想看懂《流浪地球》太空知識了解一下?

來源:北京青年報 作者: 發表時間:2019-02-19 10:50

地球洛希極限軌道運行示意圖

◎加加劉

作為中國第一部硬科幻電影,《流浪地球》公映之後口碑可謂是一度炸裂朋友圈。本部改編自劉慈欣同名小説的影片,除了用行星發動機推動地球離開太陽係這個設定之外,幾乎一切都是新的,可以説這是一部建造在《流浪地球》世界觀體係下的新故事。以至于,就算是一些原著黨看了也會覺得新奇,更別説普通觀眾了。很多人看完這部片子之後,發現由于對電影中的背景知識不甚了解,導致需要“二刷”、“三刷”才能弄明白其中的邏輯。那麼,今天就跟本航天宅一起來了解一下《流浪地球》中的關鍵知識點。

起 因

紅巨星:三四十億年後,太陽將由青壯年進入老年期。老年期的太陽會變為一顆紅巨星,巨星的顯著特點就是體積大、光度強、不穩定。變為紅巨星的太陽會覆蓋半個太陽係,這時候別説離太陽最近的水星、金星和地球,就連火、木、土星可能都無法幸免。下圖左側的小點是現今的太陽,而圖右側是紅巨星時的太陽。不幸的是,地球作為一個繞著太陽轉的行星,會陪著太陽經歷這個變大、變熱的過程,直到被太陽吞沒。

太陽氦閃:太陽氦閃就是發生在紅巨星階段的失控氦融合過程中的所謂不穩定現象,通常發生在2倍及以下太陽質量的低質量恒星的核心。青壯年時的太陽靠氫核聚變帶來的能量維持著自身形態,當氫原料被用完時,內核將開始收縮,這會導致核心溫度進一步升高。當溫度高達1億攝氏度後,就會發生氦核反應從而爆發出數以億倍的巨大能量。即使那時的地球還沒有被太陽吞沒,氦閃之後,地球表面也會頃刻化為一片火海。

經 過

逃離太陽係:不論是太陽的老齡化,還是氦閃的發生,對于太陽係內的人類生命的威脅都是毀滅性的,地球大氣會被吹散,太陽風高能粒子直接撞擊到地球表面,人類唯一的出路就是逃離太陽係。要想逃離太陽係,這裏就不得不説説三大宇宙速度,第一宇宙速度是7.9km/s,大于這個速度即可進入繞地軌道;第二宇宙速度為11.2km/s ,是物體完全擺脫地球引力束縛,飛離地球所需要的最小初始速度;第三宇宙速度為16.7km/s,是擺脫太陽引力束縛,飛出太陽係所需的最小初始速度。電影中劉慈欣一手打造了“逃離太陽係”計劃,也就是“剎車、逃逸、加速、減速、新太陽時代”五個步驟。而這個“搬家計劃”是通過一種核聚變行星發動機的裝置實現的。

行星發動機:這是“流浪地球計劃”中設計的推動地球逃離太陽係的重要“工具”。電影中全世界人類通力合作,建造了12000多臺高達11000米的行星發動機,它們主要分布在亞洲和美洲,通過利用重元素聚變獲得能量。

其實,在地球上建造行星發動機的想法還是比較異想天開的,這些高11000米的發動機還在地球大氣層以內,因此設想每當發動機啟動,大量的大氣層氣體被發動機等離子體光柱推出大氣層外,從而導致地球上大氣越來越稀薄了。影片中描述地球表面變極低溫度已經十幾年,想必光合作用早已停止。在這些年裏地球那麼多發動機消耗,還要供35億人日常生活,大氣層的氧氣只銷不産,還能有足夠的氧氣點燃木星嗎?

更何況體積巨大的行星發動機對地球結構的壓力也會特別大,地殼的厚度平均才幾十公裏,根本承受不了這樣的力量和震動,一臺就有可能引發地震、板塊斷裂現象,1萬多臺這樣的發動機那還了得。所以這樣的行星發動機未必能推走地球,而是一旦啟動就有可能引發巨大災難。

再者説,行星發動機的存在及建造可行性本身就是個問題。

木星引力:木星的引力比地球強2.5倍,因為體積太大,能夠牽引太陽係包括地球在內的其他行星。《流浪地球》中就是要利用木星的引力將地球吸過去,只要角度合適且飛得足夠快,就能得到木星的加速力,從而將地球甩向外太空。

