温室效应并不万能： 为什么地球、火星、金星和水星现在的状态如此不同？

                                     吉林大学：杨学祥，杨冬红

      最近，美国一名火星研究工程师也对外表示称：2030年前，人类将会在火星上常驻生活，2100年前在火星上将出现拥有百万级人口的大城市。而在2020年7月我国发射火星探测器“天问一号”时，也有一家国内电视台打出这样的字幕——“天问一号”发射了，火星移民还会离我们很远吗？

      我国发射“天问一号”的目的是什么？火星探测真的是为了移民火星么？火星是否适合人类未来改造和居住？记者就以上问题专访了北京大学地球与空间科学学院教授焦维新。

    “近年来，由于火星探测的升温特别是我国首次火星探测任务‘天问一号’探测器的发射，引起了人们对深空探测特别是火星探测的关注，这些‘移民火星’的所谓‘计划’也就格外吸引眼球。”焦维新说。然而，火星探测的目的，国内外重要职能部门都有完整的论述。对于我国发射“天问一号”的科学目标，国家航天局等有关单位也都有明确的说明，即探测火星地形、地貌；火星磁场；地下水；土壤成分和分布；火星大气层以及气候变化。

      他介绍，从国际上看，最近20年，美国国家航空航天局（以下简称NASA）对火星探测确定的科学目标有以下四个方面：确定火星上是否存在生命；了解火星气候的过程和历史；了解火星作为一个地质系统的起源和演化；为载人探索做准备。

      从更大的深空探测范围看，NASA曾组织权威专家讨论撰写了两个重要文件：《太阳系探索路线图》和《天体生物学战略2015》。这两项文件中全面论述了探索太阳系以及探索地外生命的目的和方法。在《太阳系探索路线图》中明确阐述了五个科学目标：太阳系的行星和小天体是如何起源的?太阳系是如何演化到目前这般不同的状态的？同在太阳系诞生，为什么地球、火星、金星和水星现在的状态如此不同？导致生命起源的太阳系特征是什么?生命是如何在地球上起源和演化的？在太阳系的其他地方也有生命吗?太阳系环境中有哪些会影响人类在太空生存的灾害和源头?

      他指出，即便人类已经用了半个多世纪来探测火星、研究宇宙，但就目前的探测水平来看，还远远达不到对火星探测清晰明了的程度，更谈不上是对火星上资源的争夺。之所以各国都争相进行火星探索，是因为相比于其他太阳系内的星球，火星更具有科学探索价值和条件。“火星离地球比较近，我们的探测器能够到达。此外其他星球，如金星的条件太过恶劣，基本不可能有生命存在，通过探测它来搞清一些重大科学问题，技术难度也比较大，暂时实现不了我们希望的科学目标。综合考量下来，还是先进行火星的探索，而绝非是因为我们想‘移居火星’。”

       焦维新介绍，从科学价值来看，火星能反映出很多问题，对人类了解地球会有帮助。比如为什么同在太阳系，各个行星演化的结果却有所不同？如果能找到何种原因导致各大行星演化结果的不同，那么我们就能更好地了解地球演化的过去。“我们通过对其他天体的探测考察，能够找到更多与地球有关的答案。”他说。

       从人类对火星目前的探测结果看，火星大气层很薄，表面平均气压约为地球的0.75%，成分为95%的二氧化碳，氧气极少，同时充满尘埃。地表温度白天可达28℃，夜晚可低至-132℃，平均-57℃。因此，焦维新认为，相比于地球，火星完全不具备人类生存的条件：“哪怕地球环境再恶劣，或者人口大爆炸，从必要性来说，改造地球上的沙漠，也比改造火星容易得多。那又何谈‘移民火星’？”至于对火星的争夺，他认为，未来人类并不会如科幻电影中表现的那般将大规模前往火星，因此也不可能在未来真正出现争夺火星的现象。

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1696474627650988108&wfr=spider&for=pc

