ניתן להעריך את העתיד הביולוגי והגאולוגי של כדור הארץ בהתבסס על ההשפעות המשוערות של מספר מגמות ארוכות טווח, ביניהן האינטראקציות הכימיות על פני כדור הארץ, קצב ההתקררות של פנים כוכב הלכת, השפעות הכבידה של עצמים אחרים במערכת השמש ועלייה מתמדת בבהירות השמש. עם זאת, אין לדעת בוודאות כיצד תשפיע טכנולוגיה אנושית, כגון הנדסת אקלים, שעלולה לגרום לשינויים משמעותיים בכוכב הלכת. ההכחדה הנוכחית של ההולוקן נגרמת על ידי טכנולוגיה, והשפעותיה עשויות להימשך עד חמישה מיליון שנים. אם בשלב מסוים תוכחד האנושות, כדור הארץ ישוב לקצב אבולוציוני איטי המושפע אך ורק מתהליכים טבעיים ארוכי טווח.

כאשר בוחנים טווחי זמן ארוכים מאוד ניתן לצפות שיתרחשו במהלכם אירועים שמימיים אקראיים שיסכנו את הביוספירה ועלולים להסב הכחדה המונית. בין האירועים האפשריים ניתן למנות פגיעות של שביטים או אסטרואידים ואפשרות של סופרנובה קרובה לכדור הארץ – פיצוץ כוכבי מסיבי ברדיוס של 100 שנות אור (31 פארסק) מהשמש. אירועים גאולוגיים אחרים בקנה מידה גדול צפויים להיות שכיחים יותר. התיאוריה של מילנקוביץ' חוזה שכוכב הלכת ימשיך לעבור תקופות קרח לפחות עד שהקרחון הרבעוני יגיע לסיומו. תקופות אלו נגרמות על ידי שינויים באקסצנטריות, הטיה צירית וקדימות של מסלול כדור הארץ. כחלק ממחזור יבשת העל המתמשך, טקטוניקת הלוחות תגרום כנראה להופעת יבשת-על בעוד 250–350 מיליון שנים. במהלך 1.5–4.5 מיליארד השנים הבאות צפויה ההטיה הצירית של כדור הארץ לעבור שינויים כאוטיים, והשינויים בהטיה הצירית ייתכן שיגיעו עד 90°.

בהירות השמש תגדל בהתמדה, וכתוצאה מכך תעלה קרינת השמש המגיעה לכדור הארץ. קצב בליה גבוה יותר של מינרלים סיליקט ישפיע על מחזור הקרבונט-סיליקט, מה שיגרום לירידה ברמת הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה. בעוד כ-600 מיליון שנים מהיום תרד רמת הפחמן הדו-חמצני מתחת לרמה הדרושה כדי לקיים פוטוסינתזה המשמשת עצים. אמנם, צמחים מסוימים משתמשים בשיטת קיבוע הפחמן C ₄ כדי להוסיף ולהתקיים גם בריכוזי פחמן דו-חמצני נמוך כדוגמת עשרה חלקים למיליון. עם זאת, המגמה ארוכת הטווח צפויה להביא לגוויעת חיי הצומח. הכחדת הצמחים תביא קץ כמעט לכל סוגי החיים בפלאנטה שכן צמחים הם בסיס שרשרת המזון על פני כדור הארץ.

בעוד כמיליארד שנים תהיה בהירות השמש גבוהה יותר ב-10%, מה שיגרום לאטמוספירה להפוך ל"חממה לחה", וכתוצאה מכך האוקיינוסים יתאדו. כתוצאה יסתיימו טקטוניקת הלוחות ומחזור הפחמן כולו. בעקבות אירוע זה, בעוד כ-2–3 מיליארד שנים, הדינמו המגנטי של כוכב הלכת עלול להיפסק, מה שיגרום לדעיכה של המגנטוספירה ולהוביל לאובדן מואץ של חומרים נדיפים מהאטמוספירה החיצונית. בעוד ארבעה מיליארד שנים תגרום העלייה בטמפרטורת פני כדור הארץ לאפקט חממה מאיץ, תיצור תנאים קיצוניים יותר מאשר אלו השוררים בנוגה של ימינו ותחמם את פני כדור הארץ מספיק כדי להמיס אותו. בשלב זה ייכחדו כל החיים על פני כדור הארץ. לבסוף, גורלו הסביר ביותר של כוכב הלכת הוא קליטה על ידי השמש בעוד כ-7.5 מיליארד שנים, לאחר שהשמש תיכנס לשלב הענק האדום ותתרחב אל מעבר למסלולו הנוכחי של כוכב הלכת.

