障その他の失明の危険性のある病気を引き起こす。
    • グランスターでは原子力発電所で働く人が身につける放射線感知バッチのような、天然の紫外線モニターを発達させるだろう。
  • 生命と季節:
    • グランスターでは寿命が一年以上の淡水魚は、完全に凍結する湖や川に生息することはできない。
    • 冬季も活動的な動物は、より大きな食糧貯蔵庫を必要とする。食物連鎖はこの必要性に対応するように進化しなければならない。樹木はより栄養価の高いナッツや果実を実らせ、面積あたりの樹木数も多くなる。そして冬を越す動物は様々なものを餌としなければならず、その数もより少ないだろう。
  • 動物の寿命:
    • 多分グランスターの長い季節が度物の生活に与える最も重大な影響は、寿命の変化かも知れない。
    • 動物の最大寿命は年数で決まるのか、総日数できまるのか、あるいは絶対時間で決まるのか?
    • 異種間や同種間の空間と食物を巡る競争は激化するだろう。グランスターの自然界の掟は地球のそれよりも一層過酷になるだろう。
  • 質量の大きな太陽:
    • 我々はグランスターの太陽を我々の太陽質量の1.5倍に設定したのは、46億年後までは輝いているからである。だが、そこからすぐグランスターの太陽は赤色巨星になる。グランスターの太陽は。我々の太陽が地球を飲み込むように、遠くの惑星を飲み込みはしない。けれどもその太陽が赤色巨星になれば、グランスターは加熱され、過剰な電磁放射を浴びることになる。そしえグランスター上の全ての生物はその瞬間に死滅してしまう。
    • 我々の太陽のコアには十分な燃料があるので、あと50億年はこの生命の終末が訪れることはない。もしも人類が現在のハイテク文明を数千年に亘って維持することができれば、太陽が爆発して地球が危険にさらされる何十億年も前に、我々は他の太陽系に移住するに違いない。
    • 我々地球人類は、いつどこに移住するか決めることができるという贅沢を許されている。それに比べてグランスターの人類はそれほど幸運ではない。彼らは移住可能な惑星を見つけたら、それがどんな惑星であれ、移住しなければならないのである。
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6. What if a star exploded near the earth? - Antar:

  • Crab nebula:
    • In 1054 in Taurus, increased in brightness and within a week blazes so intensely as to be visible from Earth during the day. After a month of maximum radiance, the visitor began to fade.
    • The Crab nebula is 5,900 light-years away from Earth.
  • Astronomical distances:
    • Within the next 100 million years, Sirius, Canopus, Vega, Rigel, Altair, Spica, and Deneb, among others, will detonate. Indeed, some of these might explode in fewer than a million years.
    • The solar system orbits the center of our galaxy. At least once every 65 million years, the stars pass through one of the galaxy's spiral arms where their paths are altered by the gravitational force form the greater concentration of matter they encounter there.
    • The stellar explosion could be one of two kinds; a planetary nebula, which is the term for explosions of stars like the sun, or a supernova.
    • Feb. 1987 supernova was seen in the Large Magellanic cloud, 160,000 light-years away. Called Supernova 1987A, it temporarily doubled the brightness of that galaxy.
    • We choose to detonate Antar, a 20 solar-mass star located 50 light-years from the earth. (Antares, Antar's namesake, is a19 solar-mass star located 325 light-years from Earth. The effects of Antares's explosion on Earth will be about 1/40 those described below.)
  • >Top Supernova process:
    • Antar would lead a short, dramatic life. During a mere 8-million-year stint on the main Sequence, it would convert its entire core form hydrogen into helium.
    • During collapse, the pressure in Antar's core would build until it became great enough for the helium there to fuse into carbon. While the helium core fused into carbon, it and the shell of burning hydrogen just outside it would provide enough new photons to actually push Antar's outer layers ever farther out. Expanding, the star would move into the red giant phase.
    • After a million years, Antar's core would be entirely transformed into carbon. Fusion would then cease and the core would collapse once again. The newly formed helium in the shell surrounding the core would follow it inward.
    • Meanwhile the carbon core would compress until carbon fusion began, thereby creating oxygen.
    • The next step would be for the oxygen core to collapse, allowing surrounding shells of carbon, helium, and hydrogen to fuse. The oxygen core would be compress by outer layers until it began fusing into neon.
    • Another cycle of collapse and fusion would generate magnesium, silicon,.. finally, the core would fuse into iron.
    • These numerous shells would create enough photons to push the star's outer layers beyond the red giant phase.
    • If Antar were located at the center of our solar system, its surface would be pushed out beyond the orbit of Pluto. Such a star is called a super giant.
    • Once again, as fusion stops, the core begins to collapse and heat up. However, iron fuses differently than all the lighter elements, it absorbs photons rather than emitting them.
    • This loss of photons cools the core, decreases the outward force it exerts on the rest of the star, and the forces the entire star to contract faster and faster.
    • As the core collapses in on itself, the iron nuclei are literally dissolved by the intense pressure into increasingly lower-mass elements, such as oxygen, carbon, and helium.
    • With lower-mass elements again available there, the core could begin fusing and creating photons once more, thereby stopping its own collapse.
    • This does not happen because the collapse of the iron core is so fast and the breaking up of nuclei (photo disintegration) occurs too rapidly for fusion to take place. The iron core transforms until all that remains of it is hydrogen and helium.
    • Incredibly, within 1 second after the iron core begins to collapse, much of the helium and hydrogen core is converted into neutrons. The neutron-rich core continues to contract, converting more and more of the atoms there into neutrons.
    • In this final step, the particles in the core come to be squeezed so tightly together and at such high temperatures that they literally bounce off one another and rebound violently outward.
    • This rebounded creates a tremendous shock wave that slams into the fusing onionskin layers outside the core.
    • Along with an added push on the star's outer layers from the outward-bound neutrinos, all of the onionskin shells burst outward, generating the supernova. (Type II supernova)
  • A nearby supernova:
    • Antar would appear as it always had in the sky as a bright, blue-white supergiant. Then, without warning, the doomed star would grow tremendously luminous, 50 times brighter than the moon and only 1/8000 bright of the sun. It would be brighter than the light from all the other stars in the night sky combined.
  • Gamma Rays and X rays:
    • The tremendous flood of deadly X rays and gamma rays accompanying the visible light from the supernova would be the first cause of death to life on Earth.
    • The first blast of ultraviolet radiation from the supernova would destroy the earth's ozone layer within a matter of days.
    • While high levels of ionizing radiation from the supernova would destroy the ozone, lower levels of sunlight radiation help it reform.
    • Both the ozone layer and the ultraviolet-radiation level would eventually return to normal at the earth's surface, probably over the course of several decades.
  • Life on earth:
    • Within days of the arrival of the initial dose of X and gamma radiations from the supernova, individual in virtually all species of plants and animals would begin dying of radiation poisoning. The same thing occurred in Japan after the bombing of Hiroshima and Nagasaki and at the Chernobyl nuclear power station meltdown.
    • At the same time ultraviolet radiation reaching the earth's surface would cause an astronomical jump in the rates of skin cancer and cataracts.
    • The damage done to life by both the electromagnetic radiation and cosmic-ray particles would also disrupt global food chains.
  • Mutations:
    • Surviving plants and animals by the millions would undergo genetic mutations due to the supernova's radiation.
  • Short-term survival:
    • By far the most effective screen against the radiation would be the earth itself. The rock would absorb virtually all of the ultraviolet rays, X-rays, gamma rays, and most of the cosmic rays.
    • The next best options are to sheathe buildings in radiation-absorbing materials such s lead and to stay indoors as much as possible for the next few years.
  • Long-term survival:
    • The other ethical crisis that would have to be faced by people after the supernova is that of generic mutations of humans.
    • Most mutant humans would not be viable beings. However, a tiny fraction of these people would survive to become genetically different from the vast majority of homo sapiens.
    • Some estimates suggest they might occur as frequently as once every 25 million years within 50 light-years of earth.
    • If so, the genetic effects described above may have already happened and changed the course of life on the earth, perhaps nudging it toward the evolution of homo sapiens.