       金星和火星比较

      金星的大气主要由二氧化碳组成，并含有少量的氮气。金星的大气压强非常大，为地球的92倍，相当于地球海洋中1千米深度时的压强。大量二氧化碳的存在使得温室效应在金星上大规模地进行着。如果没有这样的温室效应温度会下降400℃。在近赤道的低地，金星的表面极限温度可高达500℃。这使得金星的表面温度甚至高于水星虽然它离太阳的距离要比水星大的两倍，并且得到的阳光只有水星的四分之一（高空的光照强度为2613.9W/m²，表面为1071.1W/m²）。尽管金星的自转很慢（金星的“一天”比金星的“一年”还要长，赤道地带的旋转速度只有每小时6.5千米），但是由于热惯性和浓密大气的对流，昼夜温差并不大。大气上层的风只要4天就能绕金星一周来均匀的传递热量。

       金星浓厚的云层把大部分阳光都反射回了太空，所以金星表面接受到的太阳光比较少，大部分阳光都不能直接到达金星表面。金星热辐射反射率大约是60%，可见光反射率就更大。虽然金星比地球离太阳的距离要近，它表面所得光照却比地球少。如果没有温室效应作用，金星表面温度就会和地球很接近。

       金星表面的温度很高，是因为金星上强烈的温室效应，温室效应是指透射阳光的密闭空间由于与外界缺乏热交换而形成的保温效应。金星上的温室效应强得令人瞠目结舌，原因在于金星的大气密度是地球大气的100倍，且大气97%以上是“保温气体”——二氧化碳；同时，金星大气中还有一层厚达20～30千米的由浓硫酸组成的浓云。二氧化碳和浓云只许太阳光通过，却不让热量透过云层散发到宇宙空间。被封闭起来的太阳辐射使金星表面变得越来越热。温室效应使金星表面温度高达465至485℃，且基本上没有地区、季节、昼夜的差别。它还造成金星上的气压很高，约为地球的90倍。浓厚的金星云层使金星上的白昼朦胧不清，天空是橙黄色的。云层顶端有强风，大约每小时350千米，但表面风速却很慢，每小时几千米不到。十分有趣的是，金星上空会像地球上空一样，出现闪电和雷暴。

       金星的大气压力为90个标准大气压（相当于地球海洋深1千米处的压力），大气大多由二氧化碳组成，也有几层由硫酸组成的厚数千米的云层。这些云层挡住了对金星表面的观察，使得它看来非常模糊。这稠密的大气也产生了温室效应，使金星表面温度高达400度，超过了740开（足以使铅条熔化）。金星表面自然比水星表面热虽然金星比水星离太阳要远两倍。

       金星大气层主要为二氧化碳，占约96%，以及氮3%。在高度50至70千米的上空，悬浮着浓密的厚云，把大气分割为上下两层。云为浓硫酸液滴组成，其中还掺杂着硫粒子，所以呈现黄色。在气候良好的地球上，应该很难想像在太阳系中竟然有这样疯狂的世界。

       金星是一颗类地行星，因为其质量与地球类似，有时也被人们叫做地球的“姐妹星”。也是太阳系中仅有的一颗没有磁场的行星。在八大行星中金星的轨道最接近圆形，偏心率最小，仅为0.006811。

https://baike.baidu.com/item/%E9%87%91%E6%98%9F/19410?fr=aladdin#3_1

      火星是离太阳第四近的行星，也是太阳系中仅次于水星的第二小的行星，为太阳系里四颗类地行星之一。

      火星大气以二氧化碳为主，既稀薄又寒冷，遍布撞击坑、峡谷、沙丘和砾石，没有稳定的液态水。根据观测的证据，火星被观察到类似地下水涌出的现象，南极冰冠有部分退缩，雷达数据显示两极和中纬度地表下存在大量的水冰。

       火星自转轴倾角为25.19度，和地球的相近，因此也有四季，只是季节长度约为两倍。由于火星轨道离心率大约为0.093（地球只有0.017），使各季节长度不一致，又因远日点接近北半球夏至，北半球春夏比秋冬各长约40天。2009年10月26日为北半球春分，2010年5月13日为夏至，北半球处春季。