כיום לבני אדם יש תפקיד מפתח בביוספירה. אוכלוסיית האדם הגדולה שולטת ברבות מהמערכות האקולוגיות של כדור הארץ. מצב זה הביא להכחדה המונית מתמשכת של מינים אחרים במהלך התקופה הגאולוגית הנוכחית, הידועה כיום בשם הכחדת ההולוקן. האובדן בקנה מידה גדול של מינים, שנגרם על ידי השפעת האדם מאז שנות ה-50 נקרא משבר ביוֹטי, כאשר לפי ההערכות נכון לשנת 2007 אבדו 10% מכלל המינים. בקצב הנוכחי, כ-30% מהמינים נמצאים בסיכון להכחדה במאה השנים הבאות. אירוע ההכחדה של ההולוקן הוא תוצאה של הרס בתי גידול, תפוצה נרחבת של מינים פולשים, ציד ושינויי אקלים.^[1] לפעילות האנושית הייתה השפעה משמעותית על פני כדור הארץ. יותר משליש משטח הקרקע השתנה על ידי פעולות אנושיות. ריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה גדל בכ-50% מאז תחילת המהפכה התעשייתית^{[דרושה הבהרה]}.^[2]

ההשלכות של משבר ביוטי מתמשך צפויות להימשך לפחות חמישה מיליון שנים. דבר זה עלול לגרום לירידה במגוון הביולוגי ולהומוגניזציה של הביוטות, מלווה בריבוי מינים שהם אופורטוניסטים, כגון מזיקים ועשבים שוטים. מינים חדשים עשויים להופיע; בפרט טסים המשגשגים במערכות אקולוגיות הנשלטות על ידי האדם עשויות להתגוון במהירות למינים חדשים רבים. חיידקים עשויים להפיק תועלת מהגידול בנישות סביבתיות מועשרות בחומרים מזינים. לא צפויים להופיע מינים חדשים של בעלי חוליות גדולים קיימים ושרשרות המזון כנראה יתקצרו.

ישנם מספר תרחישים לסיכונים ידועים שיכולים להיות בעלי השפעה גלובלית על כדור הארץ. מנקודת המבט של האנושות, ניתן לחלק אותם לסיכונים הישרדותיים וסיכונים סופניים. הסיכונים שבני אדם מציבים לעצמם כוללים שינויי אקלים, שימוש לרעה בננוטכנולוגיה, שואה גרעינית, עימות עם בינה מלאכותית מתוכנתת, מחלה מהונדסת גנטית או אסון שנגרם על ידי ניסוי פיזיקלי. באופן דומה, מספר אירועים טבעיים עלולים להוות איום יום הדין, כולל נגיף קטלני, השפעת אסטרואיד או שביט, אפקט חממה מתעצם ודלדול משאבים. ייתכן גם איום מצד צורת חיים מחוץ לכדור הארץ. קשה עד בלתי אפשרי להעריך את הסיכויים של תרחישים אלה.

אם המין האנושי ייכחד, אזי השפעותיו יתחילו להיעלם. למבנים הגדולים ביותר יש זמן מחצית חיים של ריקבון מוערך של כ-1,000 שנים. המבנים האחרונים שישרדו יהיו ככל הנראה מכרות פתוחים, מזבלות גדולות, כבישים מהירים, פתחי תעלות רחבים. כמה אנדרטאות אבן מסיביות כמו הפירמידות בנקרופוליס של גיזה או הפסלים בהר ראשמור עשויות עדיין לשרוד בצורה כלשהי לאחר מיליון שנים.

הזמן הממוצע שיידרש כדי שהשמש תתנגש בכוכב אחר בשכונת השמש הוא כ-30 טריליון (3× 10 13) שנים, שזה הרבה יותר מהגיל המשוער של היקום, בערך 13.8 מיליארד שנים. ניתן להסיק מכאן שהסיכוי שאירוע כזה יתרחש במהלך חייו של כדור הארץ הוא אפסי.

האנרגיה המשתחררת מפגיעת אסטרואיד או כוכב שביט בקוטר של 5–10 קילומטרים (3.1–6.2 מיל) או גדול יותר מספיקה כדי ליצור אסון סביבתי עולמי ולגרום לעלייה מובהקת סטטיסטית במספר הכחדות המינים. בין ההשפעות המזיקות הנובעות מאירוע פגיעה גדול הוא ענן של אבק דק שפולט כדור הארץ וחוסם אור שמש ישיר מלהגיע לפני כדור הארץ ובכך מוריד את טמפרטורות היבשה בכ-15 מעלות בתוך שבוע ומביא להפסקת הפוטוסינתזה למשך מספר חודשים (בדומה לחורף גרעיני). הזמן הממוצע בין מפגשים אלו מוערך בכ-100 מיליון שנים.

סימולציות הוכיחו ששיעור פגיעה כזה מספיק כדי לגרום, במהלך 540 מיליון השנים האחרונות, לחמש או שש הכחדות המוניות ול-20 עד 30 אירועים בדרגת חומרה נמוכה יותר. אומדן זה תואם את התיעוד הגאולוגי של הכחדות משמעותיות במהלך האיון הפאנרוזואיקוני. ניתן לצפות שאירועים כאלה יימשכו.