6.近くの恒星が爆発 - 恒星アンタール:

  • かに座:
    • 1054年、牡牛座に新星が出現した。この星はみるみる明るさを増して1週間後には昼間でさえも見えるほど輝くようになった。最大の明るさ1ヶ月続き、それから次第に衰え始めた。
    • かに星雲は地球から5,900光年離れている。
  • 天文学的距離:
    • 今後1億年以内に、シリウス、カノープス、ベガ、リゲル、アルタイル、スピカ、デネブといった恒星は次々に爆発するだろう。その中のいくつかは今後100万年以内に爆発するかも知れない。
    • 太陽系は、銀河系の中心を巡って公転している。少なくとも6500万年毎に恒星は、銀河の渦巻き状の一つを通過する。渦状腕には莫大な物質が存在しているので、その引力によって恒星の進路は曲げられる。
    • 恒星の爆発には二つの種類がある。比較的軽い恒星が白色矮星となる直前の爆発 (惑星状青雲)か超新星である。
    • 1987年2月16万光年離れた大マゼラン星雲で超新星爆発が観察された。超新星1987Aと呼ばれたその爆発は、一時的にその星雲の明るさを二倍にした。
    • 我々は地球から50光年離れた所にあって、太陽の20倍の質量をもつ架空の恒星アンタールを爆発させることにしよう。 (アンタールのモデルとなるアンターレスは325光年離れた太陽の19倍の質量をもつ恒星である。アンターレスの爆発の地球への影響はこれから描写する影響の1/40程度だろう。)
  • 超新星のプロセス:
    • アンタールは短くも劇的な一生を送る。主系列星としてわずか800万年の間に、コアに含まれる全ての水素をヘリウムに変換してします。
    • 崩壊している間に、アンタールのコアの圧力は非常に大きくなり、ヘリウムが核融合を始めて炭素になっていく。ヘリウムのコアが核融合によって炭素に成っていく間に、コアとコアの外側で核融合している水素から放出された光子が、アンタールの外層を押しやるので、星は膨張して赤色巨星になっていく。
    • 100万年後には、アンタールのコアは完全に炭素に変わってしまう。すると核融合が停止するので、コアは再び崩壊し始める。コアの外側に新たに形成されたヘリウムの外殻も、コアに落ち込んでいく。
    • 一方、炭素のコアはさらに圧縮され、核融合を始めて酸素になっていく。
    • 次の段階は酸素のコアが崩壊し、その外側にある炭素、ヘリウム、水素の核融合が起こる。酸素のコアは外層によって圧縮されネオンとなる。
    • 次の崩壊と核融合のサイクルでコアは、マグネシウム、ケイ素、ついには鉄に至るまで核融合される。
    • これら数多くのシェルが沢山の光子を放出し、星の外層を赤色巨星より遠方に押しやる。
    • もしアンタールが太陽系の中心に位置しているとすれば、その表面は冥王星の軌道以上になる。この星は超巨星と呼ばれる。
    • 再び、核融合が止まり、コアは崩壊し熱せられていく。しかし、鉄の核融合は、軽い原子の場合と異なり光子を放出するのではなく吸収する。
    • 光子の減少はコアを冷却させ、星を膨張させていた力が弱まり、星はみるみる収縮していく。
    • コアが内部崩壊していくにつれて、鉄の原子核は途方もない圧力によって分解され、酸素、炭素、ヘリウムといった質量の小さな元素になっていく。
    • 質量の小さい元素ができたので、コアはまた核融合を始めて、新たな光子を生み出し、星の崩壊を止めようとする。
    • しかしそうはならない。なぜなら鉄のコアの崩壊はとても速く、光分解と呼ばれる原子核の崩壊は、あまりにも急激に進行するので、核融合を起こすひまもない。鉄のコアはすっかり分解されて水素とヘリウムだけになる。
    • 1秒足らずの内に、その鉄のコアは崩壊を始め、ヘリウムと水素のコアは中性子に変換さえる。中性子の増えたコアはさらに収縮し、さらに多くの原子を中性子にしていまう。
    • 最後の段階で、コアの素粒子は強く圧縮され途方もなく高温となり、爆発的に膨張する。
    • この膨張は途方もない衝撃波を生み出し、何層にも重なった外殻を吹き飛ばしてしまう。
    • コアから外側に向かうニュートリノの推進力も加わって、全ての外殻は爆発的に吹き飛ばされて、超新星が誕生する。 (タイプ II の超新星)
  • 近くの超新星爆発:
    • アンタールはいつもと変わらない青白い超巨星である。それから何の前触れもなく、滅び行く星が恐ろしく明るくなり始める。月より50倍も明るく、太陽の1/8000の明るさとなり、夜空のすべての星の明るさを合わせたよりも明るくなる。
  • ガンマ線とX線:
    • 可視光線と共に超新星から放射された、途方もない量の致死的なX線とガンマ線が地球の生物を殺すことになる。
    • 超新星から飛来する最初の紫外線は、数日で地球のオゾン層を破壊してしまう。
    • 超新星からの高いレベルでのイオン化を生じさせる放射はオゾンを破壊する。これに対し、太陽からの低レベルの放射はオゾンを作り出す。
    • その結果、オゾン層も紫外線レベルも何れは元通りになるが、それにはおそらく数十年かかる。
  • 地球上の生命:
    • 最初のX線とガンマ線が地球に到着して数日間に、動植物のすべての固体が、放射線によって死に始める。同様のことが広島と長崎で、そしてチェルノブイリ原子力発電所の炉心融解の直後に起こっている。
    • 同時に、地表に到達する紫外線によって、皮膚癌と白内障の発生率は天文学的に増加するだろう。
    • さらに電子放射と宇宙線粒子が生物に与える損傷は、地球的な食物連鎖を破壊する。
  • 突然変異:
    • 何百万単位で生き残った動植物は、超新星の放射線による突然変異を引き起こす。
  • 短期の生存:
    • この高エネルギー放射を防ぐ最も効果的な遮蔽物は地球そのものである。岩石はすべての紫外線、X線、ガンマ線を吸収し、宇宙船の大部分も吸収してくれる。
    • 次善の策は、建物を鉛のような放射線吸収物質で覆って、その後数年間はできる限り外出しないことである。
  • 長期の生存:
    • 超新星後の人類が直面するもう一つの倫理的な危機は、人類の突然変異の問題である。
    • 突然変異を起こした人類のほとんどは生存できない。しかしほんのわずかでも生き延びた者は大多数を占めるホモ・サピエンスとは遺伝的に異なったものになる。
    • 推測によれば、50光年以内でも、2500万年に一度の割合で超新星が発生するのである。
    • そうであれば、前述のような突然変異はすでに起こっており、地球の生命の歴史を変えたかもしれない。その結果として我々ホモ・サピエンスが誕生したのかも知れない。
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7. What is a star passed near the solar system? Cerberon:

  • Intruding Star:
    • We turn to explore the effects of a major gravitational disturbance.
    • We call the intruder Cerberon, after the three-headed dog, Cerberus, who guard the gates of Hades. Cerberon is to be a Main Sequence star with half the mass o four sun. Its surface temperature would be 5,800F. It would appear red in our sky, Cerberon would emit 1/10 as much light as the sun.
    • Milky Way galaxy in a roughly circular orbit at a speed of half a million mile per hour. The solar system is heading toward the present location of the Deneb of Cygnus.
    • All the stars in the vicinity of the sun are traveling in the same general direction. More plausible than assuming that one will suddenly appear from out of that direction.
    • We assume that Cerberon is charging toward the solar system from the direction of the galaxy's center at the same speed as the solar system is moving around the center.
    • Cerberon's path would make the intruder appear 9000 times dimmer than the sun. This is 11 times brighter than the full moon. At the distance of Neptune, Cerberon's gravitational influence on the planes would be important for slightly more than one year.
    • We assume that the star moves in the same plane as the earth orbits the sun (ecliptic).
    • We put two large planets in orbit around Cerberon. The closer planet will have the same mass as Uranus, while the farther planet will have the same mass as Jupiter. Cerberon would move in a straight line that wobbles slightly as its two massive planes orbit around it.
    • Cerberon would follow a hyperbolic path through the solar system, a wide open V-shaped course with the sun at the vertex of the V. Upon leaving the vicinity of the sun, Cerberon would once again move in straight line, but now in a different direction from its original track.
    • We put Saturn and Mars on the opposite side of the sun. Pluto, Neptune, Uranus, Jupiter, and Earth will be on the same side of the sun as Cerberon.
    • At its closest approach we put Pluto directly in Cerberon's path, with Neptune to miss it by 2/3 of AU (Astronomical Units) , Uranus to miss it by 10 AU, Jupiter to miss it by 25 AU, and the earth to miss it by 29 AU.
  • Cerberon's impact:
    • Pluto and its moon Charon would fall directly onto Cerberon, Cerberon's heat would vaporize both Pluto and Charon as they fall through the star's outer layers. Pluto and Charon have a combined mass of less than 1% of the earth)
    • Neptune would be be torn out of it course around the sun and capture in permanent orbit around the passing star. The hydrogen and helium comprising Neptune's surface would be heated by radiation from Cerberon to drive these gases off the planet and into space. As a result, Neptune would lose mass and shrink until nothing but its terrestrial core was left.
    • Hearted by Cerberon, the core would start giving off some of the carbon dioxide and water locked in its rocks. These would form an atmosphere around the remnant core. As the core cooled, the water vapor in its air would condense onto its surface, forming oceans. ...
    • Uranus would feel twice as much gravitational attraction from Cerberon as it does from the sun. As a result, it would be pulled out of orbit around the sun. But Uranus would be too far way from Cerberon to be capture by it. Instead, it would be cast adrift, doomed to travel forever in the frigid, black silence of interstellar space.
    • Jupiter has the misfortune of being in the same place at the same time as Cerberon's farthest planet. The two bodies would collide and, because they have the same masses, destroy each other, shedding the bulk of their mass. Most of the hydrogen and helium released from the two planets would form a ring or cloud around the sun. The terrestrial cores of Jupiter and the planet that strikes it would also be pulverized in the collision.
    • It would only be through extreme luck or diligence on the part of the people then living if the earth were to avoid being struck.
  • Cerberon's impact on the earth:
    • Cerberon's gravitational force on the earth, 10 times greater than Jupiter's attraction on our planet, would have be reckoned with. Cerberon's force would be about 1,700 less than the sun's pull on us, yet it would be great enough to significantly alter the earth's orbit and the fate of life here.
    • If the earth were heading away from Cerberon as the star entered the solar system, it would be slowed down by the star. As a result, the earth would move into an orbit closer to the sun.
    • If the earth were coming around the sun toward Cerberon, the star would strongly accelerate the earth away from the sun. This situation is called a resonance between the planet and Cerberon.
    • Of all the possibilities for gravitational interactions between Earth and Cerberon, we choose to have the intruder pull the earth into a more elliptical orbit while leaving it in a inhabitable range of distances from the sun.
  • Earth geology:
    • The earth's interior would begin to slosh around as it unexpectedly changed paths under the gravitational influence of Cerberon. This motion would breach the crust, creating earthquakes and activating volcanoes in numbers no seen here in billions of years.
    • The volcanoes and storms would actually have partially competing and partially compensating effects on the climate during this period.
    • One possible outcome of the encounter with Cerberon on the earth's interior is a dramatic change in the direction of the earth's magnetic field.
    • The seasons in the two hemispheres would become significantly different after the intruder's passage. In particular, the seasons would become more sever in one hemisphere, while being milder in the other.
    • The threat of a runaway greenhouse effect created by the greater amount of heat stored in the atmosphere by the carbon dioxide would grow.
  • Life on Earth.
    • The end of the star's passage through the solar system would herald the beginning of a new ear for the earth and its inhabitants. The worldwide traumas created by the gravitational pull of he star would subside, and the earth and moon would become established in their new orbits.
    • Perhaps the most important lesson to be learned from considering such encounters as the passage of Cerberon is that if the human population becomes too large, the demands of people during global crises could lead to the annihilation of other species.

7.恒星が太陽系の近くを通過 - 恒星ケルベロン:

  • 侵入する星:
    • 今度は、途方もない引力が及ぼす影響を考える。
    • 侵入してくる星を、地獄の門の番犬ケルベロス (頭が3つある)にちなんでケルベロンと名付ける。ケルベロンは主系列星で、質量は太陽の半分で、その表面温度は3200度で、夜空では赤く光って見える。ケルベロンが放射する光は太陽の1/10である。
    • 太陽は銀河系を時速80万kmで公転している。太陽系は現在の白鳥座デネブに向かっている。
    • 太陽に近接するすべての恒星はほぼ同じ方向に向かって動いている。むしろとんでもない方向から不意に近づいてくる可能性の方が高い。
    • ケルベロンは、銀河系の中心方向から、太陽系とほぼ同じ速度で近づいてくると仮定しよう。
    • 侵入してくるケルベロンを地球からの見た明るさは太陽の1/9000位だが、それでも満月の11倍も明るい。海王星の軌道を通過する際に、ケルベロンの引力が惑星に及ぼす深刻な影響は1年余りしか続かない。
    • ケルベロンは地球の公転面と同じ平面 (黄道面) を通過することにしよう。
    • ケルベロンには2つの大きな惑星があるとする。近い方の惑星は天王星と同じ質量を持ち、遠い方の惑星は木星と同じ質量があると想定する。ケルベロンは2つの巨大惑星によってわずかに揺らぎつつも、ほぼ直線を描くものとする。
    • ケルベロンは双曲線を描いて太陽系を通過する。即ち、開いたV字形の頂点で太陽系をかすめるのである。太陽系の近くをかすめて通り過ぎると再び直線コースに戻るが、始めの進路と向きが異なる。
    • 惑星の位置として、土星と火星は太陽の反対側にあるとしよう。冥王星、海王星、天王星、木星、そして地球はケルベロンと同じ側にあるとする。
    • ケルベロンが最接近するとき、冥王星はケルベロンの進路上にあり、海王星は2/3天文単位(AU)、天王星は10AU、木星は25AU、地球は29AUだけ離れているとする。
  • ケルベロンの衝撃:
    • 冥王星とその衛星のカロンは、ケルベロンの引力によってケルベロンの表層に落ち込み、冥王星もカロンもたちまち蒸発してしまう。(冥王星とカロンの合計の質量でも地球の1%に過ぎない)
    • 海王星は太陽を巡る軌道からさらわれて永久にケルベロンを巡る惑星になる。海王星の表面を構成している水素とヘリウムはケルベロンの放射で熱せられ、気体となって宇宙空間に逃げ出していく。結局、海王星は質量を失って縮んでゆき、岩石の小さなコアだけになってしまう。
    • ケルベロンによって熱せられると、海王星のコアに閉じこめられていた二酸化炭素や水が放出され始める。これらが残されたコアを含む大気となる。コアが冷やされると、大気中の水蒸気が地表に凝縮して海ができる。...
    • 天王星はケルベロンから太陽の二倍の引力を受ける。その結果、天王星は本来の軌道からそれてしまう。天王星はケルベロンから遠く離れているので、捉えられてケルベロンの惑星になることはない。代わりに太陽系から放り出されて、星間宇宙の凍てついた黒い静寂の中を永久に飛んでいくことを運命づけられる。
    • 木星は、不運にも、ケルベロンの外側の惑星と正面衝突してしまう。二つの衛星はほぼ同じ質量なので、衝突した瞬間にどちらもつぶれて宇宙空間に散らばってしまう。ケルベロンより太陽に近いので二つの惑星から解放された水素とヘリウムの大部分は、太陽を巡る巨大なリングか宇宙塵雲を形成する。木星の岩石のコアと、衝突した衛星のコアも、衝突によって粉砕されてしまう。
    • 地球がこれらの岩石の直撃を免れることができたら極めて幸運である。
  • ケルベロンの地球に及ぼす衝撃:
    • ケルベロンの地球の及ぼす引力は木星の引力の10倍もあるので無視できない。それは太陽の引力の約1/700だが、それでも地球の公転軌道を変えることができるので、地球の生命にも重大な影響を及ぼす。
    • ケルベロンが太陽系に侵入したタイミングが、もし地球がケルベロンから遠ざかろうとしている時とすると、地球の公転速度は遅くなる。その結果、地球はより太陽に近づくことになる。
    • もし地球がケルベロンに近づこうとしていた時とすると、公転速度が速くなって、地球は太陽から遠ざかることになる。この現象は惑星と恒星の間の共振と呼ばれている。
    • 地球とケルベロンの引力の相互作用によって、地球は生命を維持できる範囲に留まるものの、もっと楕円形に近い軌道を描くようになるものとする。
  • 地球の地質:
    • 地球内部はケルベロンの引力によって軌道が変わるにつれて、ゆっくりと回転し始める。この運動は地殻を引き裂き、何十億年もの間見られなかった激しい地震と火山活動が頻発する。
    • 火山活動と暴風雨は、この間の気象に対して、一部は競合し一部は補正するような影響を及ぼす。
    • ケルベロンとの遭遇によって、地球内部に生じる劇的な変化は、地球の磁場方向が変わることかも知れない。磁場とヴァンアレン帯が安定を取り戻すまで、それ以上に多くの紫外線が地表に到達することになる。
    • 二酸化炭素によって大気中に蓄えられた大量の熱によって、温室効果の暴走が引き起こされる可能性がある。
  • 地球の生命:
    • ケルベロンが太陽系から遠ざかると、地球とその生物にとって新たな時代が訪れる。恒星の引力によって引き起こされた地球規模のトラウマは収まり、地球と月はそれぞれ新しい軌道に落ち着く。そして、全ての生物が新たな気候パターンに適応し始める。
    • このような大災害から我々が学ぶ最大の教訓は、人類の数が増えすぎると、地球規模の大災害がを生き延びるために、我々は他の種を絶滅させる恐れがあるということである。
>Top