引力彈弓:這是利用行星的重力場來給太空探測船加速,也就是把行星當作“引力助推器”。影片中將木星作為“地球”的助推器,只要交匯時地球自身速度夠快,角度合適,地球將在交匯分離之後獲得足夠加速度,從太陽係逃逸。目前,有很多航天器通過這種引力助推方式到達了飛行目標。如1974年,水手10號借助金星的引力助推減速之後到達了水星;旅行者1號在經過木星和土星時通過引力助推獲得了足以完全擺脫太陽引力的動能,目前位于太陽係和星際空間之間的邊緣帶。

洛希極限:指當行星與衛星距離近到一定程度時,潮汐作用就會使天體本身解體分散。以電影中的地球和木星為例,當地球與木星之間的距離為洛希極限時,地球自身的重力就會與木星造成的潮汐力相等,而如果繼續靠近,地球本身就會解體,從而成為木星的環。我們現在看到的土星環就是這樣形成的。

引力捕獲:行星A被行星B的引力捕獲後,若距離大于洛希極限,會繞其旋轉成為其衛星(月球是被地球捕獲的衛星),一旦行星B引力過大,捕獲後行星AB間距離小于洛希極限,行星A就會傾向碎散。影片設定接近木星時其磁場和輻射導致發動機故障熄火地球自身速度減慢,被木星引力捕獲,即使動力很快恢復,由于木星引力過大,地木距離將越過洛希極限。在此危急時刻,主人公想出了點燃木星風暴中的氫氣,使其爆炸産生的衝擊波將地球加速超出第三宇宙速度,逃出太陽係,理論上講完全有可能。

結 局

除去高大上的科學外衣,這就是一部中二天才少年看透真相拯救地球的末日災難電影。電影中,通過主角團小分隊的努力,最終地球再次得以繼續逃離太陽係的遠徵。

盡管電影團隊前期對宇宙、航天、重型機械等視覺呈現做了大量的工作,但在技術邏輯上還有很多尬點,比如木星引力為何會突然增強?木星爆炸到底是把地球推開還是把地球炸碎?一場足以推動地球的衝擊波為何只是一場流星雨,在地表的男主居然可以毫發無損?

但是瑕不掩瑜,我願意説這是一部好看的電影,且不得不承認它也是一部商業成功的電影。以嚴謹的科學原理作為基礎,以多學科的技術預測為導引,開啟了大眾特別是孩子的想象力和求知欲。

編輯:Giabun
數字報
想看懂《流浪地球》太空知識了解一下?
北京青年報  作者:  2019-02-19

地球洛希極限軌道運行示意圖

◎加加劉

作為中國第一部硬科幻電影,《流浪地球》公映之後口碑可謂是一度炸裂朋友圈。本部改編自劉慈欣同名小説的影片,除了用行星發動機推動地球離開太陽係這個設定之外,幾乎一切都是新的,可以説這是一部建造在《流浪地球》世界觀體係下的新故事。以至于,就算是一些原著黨看了也會覺得新奇,更別説普通觀眾了。很多人看完這部片子之後,發現由于對電影中的背景知識不甚了解,導致需要“二刷”、“三刷”才能弄明白其中的邏輯。那麼,今天就跟本航天宅一起來了解一下《流浪地球》中的關鍵知識點。

起 因

紅巨星:三四十億年後,太陽將由青壯年進入老年期。老年期的太陽會變為一顆紅巨星,巨星的顯著特點就是體積大、光度強、不穩定。變為紅巨星的太陽會覆蓋半個太陽係,這時候別説離太陽最近的水星、金星和地球,就連火、木、土星可能都無法幸免。下圖左側的小點是現今的太陽,而圖右側是紅巨星時的太陽。不幸的是,地球作為一個繞著太陽轉的行星,會陪著太陽經歷這個變大、變熱的過程,直到被太陽吞沒。

太陽氦閃:太陽氦閃就是發生在紅巨星階段的失控氦融合過程中的所謂不穩定現象,通常發生在2倍及以下太陽質量的低質量恒星的核心。青壯年時的太陽靠氫核聚變帶來的能量維持著自身形態,當氫原料被用完時,內核將開始收縮,這會導致核心溫度進一步升高。當溫度高達1億攝氏度後,就會發生氦核反應從而爆發出數以億倍的巨大能量。即使那時的地球還沒有被太陽吞沒,氦閃之後,地球表面也會頃刻化為一片火海。