סופרנובה היא פיצוץ של כוכב. בתוך גלקסיית שביל החלב, פיצוצי סופרנובה מתרחשים בממוצע אחת ל-40 שנה. במהלך ההיסטוריה של כדור הארץ, סביר להניח שהתרחשו מספר אירועים כאלה במרחק של 100 שנות אור. פיצוצים בתוך המרחק הזה עלולים לזהם את כוכב הלכת ברדיואיזוטופים ואולי להשפיע על הביוספרה. קרני גמא הנפלטות מסופרנובה מגיבות עם חנקן באטמוספירה, ומייצרות תחמוצות חנקן. מולקולות אלו גורמות לדלדול של שכבת האוזון המגנה על פני השטח מפני קרינה אולטרה סגולה (UV) מהשמש. מספיקה עלייה בקרינת UV-B של 10-30% בלבד כדי לגרום להשפעה משמעותית על החיים; במיוחד על פיטופלנקטון המהווה את הבסיס של שרשרת המזון האוקיינוס. פיצוץ סופרנובה במרחק 26 שנות אור יקטין את צפיפות האוזון בחצי. בממוצע, פיצוץ סופרנובה מתרחש בתוך מרחק 32 שנות אור אחת לכמה מאות מיליוני שנים, וכתוצאה מכך דלדול שכבת האוזון נמשך כמה מאות שנים. במהלך שני מיליארד השנים הקרובות, יהיו כ-20 פיצוצי סופרנובה והתפרצות קרן גמא אחת שיניבו השפעה משמעותית על הביוספרה של כוכב הלכת.

ההשפעה המצטברת של הפרעות כבידה בין כוכבי הלכת גורמת למערכת השמש הפנימית בכללותה להתנהג בצורה כאוטית לאורך תקופות זמן ארוכות. הדבר לא משפיע באופן משמעותי על יציבות מערכת השמש על פני מרווחים של כמה מיליוני שנים או פחות, אבל במשך מיליארדי שנים, מסלולי כוכבי הלכת הופכים לבלתי צפויים. הדמיות ממוחשבות של התפתחות מערכת השמש בחמשת מיליארד השנים הבאות מצביעות על כך שיש סיכוי קטן (פחות מ-1%) שיכולה להתרחש התנגשות בין כדור הארץ לבין מרקורי, נוגה או מאדים. במהלך אותו מרווח, הסיכויים שכדור הארץ יסולק ממערכת השמש על ידי כוכב חולף הם בסדר גודל של 1 ל-100,000 (0.001%). בתרחיש כזה, האוקיינוסים יקפאו ויהפכו מוצקים בתוך כמה מיליוני שנים, וישאירו רק כמה כיסים של מים נוזליים עמוק מתחת לאדמה. יש סיכוי קלוש שכדור הארץ, אחרי שאיבד את מקומו במערכת השמש, ייתפס על ידי מערכת כוכבים בינארית חולפת, מה שיאפשר לביוספרה של כוכב הלכת להישאר שלמה. הסיכויים שזה יקרה הם בערך 1 ל-3 מיליון.

הפרעות הכבידה של כוכבי הלכת האחרים במערכת השמש משתלבות כדי לשנות את מסלול כדור הארץ ואת הכיוון של ציר הסיבוב שלו. שינויים אלה יכולים להשפיע על האקלים הפלנטרי. למרות אינטראקציות כאלה, סימולציות מדויקות ביותר מראות שבסך הכל, מסלול כדור הארץ צפוי להישאר יציב במשך מיליארדי שנים בעתיד. בכל הסימולציות, הציר החצי-עיקרי של כוכב הלכת, האקסצנטריות והנטייה נשארו כמעט קבועים.

מבחינה היסטורית היו עידני קרח מחזוריים שבהם יריעות קרחונים כיסו מעת לעת את קווי הרוחב הגבוהים יותר של היבשות. עידני קרח עשויים להתרחש בגלל שינויים במחזור האוקיינוסים וביבשת הנגרמים על ידי טקטוניקת הלוחות. התיאוריה של מילנקוביץ' חוזה שתקופות קרח מתרחשות בגלל גורמים אסטרונומיים המשתלבים עם תהליכי פידבק אקלימיים. המניעים האסטרונומיים העיקריים הם אקסצנטריות מסלולית גבוהה מהרגיל, הטיה צירית נמוכה (או אלכסון), ויישור היפוך הקיץ של חצי הכדור הצפוני עם האפליון. כל אחת מההשפעות הללו מתרחשת באופן מחזורי. לדוגמה, האקסצנטריות משתנה לאורך מחזורי זמן של כ-100,000 ו-400,000 שנים, כאשר הערך נע בין פחות מ-0.01 ל-0.05. דבר זה שווה ערך לשינוי של הציר החצי-מיני של מסלול כוכב הלכת מ-99.95% מהציר החצי – עיקרי ל-99.88%, בהתאמה.

כדור הארץ עבר עידן קרח המכונה הקרחון הרבעוני, ונמצא כיום בתקופה הבין-קרחונית של ההולוקן. תקופה זו הייתה צפויה להסתיים בעוד כ-25,000 שנים. עם זאת, השיעור המוגבר של פחמן דו-חמצני המשתחרר לאטמוספירה על ידי בני אדם עשוי לעכב את תחילת תקופת הקרח הבאה לפחות 50,000–130,000 שנים מהיום. מצד שני, תקופת התחממות גלובלית למשך זמן מוגבל (בהתבסס על ההנחה שהשימוש בדלק מאובנים ייפסק עד שנת 2200) כנראה תשפיע רק על תקופת הקרח למשך כ-5,000 שנים. לפיכך, לתקופה קצרה של התחממות כדור הארץ הנגרמת על ידי פליטת גזי חממה של כמה מאות שנים תהיה השפעה מוגבלת בלבד בטווח הארוך.