8. What if a block hole passed trough the earth? Diablo:

  • Collision with a stellar-remnant black hole:
    • The new state of the black hole's mass would retain only three recognizable properties; its mass, its total electric charge, and its angular momentum. The electric charge is the difference in the number of protons and electrons that went into forming the hole. We assume that black holes are electrically neutral. Angular momentum measures how fast the black hole is rotating.
    • The exact distance from the center of the black hole to its Schwarzschild radius is determined uniquely by the mass contained within the back hole. Our four-solar-mass back hole has a Schwarzschild radius of just 7.5 miles.
    • The signature of a black hole to astronomers today is a binary star system in which one member, containing more than about three solar masses, is invisible and gives off X rays. Such systems have been observed in several constellations including Cygnus and Hercules.
    • Knowing that a black hole is coming and doing something about it are two different matters. There is no conceivable way to deflect a four-solar-mass black hole. After all, despite its tiny size, this object has more mass than the sun.
  • Encounter with Black Hole:
    • Unlike the moon's tidal force, the one from the black hole would continue to grow as it approaches us. It would become strong enough to cause the land closest to the approaching black hole to rise up, as the oceans do toward the moon today.
    • The earth's surface would already be flying apart by the time the back hole is within 400,000 miles of the earth.
    • After stripping away the earth's crust, the black hole would start to pull out its red-hot mantle, exposing the earth's white-hot core.
    • As the black hole neared it, even the earth's core would disintegrate until all that was left of the planet would be so much hot, dispersed space rubble.
  • Collision with a primordial black hole:
    • Theory has it that some black holes were created during the first few seconds after the Big Bang. This expansion is observed to be continuing today. Each primordial black hole represents a tiny clump of matter compressed inside its Schwarzschild radii by the force of the Big Bang explosion around it.
    • Primordial black holes are believed to have formed with masses that range rom ounces to more mass than the earth.
    • Accordingly, we allow the primordial black hole that passes through the earth to have the same mass as our moon. The Schwarzschild radius for this black hole is only 1/100,000 of an inch from its center! Furthermore, we assume that the black hole has no charge and that it is rotating (a Kerr Black hole)
  • Detecting the primordial black hole:
    • We will call this intruder Diablo. Since it would radiate very little, if at all, astronomers would no know of its presence until after it entered the solar system.
    • an unimpeded black hole would gain so much speed (kinetic energy) falling in through the solar system that i would be able to completely escape from it. We set the black hole's approach speed to Earth at 100,000 mile-per-hour. This is only slightly greater than 94,000 mph velocity needed to escape from the solar system.
    • It is only because the black hole would be moving so rapidly that the entire surface of the earth would not be completely disrupted by its gravitational force. Indeed, diablo would cross through the entire earth in less than five minutes.
    • The entire earth would also experience a small dislocation from its normal orbit around the sun first toward Diablo as it approached the earth and the, minutes later in the opposite direction, as the black hole departed.
    • Quake zone worldwide would probably be active for some months following the encounter.
    • The black hole would be moving at hypersonic speeds as it traverses the earth's atmosphere. the air pulled in toward it as it passes would be compressed and then would re-expand sharply, creating a sonic boom. The passage would probably cause the air to develop tornadoes.
  • Effect on the Moon:
    • Recall that the black hole entered the earth on the side opposite the moon, Upon leaving the earth, the hole would head up toward the moon. Unlike the earth, with its greater mass, the moon would offer much less resistance to being broken apart.
    • The high speed of the black hole would prevent most pieces of the moon from following it. Indeed, the process of disassembling the moon would not even be complete before the black hole leaves.
    • The pieces of the moon would initially drift apart, but then their mutual gravitational attraction would pull many of them back together.
    • Impacts of the moon's remnants on its new and growing surface would make the new moon molten.
    • The remade moon's orbit around the earth is different from its original path, the tides on the earth, the cycle of lunar phase, and the occurrences of both lunar and solar eclipses would also be forever changed.
  • Black hole's passage:
    • Denizens of the earth living within a few miles of where the back hole enters would die within minutes. Building in nearby cities would buckle and crumble, the ground would sway like Jell-O, and lava would spew a sea of liquid over everything for miles around.
  • Black hole after impact:
    • We choose to have the solar system capture the primordial black hole on its way out. This is done by having Diablo give up some of its energy to Jupiter (318 times mass of the earth).
    • Also like many comets, it would periodically cross the earth's path, although the chances that the hole would strike this planet again are very small.
    • The presence of a black hole in the solar system would be a boon to astrophysicists trying to understand the nature of matter and the universe. By studying it, they would be able to test the details of theories such as Einstein's theory, the Hawking process, and the Big Bang theory. Furthermore, the energy of the black hole could actually harnessed to provide electricity.
  • Removing energy from black hole:
    • Matter and light can escape from the black hole's gravitational attraction after entering the >Top ergoregion (just outside the Schwarzschild radius) provided they have enough speed.
    • In 1969, Roger Penrose proposed a method of removing energy from a rotation black hole. Spacecraft could be sent down into the black hole's ergoregion along paths directly above the black hole's equator and in the same direction that the hole rotates.

8.ブラックホールが地球を通過 - ディアブロ:

  • 恒星の残骸ブラックホールとの衝突:
    • ブラックホールの新たな状態には、はっきりした性質は3つしかない。質量、荷電数、角運動量である。荷電数とは、ブラックホール形成に関わった陽子と電子の数の差である。ここではブラックホールは電気的に中性であると仮定しよう。角運動量とは、ブラックホールの自転速度のことであある。
    • ブラックホールの中心からシュヴァルツシルト半径までの正確な距離は、ブラックホールの内部の物質の質量だけで決まる。地球に衝突しようとしている太陽の4倍の質量のブラックホールのシュヴァルツシルト半径は、11.7kmである。
    • 今日の天文学者にとって、ブラックホールの手掛かりとなるのは、一対の恒星の内の一つが太陽質量の3倍以上あり、目に見えず、X線を放射している連星系である。このような連星系はいくつかの星座で発見されている。例えば白鳥座やヘラクレス座などである。
    • ブラックホールが近づいてくることを知ることと、それに対して何かをすることとは異なることである。ブラックホールの接近が明らかになっても、我々にはどうすることも出来ない。サイズが小さいと言っても、このブラックホールは太陽よりも重たいのである。
  • ブラックホールとの遭遇:
    • 月の潮汐力と違って、ブラックホールの潮汐力は近づくにつれてどんどん強くなっていく。そのため海水が月の潮汐力に引かれるように、接近してくるブラックホールに近い陸地までもが隆起しはじめる。
    • ブラックホールが地球から64万km以内に近づくと、すでに地球は地殻をむしり取られ始める。
    • 地殻がむしり取られた後は、今度は灼熱したマントルがむしり取られ、白熱したコアがむきだしになる。
    • ブラックホールがさらに近づくと、残ったコアまで粉砕されて、ばらばらの残骸になってしまう。
  • 原始ブラックホールとの衝突:
    • 理論に依れば、宇宙が誕生した時のビックバンの最初の数秒間にいくつかのブラックホールが作られたと考えられている。この爆発による膨張は現在も続いていることが確認されている。原始ブラックホールとは、ビッグバンの爆発力によりシュヴァルツシルト半径の内側まで圧縮された小さな物質のかけらである。
    • 原始ブラックホールの質量は、数十グラムから地球の質量位までと考えられている。
    • ここで地球を通り抜ける原始ブラックホールの質量は、月と同じ質量としよう。このシュヴァルツシルト半径は、たった0.000254 cmしかない。さらに、このブラックホールは電荷をもたず、自転していることにしよう。
  • 原始ブラックホールの発見
    • この侵入者をディアプロと名付けよう。は放射をほとんどしないので、太陽系に突入するまで天文学者のその存在に気付かないだろう。おそらく我々は、ディアブロが地球に衝突する数時間前に、始めてその存在に気付くだろう。
    • 地球に突進してくるブラックホールの速度を16万km/hに設定しよう。それは太陽系を脱出するのに必要な15万km/hよりわずかに大きいだけである。
    • ディアブロの速度が極めて速いので、地表のすべては引力によって粉砕される訳ではない。実際、ディアブロが地球を貫通するのに5分とかからない。
    • 地球の公転軌道もわずかに変動する。ディアブロが近づくときはそちらに引き寄せられ、約5分後に離れていくときは反対側に引き寄せられる。
    • 世界中の地震地帯は、ディアブロが通過してから数ヶ月間は活動が活発になるだろう。
    • ブラックホールは超音速で大気圏を貫通していく。大気は一旦圧縮されてから、猛烈な勢いで膨張するので、衝撃波が発生する。また竜巻も発生するだろう。
  • 月への影響:
    • ブラックホールは月の反対側から地球に侵入するので、地球から遠ざかるときに、月に正面衝突する。月は、地球と違って、強い重力の変化に耐えることができない。おそらくディアブロの潮汐力によって、月はばらばらに砕かれてしまうだろう。
    • ブラックホールの速度が非常に速いので、粉々になった月のかけらはついていくことができない。月が完全に粉々になってしまうのは、ディアブロが貫通した後になるだろう。
    • 月のかけらはしばらく宇宙空間を漂っているが、やがて相互の引力でまた一つの塊となるだろう。
    • 砕片が再び凝集するために新しい月はどろどろに溶けてしまい、夜空に赤く輝くだろう。
    • もし新しい月の公転軌道が以前と異なっていたとしたら、地球の海の干満周期も、月の満ち欠けの周期も、日食や月食の発生頻度も永遠に変わってしまうだろう。
  • ブラックホールの通過:
    • ブラックホールの衝突地点の周囲数km以内にすむ生物は数分以内に死ぬだろう。都市の建物は崩壊し、地面はまるでゼリーのように震動し、溶岩が液体の海となってあらゆるものを覆い尽くす。
    • 地球に衝突した原始ブラックホールも、彗星と同様に、太陽系に捕捉されるものとしよう。ディアブロは、その運動エネルギーの一部を木星 (地球の318倍の質量)に与える。
    • また彗星と同じように周期的に楕円軌道を描いて公転するようになるが、再び地球に衝突する可能性はほとんどない。
    • 太陽系にブラックホールが存在することは、物質と宇宙の性質を理解しようとしている天文物理学者にとっては幸運である。それを研究することでアインシュタインの理論やホーキングのプロセス、ビッグバン理論などを詳しく検証でき、ブラックホールのエネルギーを制御して、そこから電力を取り出すことが可能となろう。
  • ブラックホールからエネルギーを取り出す:
    • 十分な速度を与えられた光子や物体は、ブラックホールのエルゴ領域 (シュヴァルツシルト半径のすぐ外側)に飛び込んでから脱出することができる。さらに正しい軌道を与えれば、>Top エルゴ領域に飛び込んだ粒子は、初めより大きなエネルギーを伴って脱出してくる。
    • 1969年にロジャー・ペンローズは、自転しているブラックホールからエネルギーを取り出す方法を提唱した。ブラックホールの赤道に沿って、ブラックホールの自転方向と同じ向きに、エルゴ領域めがけてロケットを撃ち込むのである。
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9. Seeing the world trough infrarose-colored glasses - Earth:

  • Evolution of eyes:
    • Because eyes provide us with so many details about the world, we rarely ever wonder if there is knowledge in the parts of the electromagnetic spectrum to which our eyes are not sensitive (radio waves, infrared radiation, ultraviolet radiation, X rays, and gamma rays).
    • What would we learn about the earth and space if we could see electromagnetic radiation other than visible light? Along with this, we take the issue of whether nature could have evolved eye sensitive to these other parts of the spectrum.
  • Our present eyes:
    • The intensity of the sun's electromagnetic emissions peaks in the visible part of the spectrum.
    • Upon entering the atmosphere, visible-light photons encounter the nitrogen, oxygen, and water vapor that comprise most of Earth's air.
    • The visible photons that are scattered most by molecules in the air are those we perceive as violet. However, the sun emits fewer violet photons than blue photons.
    • Nature had to evolve eyes sensitive to visible light photons. These photons have to be able to stimulate molecules in the eye so that their presence can be detected.
    • Eyes of different species employ several different light-sensitive compounds that are connected to the animal's brain by optic nerves. (rhodopsin in the human eyes)
    • An individual photon affects an individual rod or cone (light sensor) in the eye. Human eye have roughly 100 million rods and cones.
  • Gamma-ray and X-ray sensitive eyes:
    • Eyes sensitive to gamma rays and X rays can be easily eliminated as evolutionary possibilities. The sun emits billion upon billion of time fewer X rays and gamma rays than visible light.
  • Astronomical X-ray sources:
    • The most fascinating X-ray images taken so far are of the sun.
    • Supernova remnants are particularly interesting X-ray sources.
    • The second source of X-rays occurs in those supernova remnants in which the remnant star left behind is a rotating neutron star with a powerful magnetic field that does not pass through the star's rotation axis.
  • Astronomical gamma-ray sources:
    • There have been fewer gamma-ray sources detected in space than any other type. This reflects the fact that of all type of electromagnetic radiation, gamma rays are the hardest to generate and detect.
    • The very heart of our galaxy, called nucleus, emits both X rays and gamma rays. This region is in the direction of the constellation Sagittarius.
    • Gamma-ray sources also include the sun, interstellar gas, supernova remnants, and neutron stars.  
  • Radio-sensitve eyes:
    • The evolution of radio-sensitve eyes meets with obstacles at several crucial steps.
    • Virtually all radio photons pass straight through interplanetary space. And like visible light, radio waves have a broad window through the earth's atmosphere to the ground.
    • Being so much large than individual atoms, most radio photons pas through matter rather than being absorbed by it and scattering of it like visible light.
    • To compensate for the low scattering rate of radio photons, radio-sensitive eyes would have to be larger than visible-light eyes just to collect more of the few available radio photons. Or, by staring at something for a longer period, small radio eyes could collect as many photons as do larger ones.
    • However, eyes are designed for supply information on dangers and opportunities that typically occur in matter of seconds.
    • We discussed earlier how our present eyes see whole images because individual photons strike separate rods or cones. The same would have to apply to radio eyes; individual radio photons should hit individual radio rods and cones.
    • Given these two considerations, the total area of radio eyes would have to be million of times larger than the area of visible-light eyes (300 feet across).
  • Utraviolet-sensitive eyes:
    • Ultraviolet-sensitive eyes would have a limited but detectable supply of photons. In determining the minimum size ultraviolet-sensitive eyes could be, the lower number of photons compared with visible light would somewhat offset the fact that ultraviolet photons are all shorter than visible light: the eye would not have to be much larger than visible-light eyes.
    • We do not see the relatively well-scattered near-ultraviolet photons primarily because this radiation is absorbed in the lenses of our eyes.
    • Some insects, such as honeybees, have eyes naturally sensitive to near-ultraviolet photons. Because near-ultaviolet radiation can pan through clouds, bees can see many flower petals even during overcast times, when the flowers do not reflect much visible light.
    • But possessing eyes tuned to near-ultraviolet radiation carries considerable cost: Bees cannot se red, orange, and yellow light.
  • Infrared-sensitive eyes:
    • The sun gives off a wide range of infrared wavelengths, the most intense of which are almost as bright as the red light it emits. Infrared radiation passes unscattered through interplanetary space.
    • The lowest-energy infrared photons are scattered directly back into space by the earth's atmosphere.The intermediate-energy infrared photons are absorbed by carbon dioxide and water molecules in the air. A broad range of the highest-energy infrared photons reaches the ground intact.
    • Virtually all visible-light photons emitted by objects on Earth come from sources such as the sun, fires, and human-made lights. However, only a fraction of the infrared photons each object emits is due to scattering of incoming photons. The rest are internal photons previously stored in the object.
    • When the sun gets down, an object that was in thermal equilibrium during daylight hours continues to radiate its stored heat as infrared photons. This suggests that infrared-sensitive eyes could be very useful to nocturnal animals.
    • There are at lest two biological solutions for the internal heat problem. First, nature might evolve a biological insulation and refrigeration scheme that would keep the infrared eyes cooler than the rest of the body. An alternative is to separate the infrared eyes from the rest of the body by putting them on stalks. This would enable the air to keep them cool.
  • Astronomical infrared sources:
    • Our view through infrared eyes of objects outside the solar system would be interesting. These regions are filled with thin, irregular mixtures of gas and dust. The dust absorbs visible light passing through it and reradiates it as infrared. There are also thick clouds of gas and dust inside of which new stars are forming.
    • Infrared light spread by glowing dust creates an Impressionist heaven - an infrared van Gogh sky.

