Wie schnell wird die Erde abkühlen?

Dies wird der dominierende Faktor sein. Wenn das Abkühlen zu lange dauert, sterben ohne Sonnenlicht vielleicht alle Pflanzen ab und Lebewesen verhungern. Aber wenn es schnell genug abkühlt, werden alle frieren.

Wir können das Stefan-Boltzman-Gesetz anwenden, um herauszufinden, wie schnell wir abkühlen werden.

Strahlung der Erde

Das einfachste Modell der Erde ist das Strahlungsgleichgewicht . Diese Art von Strahlung unterliegt dem Stefan-Boltzmann-Gesetz :

$$j^* = \epsilon\sigma T^4$$ wo $j^*$ist die Bestrahlungsstärke in W/m $^2$; $\epsilon$ist der Emissionsgrad der Erde; $\sigma$ist die Stefan-Boltzmann-Konstante, $5.67\times10^{-8}$W m $^{-2}$K $^{-4}$; und $T$ist Temperatur.

Der effektive Emissionsgrad der Erde wird oft als 0,612 angesehen. Die durchschnittliche Temperatur der Erdoberfläche beträgt 288 K.

Integration im Laufe der Zeit

Jetzt kommen die Warnungen. Der Emissionsgrad der Erde wird stark durch die Wolkenbildung gesteuert. Eine Änderung der Temperatur der Erde wird die Wolkenzusammensetzung radikal verändern. Wenn sich die Erde abkühlt und sich Schnee und Eis bilden, ändert sich auch der Emissionsgrad drastisch. Ich habe jedoch nicht die Werkzeuge, um all diese Dinge zu modellieren, also werde ich ein Modell in Betracht ziehen, bei dem der Emissionsgrad der Erde konstant ist, wenn sie abkühlt.

Der Wärmeverlust der Erde ist eine Funktion ihrer Einstrahlung. Es ist aber auch eine Funktion des Wärmespeichers der Erde. Nehmen wir an (und das ist eine sehr sphärische Kuh), dass die obersten 100 m der Ozeane der Erde zusammen mit den obersten 100 m ihrer Landfläche einfrieren werden. Die Ozeane bedecken$3.6\times10^{14}$m$^2$; das Volumen in 100m Tiefe ist$3.6\times10^{16}$m$^3$. Die volumetrische Wärme von Meerwasser ist$3.9\times10^6 \frac{\text{J}}{\text{m}^3\text{K}}$. Landbedeckungen$1.5\times10^{14}$m$^2$;Die spezifische Wärme verschiedener Gesteinsarten multipliziert mit der Dichte der Erdkruste gibt uns eine volumetrische Wärme von$1.8\times10^6 \frac{\text{J}}{\text{m}^3\text{K}}$.

Insgesamt beträgt die Wärmekapazität der Erde 1,7e23 J/K. Schließlich muss die Bestrahlungsstärke durch die Erdoberfläche skaliert werden ($5.1\times10^{14}$m$^2$). Das gibt uns das, was wir brauchen, um eine Differentialgleichung für die Abkühlung der Erde zu definieren

$$\begin{align} \frac{dT}{dt}\ &= \frac{0.612\cdot5.67\times10^{-8}\text{ J m}^{-2}\text{s}^{-1}\text{K}^{-4}\cdot T^4 \text{ K}^4\cdot5.1\times10^{14}\text{ m}^2}{1.7\times10^{23}\text{ J/K}}\\ &=1.0\times10^{-16}\cdot T^4 \text{ K/s} \end{align}$$

Wie schnell wird die Erde abkühlen?

Bei der oben berechneten Rate kühlt sich die Erde zunächst in etwa 17 Tagen um 1 K ab.

Wir können diese Differentialgleichung auch für einen Temperaturabfall von 15 K lösen, was die obersten 100 m der Erde bei 273 K auf Gefrierbedingungen bringt.

$$\begin{align} \frac{dT}{dt} &= 1.0\times10^{-16}T^4\\ \int_{273\text{ K}}^{288\text{ K}}\frac{dT}{T^4}&=1.0\times10^{-16}\int dt\\ \frac{-1}{3}\cdot\left(\frac{1}{288^3}-\frac{1}{273^3}\right) &= 1.0\times10^{-16}t\\ t&=2.4\times10^{6}\text{ s} \end{align}$$ Diese Zahl wird in Sekunden angegeben und entspricht etwa 281 Tagen.

Fazit

Die Erde speichert viel Wärme. Die oberen 100 m des Bodens und des Ozeans speichern genug Wärme, dass es mehr als zwei Wochen dauern wird, 1 K davon in den Weltraum abzustrahlen, und das Einfrieren fast ein Jahr.