תאוצת הגאות והשפל של הירח מאטה את קצב הסיבוב של כדור הארץ ומגדילה את המרחק בין כדור הארץ לירח. השפעות חיכוך – בין הליבה למעטפת ובין האטמוספירה לפני השטח - יכולות לפזר את האנרגיה הסיבובית של כדור הארץ. השפעות משולבות אלו צפויות להאריך את אורך היום ביותר מ-1.5 שעות במהלך 250 מיליון השנים הבאות, ולהגדיל את האלכסון בכחצי מעלה. המרחק לירח יגדל בכ-1.5 רדיוסי כדור הארץ באותה תקופה.

בהתבסס על מודלים ממוחשבים נראה שנוכחות הירח מייצבת את האלכסון של כדור הארץ, מה שעשוי לעזור לכוכב הלכת להימנע משינויי אקלים דרמטיים. יציבות זו מושגת מכיוון שהירח מגביר את קצב הפרצסיה של ציר הסיבוב של כדור הארץ, ובכך נמנע מהדהוד בין קדנצית הסיבוב והפרצסיה של מישור המסלול של כוכב הלכת (כלומר, תנועת הפרצסיה של האקליפטיקה). עם זאת, ככל שהציר החצי-עיקרי של מסלול הירח ימשיך לגדול, אפקט מייצב זה יקטן. בשלב מסוים, השפעות של הפרעות כנראה יגרמו לשינויים כאוטיים באלכסון של כדור הארץ, וההטיה הצירית יכולה להשתנות בזוויות של עד 90 מעלות ממישור המסלול. דבר זה צפוי להתרחש בין 1.5 ל-4.5 מיליארד שנים מהיום.

נטייה גבוהה כנראה תגרום לשינויים דרמטיים באקלים ועלולה להרוס את יכולתו של כדור הארץ להכיל חיים. כאשר ההטיה הצירית של כדור הארץ עולה על 54°, השפל השנתי בקו המשווה קטן מזה שבקטבים. כוכב הלכת יכול להישאר באלכסון של 60° עד 90° לתקופות של עד 10 מיליון שנים.

אירועים טקטוניים ימשיכו להתרחש גם בעתיד והמשטח הטקטוני יעוצב מחדש בהתמדה על ידי התרוממות טקטונית, שחול ושחיקה. ניתן לצפות שהר וזוב יתפרץ כ-40 פעמים במהלך 1,000 השנים הבאות. במהלך אותה תקופה, כחמש עד שבע רעידות אדמה בעוצמה של 8 ומעלה אמורות להתרחש לאורך שבר סן אנדראס, בעוד שצפויים כ-50 רעידות אדמה דרגה 9 ברחבי העולם. מאונה לואה אמורה לחוות כ-200 התפרצויות במהלך 1,000 השנים הבאות, וסביר להניח שהגייזר אולד פיית'פול יפסיק לפעול.

בעוד 10,000 שנים, המשך ההתאוששות של הים הבלטי מתקופת הקרח תצמצם את העומק בכ-90 מטרים (300 רגל). מפרץ ההדסון יקטן לעומקו ב-100 מ' באותה תקופה. לאחר 100,000 שנים, האי הוואי יעבור בערך 9 קילומטרים (5.6 מיל) לצפון מערב. ייתכן שכוכב הלכת ייכנס לתקופת קרח נוספת בשלב זה.

התיאוריה של טקטוניקת הלוחות מוכיחה כי יבשות כדור הארץ נעות על פני השטח בקצב של סנטימטרים בודדים בשנה. הדבר צפוי להימשך ולגרום למיקום הלוחות ולהתנגש. הסחף היבשתי מוקל על ידי שני גורמים: האנרגיה הנוצרת בתוך כדור הארץ ונוכחות הידרוספירה. עם אובדן של כל אחד מהם, הסחף היבשתי ייפסק. ייצור חום באמצעות תהליכים רדיוגניים מספיק כדי לשמור על הסעת המעטפת והנחת הלוח לפחות ל-1.1 מיליארד השנים הבאות.

כיום יבשות צפון ודרום אמריקה נעות מערבה מאפריקה ואירופה. חוקרים יצרו כמה תרחישים להבין כיצד יהיו פנים הדברים בעתיד. מצד אחד מודל של הסתגרות, מצד שני מודל של החצנה.

ככל שההבנה של הגיאודינמיקה משתפרת, מודלים אלה יהיו נתונים לעדכון. בשנת 2008, למשל, נעשה שימוש בהדמיית מחשב כדי לחזות הופעת יבשת על חדשה המורכבת מאפריקה, אירואסיה, אוסטרליה, אנטארקטיקה ודרום אמריקה שתיווצר סביב אנטארקטיקה בעוד כ-100 מיליון שנה.

