《流浪地球》中的科学

王元卓

影片《流浪地球》一改往日灾难片中人类乘坐宇宙飞船逃离地球的情节，而是让人类带着地球逃离灾难，展现了中国人的家园故土情怀，突出了中国人强调的“愚公移山”精神和“人定胜天”的理念，打开了一个新的科幻维度空间。

《流浪地球》展现了富有科学依据的灾难背景、符合科学原理的避难措施，描绘了一个全新的地下避难救灾的宏大场景。

01《流浪地球》中的科学

太阳的演变

人类实“流浪地球”计划，是因为太阳急速衰老膨胀，即将把包括地球在内的整个太阳系脱没。那么，太阳纠竟发生了什么？如果真按“流浪地球”计划那样让地球停止自转，又会发生什么事情呢？

對流层：厚约15万千米，辐射层传来的能量在这里以对流的形式传出去。

日核：占太阳半径的1/4，质量达到太阳质量的一半。温度达1500万℃，随时都在进行着4个氢核聚变成1个氦核的核聚变反应。

辐射层：从日核到0.71个太阳半径的区域。日核聚变产生的能量在这里以电磁波的形式传向太阳外层。

太阳演变为红巨星，地球的命运将怎样？

由于潮汐力的存在，目前地球正在以15厘米/年的速度远离太阳。

地球自转：地球绕自转轴自西向东转动，从北极点上看呈逆时针旋转。地球自转轴与黄道面成66.5°的夹角，与赤道面垂直。地球自转一周用时23小时56分4秒。

转逮变化：一方面风的季节性变化导致地球的自转在春天转得慢，在秋天转得快。另一方面潮汐作用导致地球的自转越转越慢。据推算，2亿年后，一年仅有300天，一天会有30小时。

想让地球停止转动需要多大力气？

电影中，每台行星发动机通过重核聚变能够产生150万亿吨的推力，产生的加速度是0.000 000 025米/秒，在赤道附近的转动速度大约就是460米/秒。对于一台行星发动机而言，需要218569天（大约600年）的时间才能够让地球停止转动。

地球不转了会发生什么？

每个白天和黑夜将持续半年，甚至会因为被太阳引力锁定，所以一个半球永远是白天，另一个半球永远是黑夜。

大气层会继续运动，产生强烈飓风。引力导致海水上涨，带来巨大潮汐。

02《流浪地球》中酌科学

银河系和比邻星

人类的计划是，用上万台行星发动推动地球远离太阳，前往想对安全的比邻星系。那么，比邻星系在哪里，地球需要飞多久才能到达那里呢？

宇宙测量

在可观测的宇宙中，星系的总数可能超过1000亿个，最古老的星系距今约135.5亿年。已知最大的星系距地球大约10.7亿光年，直径约560万光年，相当于银河系直径的50多倍。

银河系

银河系中包括1200亿颗恒星和大量的星团、星云，还有星际气体和尘埃。太阳系就位于银河系中。银河系直径约10万光年，总质量约为太阳质量的8000亿～].5万亿倍。

银河系中间厚、边缘薄，呈扁平状。通常我们看到的银河其实只是银河系的一部分，位于天鹰座和天赤道相交处。在北半天球，它经过天鹅等星座，跨入天赤道，再往南经过南十字星、天蝎座、人马座等。

银河系是巨大的棒旋星系，其内的恒星、气体和尘埃等分布成旋涡状，这种旋涡被称为旋臂。太阳系位于猎户座旋臂、人马座旋臂和英仙座旋臂之间。

柯伊伯带：它是一个由众多冰质小天体组成的环。这些天体由冰、岩石和尘埃组成。

奥尔特星云：50亿年前形成的奥尔特星云，包围着太阳系，星云内布满了不活跃的彗星，距太阳约5万～10万个天文单位，差不多等于1光年，约等于太阳与比邻星距离的1/4。

目前，人类能《实王见的最快空间飞行速度为26.4万千米/时。从地球抵达比邻星的总飞行时间约].7万年。《流浪也球》中设定速度最快时可达光速的5‰。从地球抵达比邻星的总飞行时间约2500年。

比邻星VS太阳

阶段：红矮星

亮度：彻星等*ll等

直径：约为太阳直径的1/7

质量：约为太阳质量的l/B

年龄：48.5亿岁

温度：表面约2800℃

阶段：主序星

亮度：视星等一26.74等

直径：14口万千米

质量：2×1030千克

年龄：46亿岁

温度：表面约5700℃

03《流浪地球》中的科学

“流浪地球”