Der dominierende Faktor beim Töten aller Lebewesen wird der Tod von Pflanzen durch Unfähigkeit zur Photosynthese sein. Es gibt viele Pflanzen auf der Erde, und sie werden unterschiedlich lange brauchen, um zu sterben, aber es wäre vernünftig anzunehmen, dass innerhalb von 2 Wochen keine neue Vegetation wachsen wird. Ab diesem Zeitpunkt wird es so lange dauern, wie alle Pflanzenfresser brauchen, um die verbleibende Pflanzenwelt zu konsumieren, um die Nahrungskette zu zerstören. Ich würde schätzen, dass innerhalb eines Monats das meiste Tierleben in extremis sein würde.

Einige Tiere könnten länger überleben, wie Geier. Bestimmte Bakterien überleben auf unbestimmte Zeit, wie z. B. chemotrophe. Bakterien, die tief in der Kruste in Tiefseeschlote leben, werden möglicherweise Hunderte von Millionen Jahren lang nicht beeinträchtigt.

Im Allgemeinen wird also nicht alles Leben für Milliarden von Jahren ausgelöscht, aber das Oberflächenleben, wie wir es kennen, würde innerhalb von etwa einem Monat zusammenbrechen.

Wenn die Erde irgendwie erhitzt wird, dann ist für die Menschheit nicht alles verloren.

Pflanzen und Tiere sterben ohne Sonnenlicht aus. Zuerst die tagaktiven, dann Pflanzen und Algen, dann die nachtaktiven, dann Bodenbewohner und Meeresbodenfresser. Die warme Erde allein kann den Lebensformen keine Nahrung bieten, also wird dies das Ende sein, nachdem der gesamte atmosphärische Sauerstoff verbraucht ist. Es wird Tausende von Jahren dauern, um dorthin zu gelangen, und einige Organismen können sich von vulkanischen Chemikalien ernähren und auf unbestimmte Zeit am Leben bleiben, aber dies ist ein ziemlich düsteres Bild für die Erde. Ohne Menschen.

Menschen können Dinge anders machen – nicht für die gesamte Erde, aber ausreichend, um begrenzte Biome und eine gewisse Bevölkerung zu erhalten. Wenn wir Licht hätten, könnten wir Essen haben. Um Licht zu haben, brauchen wir Energie. In diesem Szenario gibt es immer noch genug davon. Erstens wird Moon immer noch dort oben sein. Unsichtbar würde es immer noch Gezeiten verursachen. Gezeitenenergie kann eingefangen und genutzt werden. Zweitens, wenn die Erde erhitzt wird, werden wir immer noch Wind und Meereswellen haben, vielleicht sogar Hurrikane. Das ist noch mehr Energie.

Alles, was wir tun müssen, ist, viele Gezeiten- und Windkraftgeneratoren zu bauen und Farmen mit künstlicher Beleuchtung einzurichten (so wie Cannabis zu Hause angebaut wird). Leider kann auf diese Weise nur ein Bruchteil der heutigen 7-Milliarden-Bevölkerung gerettet werden. Einige dramatische (und vielleicht gewalttätige) Ereignisse wären also unvermeidlich.

Das Sonnensystem

Das erste, was der Erde passieren würde, unmittelbar nachdem die Sonne verschwunden ist, wäre nichts. Es dauert etwas weniger als zehn Minuten, bis Licht von der Sonne auf die Erde trifft, es würde also so aussehen, als wäre die Sonne noch eine Weile da. Die Erde wäre sogar noch im Gravitationsfeld der Sonne, würde auch einige Minuten dauern, da die Schwerkraft der Sonne Zeit braucht, um uns zu erreichen.

Sobald wir vom schönsten Nachthimmel der Menschheitsgeschichte getroffen würden, würde die Erde in den Weltraum geschleudert werden, weg von unserem Sonnensystem. Von dieser klaren Sicht auf den Himmel konnten wir leicht Jupiter und die anderen Planeten sehen – sie saßen am Himmel, als wäre nichts passiert. Das Licht der Sonne wird immer noch von ihnen reflektiert, und da sie weiter entfernt sind, wurden sie noch nicht von der fehlenden Schwerkraft "betroffen".

Die Ausnahme hiervon sind Merkur und Venus, die näher an der Sonne sind und unser Dilemma bereits durchlaufen haben. Wir werden sie wahrscheinlich nicht mehr sehen können, ohne dass das Sonnenlicht von ihnen reflektiert wird (vielleicht können wir das mit bestimmten Teleskopen).