כריסטופר סקוטזה ועמיתיו מיפו את התנועות החזויות כמה מאות מיליוני שנים לעתיד כחלק מפרויקט פליאומפה. בתרחיש שלהם, בעוד 50 מיליון שנה הים התיכון עלול להיעלם, וההתנגשות בין אירופה ואפריקה תיצור רכס הרים ארוך המשתרע עד למיקומו הנוכחי של המפרץ הפרסי. אוסטרליה תתמזג עם אינדונזיה, ובאחה קליפורניה תגלוש צפונה לאורך החוף. נדידת אנטארקטיקה צפונה תגרום לכל יריעות הקרח שלה להימס. דבר זה, יחד עם הפשרת יריעות הקרח של גרינלנד, יעלה את מפלס האוקיינוס הממוצע ב-90 מטרים (300 רגל). ההצפה הפנימית של היבשות תגרום לשינויי אקלים.

ככל שתרחיש זה נמשך, בעוד 100 מיליון שנים מהיום, ההתפשטות היבשתית תגיע להיקף המקסימלי שלה ואז היבשות יתחילו להתלכד. בעוד 250 מיליון שנה תתנגש צפון אמריקה באפריקה. דרום אמריקה תעטוף את הקצה הדרומי של אפריקה. התוצאה תהיה היווצרות של יבשת-על חדשה (שנקראת לפעמים פנגיאה פרוקסימה), כשהאוקיינוס השקט משתרע על פני חצי מכדור הארץ. אנטארקטיקה תהפוך את הכיוון ותחזור לקוטב הדרומי, ותבנה עליה כיפת קרח חדשה.

המדען הראשון שהסיק את התנועות הנוכחיות של היבשות היה הגאולוג הקנדי פול פ. הופמן מאוניברסיטת הרווארד. בשנת 1992, הופמן חזה שהיבשות של צפון ודרום אמריקה ימשיכו להתקדם מעבר לאוקיינוס השקט, תוך סיבוב סביב סיביר עד שיתחילו להתמזג עם אסיה. הוא כינה את יבשת העל שנוצרה, אמאסיה. מאוחר יותר, בשנות ה-90, רוי ליברמור חישב תרחיש דומה. הוא חזה שאנטארקטיקה תתחיל לנדוד צפונה, ומזרח אפריקה ומדגסקר יעברו את האוקיינוס ההודי כדי להתנגש באסיה.

במודל החצנה תושלם סגירת האוקיינוס השקט בערך ב-350 מיליון שנים. דבר זה מסמן את השלמת מחזור היבשת העל הנוכחי, שבו היבשות מתפצלות ואז מצטרפות אחת לשנייה בערך כל 400–500 מיליון שנים. לאחר היווצרות היבשת העל, טקטוניקת הלוחות עשויה להיכנס לתקופה של חוסר פעילות. תקופה זו של יציבות עלולה לגרום לעלייה בטמפרטורת המעטפת בשיעור של בין 30 ל-100 מעלות מדי מאה מיליון שנים, שהוא משך החיים המינימלי של יבשות-על קודמות. כתוצאה מכך, פעילות געשית עשויה לעלות.

היווצרות של יבשת-על יכולה להשפיע באופן דרמטי על הסביבה. התנגשות הלוחות תגרום לבניית הרים, ובכך תשנה את דפוסי מזג האוויר. מפלס הים עלול לרדת בגלל היווצרות קרחונים מוגברת. קצב הבליה בפני השטח יכול לעלות, מה שיגביר את קצב קבורת החומר האורגני. יבשות-על עלולות לגרום לירידה בטמפרטורות העולמיות ולעלייה בחמצן האטמוספירי. זה, בתורו, יכול להשפיע על האקלים, ולהוריד עוד יותר את הטמפרטורות. כל השינויים הללו יכולים לגרום לאבולוציה ביולוגית מהירה יותר.

אזור הליבה העשיר בברזל של כדור הארץ מחולק ל-2,440 קילומטרים (1,520 מיל) קוטר ליבה פנימית מוצקה ו-6,960 קילומטרים (4,320 מיל) קוטר ליבה חיצונית נוזלית.

הליבה הפנימית צפויה לאכל את מרבית הליבה החיצונית או את כולה בעוד 3–4 מיליארד שנים מהיום, וכתוצאה מכך לליבה מוצקה כמעט לחלוטין המורכבת מברזל ויסודות כבדים אחרים. לחלופין, אם בשלב מסוים טקטוניקת הלוחות תיפסק, החלק הפנימי יתקרר בצורה פחות יעילה, מה שיאט או אפילו יעצור את צמיחת הליבה הפנימית. במקרה כזה עלול השדה המגנטי של כדור הארץ להתכלות. אובדן המגנטוספירה יגרום לעלייה באובדן של יסודות קלים, במיוחד מימן, מהאטמוספירה החיצונית של כדור הארץ אל החלל, וכתוצאה מכך ישררו תנאים פחות נוחים לחיים.