9. 可視光線以外の電磁波が見えたら:

  • 目の進化:
    • 目は我々にとても多くの詳細なデータを提供してくれるので、我々の目が近くすることのできない電磁波 (電波、赤外線、紫外線、X線、ガンマ線など)にも様々な情報が含まれているのではないかと考えることはほとんどない。
    • もし、可視光線以外の電磁波を見ることができたら、地球は宇宙についてどんなことがわかるのだろうか。同時に、自然は果たして可視光線以外の電磁波を知覚できる目を進化させることができただろうかという疑問についても考察する。
  • 我々の目:
    • 太陽の電磁放射の強度は、可視光線の部分でピークを示す。
    • 可視光子は地球の大気を構成している窒素や酸素や水蒸気に遭遇する。
    • 大気中の気体分子によって最も散乱される可視光子は、我々が紫色と知覚するものである。しかし太陽が放射してりる紫色の光子は青色の光子に比べてすくない。
    • 自然は可視光子に敏感に反応する目を進化させない訳にはいかない。これらの光子は目の中にある分子を刺激して、光子の存在を知覚させるのである。
    • 生物は何種類かの光に敏感な化合物を採用してきた。人間の目の場合はロドプシン (視紅) である。一個の光子は目の網膜にある一個の桿状体か錐状体に収束する。人間の目にはおよそ1億個もの桿状体と錐状体とがある。
  • ガンマ線およびX線に敏感な目:
    • ガンマ線やX線が見える目が進化する可能性はあり得なかった。太陽が放射しているガンマ線やX線は可視光線の何千兆分の一に過ぎない。
  • 宇宙のX線源:
    • 最も素晴らしいX線の映像は、太陽のものである。
    • 超新星の残骸は、特に興味深いX線源である。
    • 超新星の残額で見つかるもう一つのX線源は、超新星爆発後に自転軸とはずれた軸に強力な磁場をもつ中性子星である。
  • 宇宙のガンマ線:
    • これまでに発見されているガンマ線源は、他の放射線源に比べてずっと少ない。これはすべての電磁波の中で、ガンマ線が最も発生しにくく、探知しにくいという事実を表している。
    • 中心核と呼ばれる我々の銀河系の中心は、X線とガンマ線を放射している。この方向は射手座の方向である。
    • ガンマ線源としては、太陽、星間ガス、超新星の残骸、中性子星などがある。
  • 電波が見える目:
    • 電波の見える目が進化するには、いくつかの決定的な障害がある。
    • 実際すべての電波は恒星間宇宙をまっすぐに通り抜けることができる。そして可視光線と同様に、地球の大気にはこれらを通す大きな窓が開いている。
    • ところが電波の波長は、原子の直径よりずっと長いので、ほとんどの電波は可視光線のように物体の表面で吸収されたり散乱されたりすることなく通り抜けてしまう。
    • 電波は散乱率が低いので、わずかに散乱した電波を集めるために、電波を見る目は可視光線を見る目よりも大きくなければならない。または、一つの物体を長時間見つめることで、小さな目でも多くの電波を集めることができる。
    • しかし、目は秒単位で発生する危険やチャンスに関する情報を得るためにデザインされている。
    • 我々の目が外界の像を鮮明に捉えることができるのは、個々の光子がそれぞれ別の桿状体や錐状体にぶつからなければならない。同じことが電波の目にも適用される。個々の電波はそれぞれ別の電波の桿状体と錐状体にぶつからなければならないのである。
    • これらの条件を満たそうとすると、電波見る目は可視光の目に比べてとてつもなく大きくなる (直径100m)。
  • 紫外線が見える目:
    • 紫外線を見ることのできる目は、限られた紫外線を検知しなければならない。紫外線を知覚する目の最小の大きさを決定するにが、可視光線に比べて紫外線の量が少ないことと、紫外線の波長は可視光線より短いことを考慮しなければならない。その目は可視光線を知覚する目よりずっと大きくなる必要はない。
    • 我々が比較的よく散乱する近紫外線を見ることができないのは、我々の目のレンズが紫外線を吸収してしまうからである。
    • 昆虫の中には蜜蜂のように近紫外線を見ることができるものもいる。近紫外線は雲を通り抜けるので、蜜蜂は、可視光を多く反射しない雲って薄暗い日でも、密を集めるための花弁を見つけることができる。
  • 赤外線が見える目:
    • 太陽は広範囲に亘る赤外線を放射している。そのピークは、太陽が放射している赤色の光子の量に匹敵する。赤外線は恒星間宇宙を散乱することなく通過してくる。
    • エネルギーの低い赤外線光子は、地球の大気によって容易に散乱される。中程度のエネルギーの赤外線光子は、大気中の二酸化炭素や水蒸気分子に吸収される。最もエネルギーの高い赤外線はまっすぐ地表に到達する。
    • 全ての可視光線は、太陽や火や照明の放射してた光子が直接散乱したものである。しかし物体が放出している赤外線のほとんどは、それまでに物体に蓄えられた内部の光子である。
    • 太陽が沈んでも、昼間の内に熱平衡状態にあった物体は、蓄えたエネルギーを赤外線として放出し続ける。このように赤外線を見えることのできる目は夜行性動物にとって非常に有用である。
    • 体内から放射される熱の問題を生物学的に解決する方法は少なくとも二つある。一つは、目の温度を体温より低く保つために、熱を遮断して温度を下げる仕組みを進化させることである。もう一つの方法は、目を身体から突き出すことによって身体から話すことで、空気で目を冷やすことができる。
  • 宇宙の赤外線源:
    • 赤外線望遠鏡で太陽系外を眺めると、更に興味深いものがある。例えば、恒星間宇宙には、 薄いガスと宇宙塵が不均一に充満している。宇宙塵はそこを通過した可視光線を吸収して赤外線として放射している。新しい恒星が誕生する所には、さらに濃密な星間ガスと宇宙塵がある。
    • 星間ガスによって赤外線が散乱された星空は、まるで印象派の星空、ゴッホの描く星空のように見えることだろう。
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10. What if the ozone layer were depleted? Earth