經 過

逃離太陽係:不論是太陽的老齡化,還是氦閃的發生,對于太陽係內的人類生命的威脅都是毀滅性的,地球大氣會被吹散,太陽風高能粒子直接撞擊到地球表面,人類唯一的出路就是逃離太陽係。要想逃離太陽係,這裏就不得不説説三大宇宙速度,第一宇宙速度是7.9km/s,大于這個速度即可進入繞地軌道;第二宇宙速度為11.2km/s ,是物體完全擺脫地球引力束縛,飛離地球所需要的最小初始速度;第三宇宙速度為16.7km/s,是擺脫太陽引力束縛,飛出太陽係所需的最小初始速度。電影中劉慈欣一手打造了“逃離太陽係”計劃,也就是“剎車、逃逸、加速、減速、新太陽時代”五個步驟。而這個“搬家計劃”是通過一種核聚變行星發動機的裝置實現的。

行星發動機:這是“流浪地球計劃”中設計的推動地球逃離太陽係的重要“工具”。電影中全世界人類通力合作,建造了12000多臺高達11000米的行星發動機,它們主要分布在亞洲和美洲,通過利用重元素聚變獲得能量。

其實,在地球上建造行星發動機的想法還是比較異想天開的,這些高11000米的發動機還在地球大氣層以內,因此設想每當發動機啟動,大量的大氣層氣體被發動機等離子體光柱推出大氣層外,從而導致地球上大氣越來越稀薄了。影片中描述地球表面變極低溫度已經十幾年,想必光合作用早已停止。在這些年裏地球那麼多發動機消耗,還要供35億人日常生活,大氣層的氧氣只銷不産,還能有足夠的氧氣點燃木星嗎?

更何況體積巨大的行星發動機對地球結構的壓力也會特別大,地殼的厚度平均才幾十公裏,根本承受不了這樣的力量和震動,一臺就有可能引發地震、板塊斷裂現象,1萬多臺這樣的發動機那還了得。所以這樣的行星發動機未必能推走地球,而是一旦啟動就有可能引發巨大災難。

再者説,行星發動機的存在及建造可行性本身就是個問題。

木星引力:木星的引力比地球強2.5倍,因為體積太大,能夠牽引太陽係包括地球在內的其他行星。《流浪地球》中就是要利用木星的引力將地球吸過去,只要角度合適且飛得足夠快,就能得到木星的加速力,從而將地球甩向外太空。

引力彈弓:這是利用行星的重力場來給太空探測船加速,也就是把行星當作“引力助推器”。影片中將木星作為“地球”的助推器,只要交匯時地球自身速度夠快,角度合適,地球將在交匯分離之後獲得足夠加速度,從太陽係逃逸。目前,有很多航天器通過這種引力助推方式到達了飛行目標。如1974年,水手10號借助金星的引力助推減速之後到達了水星;旅行者1號在經過木星和土星時通過引力助推獲得了足以完全擺脫太陽引力的動能,目前位于太陽係和星際空間之間的邊緣帶。

洛希極限:指當行星與衛星距離近到一定程度時,潮汐作用就會使天體本身解體分散。以電影中的地球和木星為例,當地球與木星之間的距離為洛希極限時,地球自身的重力就會與木星造成的潮汐力相等,而如果繼續靠近,地球本身就會解體,從而成為木星的環。我們現在看到的土星環就是這樣形成的。

引力捕獲:行星A被行星B的引力捕獲後,若距離大于洛希極限,會繞其旋轉成為其衛星(月球是被地球捕獲的衛星),一旦行星B引力過大,捕獲後行星AB間距離小于洛希極限,行星A就會傾向碎散。影片設定接近木星時其磁場和輻射導致發動機故障熄火地球自身速度減慢,被木星引力捕獲,即使動力很快恢復,由于木星引力過大,地木距離將越過洛希極限。在此危急時刻,主人公想出了點燃木星風暴中的氫氣,使其爆炸産生的衝擊波將地球加速超出第三宇宙速度,逃出太陽係,理論上講完全有可能。

結 局

除去高大上的科學外衣,這就是一部中二天才少年看透真相拯救地球的末日災難電影。電影中,通過主角團小分隊的努力,最終地球再次得以繼續逃離太陽係的遠徵。

盡管電影團隊前期對宇宙、航天、重型機械等視覺呈現做了大量的工作,但在技術邏輯上還有很多尬點,比如木星引力為何會突然增強?木星爆炸到底是把地球推開還是把地球炸碎?一場足以推動地球的衝擊波為何只是一場流星雨,在地表的男主居然可以毫發無損?

但是瑕不掩瑜,我願意説這是一部好看的電影,且不得不承認它也是一部商業成功的電影。以嚴謹的科學原理作為基礎,以多學科的技術預測為導引,開啟了大眾特別是孩子的想象力和求知欲。

編輯:Giabun
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