ייצור האנרגיה של השמש מבוסס על היתוך תרמו-גרעיני של מימן להליום. התהליך מתרחש באזור הליבה של הכוכב תוך שימוש בתהליך תגובת שרשרת פרוטון-פרוטון.

נכון לעכשיו, נעשה שימוש בכמעט מחצית מהמימן בליבה. ככל שמספר אטומי המימן ליחידת מסה פוחת, כך גם תפוקת האנרגיה שלהם יורדת. הדבר מביא את הליבה להתכווץ עד שהצפיפות והטמפרטורה המוגברות מביאות את לחץ הליבה לשיווי משקל עם השכבות שמעל. הטמפרטורה הגבוהה יותר גורמת למימן הנותר לעבור היתוך בקצב מהיר יותר, ובכך מייצרת את האנרגיה הדרושה לשמירה על שיווי המשקל.

התוצאה של תהליך זה הייתה עלייה מתמדת בתפוקת האנרגיה של השמש. כאשר השמש הפכה לראשונה לכוכב רצף ראשי, היא הקרינה רק 70% מעוצמת הארה הנוכחית. עוצמת הארה גדלה באופן כמעט ליניארי עד היום, ועולה ב-1% כל 110 מיליון שנה. בעוד שלושה מיליארד שנים השמש צפויה להיות זוהרת יותר ב-33%. דלק המימן שבליבה ימוצה סוף סוף בעוד חמישה מיליארד שנים כאשר השמש תהיה זוהרת יותר ב-67% מאשר כיום. לאחר מכן השמש תמשיך לשרוף מימן בקליפה המקיפה את הליבה שלה עד שהבהירות תגיע ל-121% מעל הערך הנוכחי. שלב זה מסמן את סוף חייה של השמש ברצף הראשי, ולאחר מכן היא תתפתח לענק אדום.

בשלב זה, ההתנגשות של גלקסיות שביל החלב ואנדרומדה אמורה כבר הייתה לקרות. למרות שהדבר עלול לגרום לפליטה של מערכת השמש מהגלקסיה המאוחדת שתיווצר, לא סביר שתהיה לה השפעה שלילית על השמש או כוכבי הלכת שלה.

קצב הבליה של מינרלים סיליקט יגדל ככל שהטמפרטורות עולות ומאיצות תהליכים כימיים. הדבר בתורו יקטין את רמת הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה, שכן ריאקציות עם מינרלים סיליקטים הופכות פחמן דו-חמצני לפחמן מוצק. בתוך 600 מיליון השנים הבאות מהיום יירד ריכוז הפחמן הדו-חמצני מתחת לסף הקריטי הדרוש לשמירה על פוטוסינתזה שמתבססת על ריכוז כ-50 חלקים למיליון. בשלב זה, עצים ויערות בצורותיהם הנוכחיות לא יוכלו עוד לשרוד. ירידה זו בחיי הצומח צפויה להיות ירידה איטית וארוכה. קבוצת הצמחים C ₃ תמות ככל הנראה בזה אחר זה הרבה לפני הגעה לרמת 50 חלקים למיליון. הצמחים הראשונים שייעלמו יהיו צמחים עשבוניים C3, ואחריהם יערות נשירים, יערות עלים רחבים ירוקי עד ולבסוף עצי מחט ירוקי עד. עם זאת, קיבוע פחמן C ₄ יכול להמשיך בריכוזים נמוכים בהרבה, עד מעל 10 חלקים למיליון. כך שצמחים המשתמשים בפוטוסינתזה של C יוכלו לשרוד לפחות 0.8 מיליארד שנים ואולי גם בעוד 1.2 מיליארד שנים מהיום, ולאחר מכן עליית הטמפרטורות תהפוך את הביוספרה ללא בת קיימא. נכון לעכשיו, צמחי C מייצגים כ-5% מהביומסה של הצמחים של כדור הארץ ו-1% ממיני הצמחים הידועים שלו. לדוגמה, כ-50% מכל מיני העשבים (Poaceae) משתמשים במסלול הפוטוסינתטי C.

כאשר רמות הפחמן הדו-חמצני יורדות לקצה הגבול שבו הפוטוסינתזה בקושי בת קיימא, שיעור הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה צפוי להתנדנד מעלה מטה. הדבר יאפשר לצמחיית היבשה לפרוח בכל פעם שרמת הפחמן הדו-חמצני עולה עקב פעילות טקטונית ונשימה מחיי בעלי חיים. עם זאת, המגמה ארוכת הטווח היא שחיי הצומח ביבשה ימותו מכיוון שרוב הפחמן שנותר באטמוספירה ייטמן בכדור הארץ. חיידקים מסוימים מסוגלים לבצע פוטוסינתזה בריכוזים של פחמן דו-חמצני נמוך עד 1 חלק למיליון, כך שצורות חיים אלו כנראה ייעלמו רק בגלל עליית הטמפרטורות ואובדן הביוספרה.