Sauerstoff

Auf der positiven Seite würde es tatsächlich ewig dauern, bis wir ersticken. Sicher, alle Pflanzen sterben in wenigen Tagen, und wir haben keine Möglichkeit, Kohlenstoff zu Sauerstoff zu recyceln, aber die Atmosphäre wird viele Jahrhunderte lang größtenteils atmungsaktiv bleiben. Wenn wir jedoch längere Zeit überleben, könnte die Atemluft in den Städten ziemlich schlecht sein, ohne Parks oder Pflanzen, die den lokalen Sauerstoff regulieren.

Viele Bäume würden ein Jahr überleben, bevor die wachsende Kälte sie tötete.

Eiskalt

Innerhalb der ersten Woche würde die Temperatur 0 Grad Celsius erreichen, eiskalt, und Sie könnten über das gefrorene Meer laufen. Das wären die guten Zeiten. Viele Menschen würden in den folgenden Wochen an der plötzlichen Temperaturverschiebung sterben, vor allem die Armen in heißen Ländern würden bald frieren und sich übergeben.

Stürme

Die Erde selbst würde von der plötzlichen Temperaturänderung krank werden und schreckliche Schneestürme würden auf der ganzen Welt wüten. Die Stürme würden schließlich aufhören, vielleicht nach dem ersten Monat, und das Wetter würde auf der ganzen Welt viel stabiler werden.

Tatsächlich, wenn der letzte Sturm vorbei war... würde es keinen Wind geben. Ohne die Sonne würde Wind zu einem lokalen Phänomen.

Schneewetter würde mit der Zeit immer seltener werden. Ohne die Wasserverdunstung durch die Sonne wären geothermische Quellen die einzige Verdunstungsquelle. Und ohne die Sonne, um die Wolken aufzuheizen und die Temperatur zu ändern, würden sie meistens dort oben am kalten Himmel bleiben; Unterkühlung weit über den Gefrierpunkt hinaus.

Ein Jahr später

Nach einem Jahr würde es wirklich schlimm werden ... Die Temperaturen würden -100 Grad Fahrenheit erreichen. Die kälteste Temperatur, die ich für menschliche Behausungen finden konnte, war ein Forschungsposten bei -97 Grad Fahrenheit. Ein paar Städte haben auch Winter mit -90 Fahrenheit überstanden, obwohl ich die Details nicht kenne, wie gut sie das halten könnten.

Während diejenigen, die dafür ausgerüstet waren, überleben könnten, würde ein großer Teil der menschlichen Bevölkerung sterben. Jede Pflanze auf der Erde würde sterben. Die meisten Tiere auf der ganzen Welt würden sterben.

Die Tierwelt

In den ersten Monaten würden die Tiere in der Nachthälfte des Nordpols keinen Unterschied bemerken. Sie könnten von den wochenlangen Stürmen getroffen werden, aber ansonsten würde das Leben unverändert bleiben. Nach Ablauf eines Jahres hätten sie jedoch eine Temperatur erreicht, die ihren kältesten Wintern aller Zeiten entspricht, und die meisten Tiere würden bald sterben. Es ist unwahrscheinlich, aber möglich, dass es einigen Tieren gelingt, noch eine Weile zu überleben ... nur um zu verhungern, da die wenigen Pflanzen, die es gibt, nicht erneuert werden können.

Überraschenderweise würden Insekten wie der Red Flat Bork Beetle zu denen gehören, die die Kälte überleben. Sie würden schließlich trotzdem aussterben, da ihre Nahrungsquelle (holzfressende Käfer) der Kälte erlag. Selbst wenn ihre Nahrungsquelle überlebte, würden die sterbenden Bäume schließlich weggefressen werden. Der Upis-Käfer würde die Flat Bark überleben, indem er einfriert und in einen kryogenen Winterschlaf geht.

Kakerlaken und Ratten würden auch in menschlichen Siedlungen überleben, obwohl sie aus einigen Städten möglicherweise vollständig verschwinden würden.

Tiere, die in der Nähe von heißen Quellen leben, können überleben und sich für eine Weile an diese neue Welt anpassen ... nur um zu sterben, wenn der Pflanzentod und der ewige Winter sie verhungern lassen.

Überleben

Um die Kälte zu überstehen, braucht man entweder Isolierung und Strom oder heiße Quellen.

Der einfachste Weg, sich warm zu halten, besteht darin, tief unter der Erde zu graben (was schwieriger wird, wenn die Kälte den Boden gefriert). Das Leben unter der Erde wird ziemlich komfortabel und verliert seine Hauptnachteile. Unter der Erde müssen Sie sich um Regen und Abwasserentsorgung kümmern. Aber in diesem Szenario wird Ihr gesamtes Abwasser recycelt und es gibt kein Regenproblem mehr. Unterirdisches Wohnen hilft Ihnen, warm und sicher zu bleiben, bei minimalem Stromverbrauch. Sie müssen sich jedoch mehr anstrengen, um Ihre Luft zu lüften.