计划的可行性

在电影中，人类让地球靠近危险的木星，这样做的目的究竟是什么呢？还没有出太阳系，地球就差点被木星吞噬，“流浪地球”计划真的可行吗？为什么选择带着地球流浪？

距离太阳系最近的比邻星没有行星（不过，最新的天文研究成果显示，比邻星的行星已被发现）;最近的有行星的恒星系在850光年外;人类目前还不具备建造大型、稳定的生态系统的技术。

“流浪地球”计划

阶段1：刹车阶段

行星发动机使地球停止自转。

阶段2：逃邕阶段

全功率开动行星发动机，加速驶出太阳系。

阶段3：先流浪阶段

利用太阳和木星完成加速，驶向比邻星。

如何利用木星加速？

利用行星的引力改变飞行轨道和速度，即引力弹弓效应（引力助推）。木星公转速度约为13千米/秒。当地球通过木星后，即使不计算地球发动机带给地球的额外速度叠加，地球获得的速度也将至少达到55.8千米/秒，足以完成逃离太阳系的任务。

为什么会坠落木星，地球解体？

当两个天体的质量和引力场强度存在差异并且距离足够近时，质量较小、引力场强度较弱的天体就会被另一个更大天体的潮汐力拉扯解体。该定义极限距离就是洛希极限。地球与木星的刚体洛希极限约为6.27万千米。在电影中，地球大气与木星大气的距离大于洛希极限，所以木星的引力并不会把地球撕碎。点燃木星可行吗？

木星是一颗气态行星，大气中氢含量高达90%。从地球抽取的大量氧气和木星的大气中的大量氢气混合，具备了燃烧的条件。爆炸所需的氢气的浓度为4%-70%，但过低的氧气含量仍然无法点燃木星。

阶段4：后流浪阶段

利用500年时间将地球加速到光速的5‰，然后滑行1300年，再调转发动机，利用700年进行减速。

阶段5：新太阳时代

地球泊入比邻星轨道，成为比邻星的行星。地球流浪为什么没带月球？

地月之间的引力无法让地球以一个相对静止的状态向前前进。逃逸过程中，如果月球还在跟随地球，那么月球就必须保持同速，否则行星发动机的工作量就要加大（必须把助推月球考虑进去）。两者的速度如果有差异，就会出现月球和地球相撞的可能。

04《流浪地球》中的科学

地下城的

生活和危险

为了应对宇宙空间的恶劣环境，人类被迫在“流浪地球”计划实施过程中躲进地下城中。那么，在地下城里，人类该如何生存呢？

地下城的居住条件

温度：向下每千米地温增加25～30℃，地壳以下5千米，地温是125～150℃。估计修建地下城最需要的是制冷设备吧。

通风：对于室内长期低浓度的污染，人们没有抵御手段，被动吸入大量污染物会损害健康。通过技术平衡空气中氧气、二氧化碳、悬浮颗粒等成分，是地下生活的重要健康保障。

水循环：可以将给水、排水系统组成一个闭路循环的用水系统。将产生的废水处理后重复使用，可不补充或仅少量补充新鲜水，不排放或少排放废水。

光合作用：绿色植物利用太阳的光能，吸收二氧化碳和水，制造有机物质并释放氧气。光合作用的产物主要是碳水化合物，并释放出能量。

任地下城里是否有四季？

四季的形成：地球自转轴与地球绕太阳公转面之间有一个夹角（23.5°）。当地球绕太阳公转时，太阳直射地球的位置在南回归线到北回归线之间移动。当太阳直射点位于北半球时，北半球获得的热量高，处于夏半年;反之，当太阳直射点位于南半球时，北半球获得的热量低，处于冬半年。

当地球停止自转并且脱离太阳系时，想要看到四季景色只能通过模拟来实现了。

在地城里是否有危險？

岩浆：岩浆产生于上地幔和地壳深处，主要成分为硅酸盐和含挥发成分的高温黏稠熔融物质。据测定，岩浆的温度一般在900～1200℃，最高可达1400℃。

地震：在地表以下5千米的地方，绝大部分都是坚硬的岩石。在这里修建地下城，地震发生时的地震倾覆力矩相对于地面的建筑物要小得多，因此，从建筑的结构抗震性能来讲，地下城更抗震。

活动断层：同时，要考虑是否有活动断层穿过。活动断层不仅与地震的发生关系密切，而且断裂活动对于地下结构及建筑物的安全会产生致命的破坏。

摘自《科幻电影中的科学：科学家奶爸的宇宙手绘》，科学普及出版社