צמחים – ובהמשך, בעלי חיים, יוכלו לשרוד על ידי פיתוח אסטרטגיות אחרות כמו צורך בפחות פחמן דו-חמצני לתהליכי פוטוסינתזה ואסטרטגיות אחרות.

החיות הראשונות שצפויות להיעלם יהיו יונקים גדולים, אחריהן יונקים קטנים, ציפורים, דו-חיים ודגים גדולים, זוחלים ודגים קטנים, ולבסוף חסרי חוליות. בעלי חיים קטנים יותר ישרדו טוב יותר מאשר גדולים יותר בגלל דרישות חמצן פחותות, בעוד שציפורים יצליחו טוב יותר מיונקים הודות ליכולתן לעבור מרחקים גדולים בחיפוש אחר טמפרטורות קרירות יותר. בהתבסס על זמן מחצית חיים של חמצן באטמוספירה, חיי בעלי חיים יימשכו לכל היותר 100 מיליון שנים לאחר אובדן של צמחים גבוהים יותר. עם זאת, חיי בעלי חיים עשויים להימשך הרבה יותר זמן מכיוון שיותר מ-50% מהחמצן מיוצר כיום על ידי פיטופלנקטון.

בעבודתם "The Life and Death of Planet Earth", המחברים פיטר ד' וורד ודונלד בראונלי טענו שצורה כלשהי של חיי בעלי חיים עשויה להימשך גם לאחר שרוב חיי הצומח של כדור הארץ ייעלמו. וורד ובראונלי משתמשים בעדויות מאובנים מפצלי ברג'ס בקולומביה הבריטית, קנדה, כדי לקבוע את האקלים של הפיצוץ הקמבריוני, ומשתמשות בו כדי לחזות את האקלים של העתיד כאשר עליית הטמפרטורות העולמיות הנגרמות על ידי שמש מתחממת וירידה ברמות החמצן גורמות להכחדה הסופית של חיי בעלי חיים. בתחילה, הם מצפים שכמה חרקים, לטאות, ציפורים ויונקים קטנים עשויים להמשיך להתקיים, יחד עם חיי ים. עם זאת, ללא הגברת חמצן על ידי הצמחייה, הם מאמינים שבעלי חיים כנראה ימותו מחנק בתוך כמה מיליוני שנים. גם אם מספיק חמצן היה נשאר באטמוספירה באמצעות התמדה של צורה כלשהי של פוטוסינתזה, העלייה המתמדת בטמפרטורה הגלובלית תגרום לאובדן הדרגתי של המגוון הביולוגי.

ככל שהטמפרטורות ממשיכות לעלות יונעו אחרוני בעלי החיים לעבר הקטבים, ואולי מתחת לאדמה. הם יהפכו פעילים בעיקר במהלך הלילה הקוטבי, ויהיו בתרדמת במהלך היום הקוטבי בגלל החום העז. חלק גדול מפני השטח יהפוך למדבר עקר וחיים יימצאו בעיקר באוקיינוסים. עם זאת, עקב ירידה בכמות החומר האורגני הנכנס לאוקיינוסים מהיבשה וכן ירידה בחמצן המומס, חיי הים ייעלמו גם הם בעקבות נתיב דומה לזה שעל פני כדור הארץ. תהליך זה יתחיל עם אובדן מיני מים מתוקים ויסתיים עם חסרי חוליות, במיוחד כאלה שאינם תלויים בצמחים חיים כגון טרמיטים או כאלה ליד פתחי אוורור הידרותרמיים כגון תולעים מהסוג "Riftia". כתוצאה מתהליכים אלה, צורות חיים רב-תאיות עשויות להיכחד בעוד כ-800 מיליון שנים, ואיקריוטים בעוד 1.3 מיליארד שנים, ולהשאיר רק את הפרוקריוטים.

בעתיד הרחוק בהירות השמש תהיה גבוהה מערכה הנוכחי. כשהעלייה תגיע ל-10%, טמפרטורת פני השטח הגלובלית הממוצעת תעלה ל-47 מעלות צלזיוס. האטמוספירה תהפוך ל"חממה לחה" שתוביל להתאדות מואצת של האוקיינוסים. בשלב זה, מודלים של הסביבה העתידית של כדור הארץ מוכיחים כי הסטרטוספירה תכיל רמות גדלות והולכות של מים. מולקולות המים הללו יפורקו באמצעות פוטו-דיסוציאציה על ידי UV שמש, מה שיאפשר למימן לברוח מהאטמוספירה. התוצאה תהיה אובדן מי הים בעולם כ-1.1 מיליארד שנים מהיום.

כוכב הלכת יהיה מדבר עם שדות דיונות גדולים המכסים את קו המשווה שלו, וכמה משטחי מלח על מה שהיה פעם קרקעית האוקיינוס, דומים לאלה שבמדבר אטקמה בצ'ילה.