  • Stratospheric ozone depletion:
    • The ozone proved especially effective in absorbing ultraviolet radiation, thereby preventing it from reaching the earth's surface. For over 350 million years the ozone layer has provided protection from lethal ultraviolet radiation.
    • However, the past 50 years the ozone layer has begun to dissipate.
    • The natural ozone layer that has protected life from ultraviolet radiation is located in the stratosphere between 9 and 30 miles above the earth's surface. there is now a secondary ozone layer directly over our heads in the troposphere.
    • Recall that ozone forms when the sun's ultraviolet radiation breaks molecular oxygen into two atoms of oxygen, which can combine with another oxygen molecule to from ozone.
    • The most important chemical element involved in ozone depletion today is chlorine. Over 80% of the human-made compounds implicated in destroying ozone by supplying chloride to the stratosphere are members of the family of chlorofluorocarbons, or>Top CFC's. Over 15% comes from carbon tetrachloride and methyl chloroform. All these compounds are able to rise into the stratosphere because they are very stable.
    • No one bothered to consider the effects of CFC's in the stratosphere until 1973, when Mario Molina and F. Sherwood Rowland, stumbled across the fact that CFC's profoundly affect the ozone layer.
    • There is so little ozone surrounding the earth that if all of it were compressed to 1 atm, it would make a layer less than 1/8 of an inch thick.
    • By 1985, over 1 billion pounds of CFC's were being manufactured each year.
    • Conclusive proof of the complicity of CFC's in damaging the ozone layer came in 1987.
  • Ozone hole over Antarctica:
    • During August and September, the chlorine becomes trapped and concentrated by a natural whirlpool called the Antarctic Vortex. This high density of chlorine then attacks the ozone over Antarctica, creating the hole.
  • Effects of increased ultraviolet radiation:
    • Ultraviolet radiation is divided by wavelength into three ranges. from longest (least hazardous) to shortest wavelength, these are denoted UV-a, UV-B, and UV-C rays. As the ozone layer wanes, more UV-B radiation is able to penetrate into the troposphere and to the earth's surface. UV-C is blocked by molecular oxygen, so that even with a calamitous 25% drop in stratospheric ozone, the deadly UV-C photons would still be kept from the earth's surface.
  • Disrupted food chain:
    • Upper region of the ocean where light penetrates is called the marine euphotic zone (a few feet to several hundred feet). Ultraviolet radiation penetrates the top 10% of the euphotic zone, where phytoplankton receive the most sunlight and are most productive in duplicating. Many types of phytoplankton are very sensitive to ultraviolet radiation.
    • The zooplankton that now feed on phytoplankton would find their food source abruptly missing as the radiation level rises.
    • Fish, birds, and sea mammals that feed on zooplankton would find their favorite food sources missing or inedible.
    • Today 30% of the animal protein that humans consume comes from the sea.
  • On the land:
    • Living organisms have evolved the ability to repair or replace damaged molecular structures up to a point, beyond which they cannot keep up with the destruction. Mutations leading to cancers and other diseases then result.
    • the second group of problems caused by ultraviolet radiation occurs below the skin. Like AIDS, ultraviolet radiation suppresses human autoimmune activity.
    • More debilitating would be the increased number of cataracts caused by the excess ultraviolet radiation.
    • Indoor protection would also be needed because ultraviolet radiation passes through glass.
    • Stable communities of vegetation would be disrupted as once-dominant plant species fail and less ultraviolet-sensitive competitors take their places. Generally, stem and leaf growth decreases, photosynthesis slows, and for may varieties, the dry weight of full-grown plants decreases.
  • In the atmosphere:
    • The ozone created in the troposphere is a major component of smog.
    • Some of he energy in the ultraviolet photons absorbed by ozone molecules in the stratosphere is converted into heat. This heat goes to warming all the stratospheric air. So, while the air temperature falls from the earth's surface upward to the tropopause, the air, heated by ozone, acutely gets warmer as one ascends through the stratosphere.
    • The change in vertical motion brought about by the displaced tropopause would affect the weather on the earth's surface.

10.オゾン層が破壊されたら:

  • 成層圏のオソン減少:
    • オゾンは非常に効率良く紫外線を吸収する物質である。そのおかげで地表に降り注ぐ紫外線を遮ってくれる。3億5千万年以上に亘って、オゾン層は致命的な紫外線放射から生物を守ってきた。
    • しかし過去50年間にオゾン層は次第に失われ始めた。
    • 生命を何億年間も紫外線から守ってくれる自然のオゾン層は、地表から15kmから48kmの成層圏にある。また我々のすぐ頭上の対流圏にも第二のオゾン層がある。
    • オゾンができるのは、太陽からの紫外線放射によって酸素分子が二個の酸素原子に分解され、これが他の酸素分子と結合するとオゾンができる。
    • 今日、オゾン破壊の最大の元凶は塩素である。人工的に作り出されたオゾン層破壊ガスの80%はクロロフルオロカーボン (CFC、いわゆるフロンガス) で、15%以上は、四塩化炭素、メチルクロロフォルムによるものである。
    • 1973年に、M・モリーナとF・シャーウッド・ローランドが、フロンはオゾンに重大な影響を及ぼすという警告を発するまで誰もフロンの大気への影響など気にかけなかった。
    • 地球を覆っているオゾンの量はごくわずかなので、それを1気圧まで圧縮するとその厚さはわずか3mmになってしまう。
    • 1985年までに毎年45万トン以上のフロンが生産され続けた。
    • フロンがオゾン層を破壊している動かぬ証拠が突きつけられたのは1987年のことである。
  • 南極上空のオゾンホール:
    • 8~9月に南極渦流と呼ばれる自然の旋風に捉えられて濃縮され、この高濃度の塩素が南極上空のオゾンを攻撃して、オゾンホールを作り出す。
    • 紫外線は波長によって3種類に分類される。波長の長いもの (害が少ない) から順に、UV-A、 UV-B、UV-Cと呼ばれる。オゾン層が減少するにつれて、地表に到達するUV-Bの量は増加する。なお、UV-Cは酸素分子に遮られるので、成層圏のオゾンの25%が失われても、致命的なUV-Cは、地表にまで達しない。
  • 破壊された食物連鎖:
    • 海の上層の光が届く領域を真光層という (数mから数十mまで)紫外線が差し込むのは、真光層の1/10位までである。そこでは植物プランクトンが最も多くの日光を受け取り盛んに増殖している。植物プランクトンの多くは紫外線に極めて弱い。
    • 植物プランクトンを食べている動物プランクトンは、紫外線レベルが上昇すると、いきなり食べ物を失う。
    • 動物プランクトンを食料としている魚類や鳥類や海洋性哺乳類はこれまでの食料を失うか、食べられなくなってしまう。
    • 今日、人類が消費している動物性タンパク質の30%は海からもたらされる。
  • 陸上では:
    • 地上の生物は、傷つけられた分子構造をある程度修復する能力を進化させてきたが、ひどい損傷は修復することができない。特に、遺伝子であるDNAの損傷は癌などの病気を引き起こす。
    • 紫外線増加による第二の問題は、皮膚の下でおこる。エイズのように、紫外線は人体の免疫機能を低下させる。
    • さらに深刻なのは、紫外線による白内障の増加である。
    • 室内でも紫外線に気をつけなければならいない。紫外線はガラスを通り抜けるからである。
    • 植物も種類によって紫外線に対する耐性が異なる。これまで優性だった植物が枯れて、紫外線の影響を受けにくい植物相に変化するだろう。一般的、茎と葉の成長が阻害され、光合成が遅くなり、さまざまな原因で、植物の乾燥重量は減少する。
  • 大気では:
    • 対流圏で作られるオゾンは、スモッグの主な成分である。
    • 成層圏のオゾン分子によって吸収された紫外線の光子のエネルギーの一部は熱に変わる。この熱によって成層圏の大気は暖められる。地表から圏界面まで気温は次第に低下するのに対し、オゾンによって暖められた大気は、成層圏を上昇するにつれてさらに暖かくなっていく。
    • 圏界面が不安定化すると大気の垂直運動の変化は、地表の気象に影響を及ぼす。
Comment
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