Um Hunger zu überleben, braucht man entweder große Lebensmittelvorräte (die zur Neige gehen) oder viel Energie und eine akribische Einrichtung.

Mit Leistung und Isolierung ist es nicht allzu schwer, sich warm zu halten und sogar Ihre Verbindungen zu belüften. Die wirkliche Belastung der Ressourcen wird der Anbau von Nahrungsmitteln sein. Pilze können leicht genug gezüchtet werden und werden als wirtschaftliches Lebensmittel einen großen Teil Ihrer Ernährung ausmachen. Aber es wird eine Herausforderung sein, genug Licht für den Anbau von Pflanzen zu erzeugen. Ohne Feldfrüchte sind die meisten Nutztiere nutzlos.

Sie werden also größtenteils Pilze und Vitamintabletten und schließlich im Labor gezüchtete Hefen und dergleichen essen, um die Ernährungsmängel auszugleichen. Der offensichtlichste und wichtigste Mangel ist Vitamin D, da Sie keine Sonne mehr haben.

Welche Experten diese Zeit mit gelagerten Lebensmitteln überleben, werden hart daran arbeiten, bessere Pilze und Hefen gentechnisch zu manipulieren, während sie langfristig verzweifelt nach dem Stein der Weisen dieser neuen Welt suchen: Fusion Power.

Die Zukunft der Macht

Wenn die Fusionsenergie entwickelt wird, könnte eine kleine Population von Menschen Jahrtausende in dieser kalten Nachtwelt leben.

Selbst wenn nicht, gibt es genug Uran für die derzeitige Erdbevölkerung, um bei ihrem derzeitigen Verbrauch 200 Jahre lang zu überleben. Wenn der Stromverbrauch auf 1 % des jetzigen Werts sinkt, könnte die Kernkraft allein die Menschheit 2.000 Jahre lang am Laufen halten.

Saubere Luft

Wenn man also Kohle und andere fossile Brennstoffe hinzufügt, sollte die Menschheit in der Lage sein, mit einer vernünftigen Bevölkerung zu überleben. Ohne Pflanzen wäre die Angst vor einer Verunreinigung der Atmosphäre durch Kohlenstoff natürlich extrem. Die Angst wäre viel schlimmer als das Problem.

Auch ohne eine atembare Atmosphäre ist es ziemlich praktisch, ein Gewächshaus mit Strom zu versorgen und damit Ihre Luft zu recyceln. Dies wird der Hauptzweck von Gemüse sein, Luft zu recyceln. Die Pilze sind dafür nicht gut... sie atmen auch Sauerstoff. Je mehr Pilze Sie also anbauen, desto mehr Gemüse müssen Sie anbauen (wie eine Art Ressourcenmanagement-Simulation!).

Bergbau und Aufräumarbeiten

In den frühen Tagen wird es eine Menge Gerangel geben, um Sachen aus den Läden zu holen (natürliche Kühlung) und Vorräte zu stehlen, um zu überleben. Nachdem sich die Menschen in den Siedlungen niedergelassen haben, werden Aasfresser, die der Kälte trotzen, um mehr Vorräte zu beschaffen, die Hauptarbeitsquelle sein.

Irgendwann, wenn die Plünderungsmaterialien knapp werden, müssen wir den Bergbaubetrieb wieder aufnehmen. In der extremen Kälte wird es schwierig sein, zu reisen, Mineralien zu suchen und zu transportieren. Aber das Mining selbst wird nicht allzu anders sein. Unter der Erde ist es warm, und die meisten von euch werden sowieso unter der Erde leben.

Fazit

Am Ende könnten wir also lange genug überleben, um interstellare Reisen zu entwickeln und uns an diese Welt anzupassen – abgesehen von unglücklichen Kollisionen mit Asteroiden und Meteoren. Da die Erde die ganze Zeit in den Weltraum rast, kann uns das sogar dabei helfen, zum nächsten Stern zu starten.

Eine sehr runde Kuh, in der Tat. Wenn sich Eis auf der Meeresoberfläche bildet, bildet dies eine Isolationsbarriere. Würde die Erde wie Europa enden?

Diese Frage wurde in The Straight Dope beantwortet:

http://www.straightdope.com/columns/read/3293/if-the-sun-goes-how-long-till-the-earth-freezes/

Die Erde mag viel Wärme speichern, aber wir kümmern uns wahrscheinlich um die Oberflächentemperaturen, die schneller sinken werden. Wie andere bereits erwähnt haben, sinken die Temperaturen nachts in der Wüste viel schneller.