ללא מים שישמשו כחומר סיכה, סביר להניח שטקטוניקת הלוחות תיפסק. בתנאים צחיחים אלה עשוי כוכב הלכת לשמור על חיים מיקרוביאליים, ואולי אפילו רב-תאיים. רוב החיידקים הללו יהיו הלופילים. עם זאת, התנאים הקיצוניים יותר ויותר יובילו ככל הנראה להכחדת הפרוקריוטים בין 1.6 מיליארד שנים ל-2.8 מיליארד שנים מהיום. עם זאת, החיים התת-קרקעיים יכולים להימשך זמן רב יותר. שחרור קבוע של פחמן דו-חמצני על ידי התפרצות געשית עלול לגרום לאטמוספירה להיכנס למצב "חממת-על" כמו זה של כוכב הלכת נוגה. אבל, כפי שצוין לעיל, ללא מים עיליים, טקטוניקת הלוחות תיעצר כנראה ורוב הקרבונטים יישארו קבורים היטב עד שהשמש תהפוך לענק אדום והזוהר המוגבר שלה יחמם את הסלע עד כדי שחרור פחמן דו-חמצני. עם זאת, כפי שציינו פיטר וורד ודונלד בראונלי בספרם "החיים והמוות של כדור הארץ", לפי מדען נאס"א קווין זאהנל, ייתכן מאוד שטקטוניקת הלוחות תיפסק הרבה לפני אובדן האוקיינוסים, בשל התקררות הדרגתית של ליבת כדור הארץ, שעלולה להתרחש תוך 500 מיליון שנים בלבד. הדבר עלול להפוך את כדור הארץ בחזרה לעולם מים, ואולי אפילו להטביע את כל חיי האדמה שנותרו.

אובדן האוקיינוסים עלול להתעכב עד 2 מיליארד שנים בעתיד אם הלחץ האטמוספירי יירד. לחץ אטמוספירי נמוך יותר יפחית את אפקט החממה, ובכך יוריד את טמפרטורת פני השטח. דבר זה יכול להתרחש אם תהליכים טבעיים יוציאו את החנקן מהאטמוספירה. מחקרים על משקעים אורגניים הראו שכמות משמעותית של חנקן הוסרה מהאטמוספירה במהלך ארבעת מיליארד השנים האחרונות; מספיק כדי להכפיל למעשה את הלחץ האטמוספירי הנוכחי אם הוא ישתחרר. קצב ההסרה הזה יספיק כדי להתמודד עם ההשפעות של הגברת בהירות השמש במשך שני מיליארד השנים הבאות.

בעוד 2.8 מיליארד שנים מהיום תגיע טמפרטורת פני השטח של כדור הארץ ל-149 מעלות, אפילו בקטבים. בשלב זה, כל החיים שנותרו יגוועו עקב תנאים קיצוניים. מה שיקרה בהמשך תלוי בכמות המים שנותרו על פני השטח. אם כל המים על פני כדור הארץ כבר התאדו בנקודה זו (דרך "החממה הלחה" ב-1 ג'יר מעכשיו), כוכב הלכת יישאר באותם תנאים עם עלייה מתמדת בטמפרטורת פני השטח עד שהשמש תהפוך לענק אדום

. אם לא ועדיין נותרו כיסי מים, ומתאדים לאט מדי, אזי בעוד כ-3–4 מיליארד שנים, ברגע שכמות אדי המים באטמוספירה התחתונה תעלה ל-40%, והבהירות מהשמש מגיעה. 35–40% יותר מערכו כיום, ייווצר אפקט "חממה בורחת", שיגרום להתחממות האטמוספירה ולהעלות את טמפרטורת פני השטח לסביבות 1330 מעלות צלזיוס. זה מספיק כדי להמיס את פני כדור הארץ. עם זאת, רוב האטמוספירה תישמר עד שהשמש תיכנס לשלב הענק האדום.

כשהשמש תשנה את פעולתה משריפת מימן בתוך הליבה לשריפת מימן בקליפה סביב הליבה שלה, הליבה תתחיל להתכווץ והמעטפת החיצונית תתרחב. עוצמת ההארה הכוללת תגדל בהתמדה במהלך מיליארד השנים הבאות עד שהיא תגיע לפי 2,730 מעוצמת הארה הנוכחית שלה בגיל 12.167 מיליארד שנים. רוב האטמוספירה של כדור הארץ תאבד לחלל. פני השטח שלו יהיו מורכבים מאוקיינוס לבה עם יבשות צפות של מתכות ותחמוצות מתכות וגרגירי קרח מחומרים עקשנים, שטמפרטורת פניו תגיע ליותר מ-2130 מעלות צלזיוס. השמש תחווה אובדן מסה. אובדן המסה יגרום לכך שמסלולי כוכבי הלכת יתרחבו. מרחק המסלול של כדור הארץ יגדל לכל היותר 150% מערכו הנוכחי.

החלק המהיר ביותר של התפשטות השמש לענק אדום יתרחש בשלבים האחרונים, כאשר השמש תהיה בת כ-12 מיליארד שנים. סביר להניח שהיא תתרחב כדי לבלוע גם את מרקורי וגם את נוגה, ויגיע לרדיוס מרבי של 1.2 יחידות אסטרונומיות (180 מיליון קילומטרים; 110 מיליון מיל). השמש ככל הנראה תבלע את כדור הארץ בעוד כ-7.59 מיליארד שנים.