       火星轨道和地球的一样，受太阳系其他天体影响而不断变动。轨道离心率有两个变化周期，分别是9.6万年和210万年，于0.002至0.12间变化；而地球的是10万年和41.3万年等，于0.005至0.058间变化（见米兰科维奇循环），火星与地球最短距离正慢慢减小。至于自转轴倾角，火星是25.19度，但可由13度至40度间变化周期一千多万年，不像地球的稳定处于22.1和24.5度间，是因为火星没有如月球般的巨大卫星来维持自转轴。也因没有大卫星的潮汐作用，火星自转周期变化小，不像地球的会被慢慢拉长，因此现今两行星的自转周期相近只是暂时现象。

       2007年3月，NASA的一项研究表明南极冠的冰假如全部融化，可覆盖整个星球。推论有更大量的水冻在厚厚的地下冰层（cryosphere），只有当火山活动时才有可能释放出来。史上最大的一次是在水手谷形成时，大量水释出，造成的洪水刻划出众多的河谷地形，流入克里斯平原。另一次较小的一次，是在五百万年前科伯洛斯槽沟（Cerberus Fossae）形成时，释出的水在埃律西姆平原（Elysium Planitia）形成冰海，至2019仍能看见痕迹。

       对于火星上有冰存在的直接证据在2008年6月20日被美国宇航局的凤凰号发现，凤凰号在火星上挖掘发现了八粒白色的物体，当时研究人员揣测这些物体不是盐（在火星有发现盐矿）就是冰，而四天后这些白粒就凭空消失，因此这些白粒一定升华了，盐不会有这种现象。火星全球勘测者所照的高分辨率照片显示出有关液态水的历史。尽管有很多巨大的洪水道和具有树枝状支流的河道被发现，还是没发现更小尺度的洪水来源。推测这些可能已被风化侵蚀，表示这些河道是很古老的。

       火星全球勘测者高解析照片也发现数百个在陨石坑和峡谷边缘上的沟壑。它们趋向坐落于南方高原、面向赤道的陨石坑壁上。因为没有发现部分被侵蚀或被陨石坑覆盖的沟壑，推测他们应是非常年轻的。有个特别引人注目的例子。短短6年，这个沟壑又出现新的白色沉积物。NASA火星探测计划（Mars Exploration Program）的首席科学家麦克·梅尔（Michael Meyer）表示，只有含大量液态水才能形成这样的样貌。而水是出自降水、地下水或其他来源仍是一个疑问。不过有人提议，这可能是二氧化碳霜或是地表尘埃移除造成的。11米深。另外，地下的水冰永冻土可由极区延伸至纬度约60°的地方。

https://baike.baidu.com/item/%E7%81%AB%E6%98%9F/5627?fr=aladdin

       火星大气以二氧化碳为主，既稀薄又寒冷；金星的大气主要由二氧化碳组成，并含有少量的氮气。金星的大气压强非常大，为地球的92倍，相当于地球海洋中1千米深度时的压强。大量二氧化碳的存在使得温室效应在金星上大规模地进行着。如果没有这样的温室效应温度会下降400℃。在近赤道的低地，金星的表面极限温度可高达500℃。温室效应并不万能，不能解释它们之间的巨大差别。

        轨道偏心率变大导致大气损耗气温变冷

       大气层对行星具有保温作用。当轨道偏心率较大的行星向太阳靠近时，太阳风和太阳辐射将一部分大气物质吹走，形成背光的“气尾”；当行星向远离太阳的方向运动时，“气尾”收缩。行星每靠近太阳一次，就失掉相当多的大气质量。近日行星中，水星与火星的轨道偏心率最大，分别为0.206和0.093，地球的偏心率为0.017，金星的偏心率为0.007。近日行星的大气密度与其轨道偏心率成反比，因此，近日行星中轨道偏心率大的行星大气散失比较多，大气非常稀薄。大气层可以保持地表的气温，大气的流失降低地表气温，这是10万年冰期周期与地球轨道偏心率10万年变化周期对应的原因，地球轨道偏心率变化范围为0.017~0.067，在偏心率最大时对应冰期的出现。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-436350.html

       米兰科维奇循环的天文冰期理论：火星目前处于轨道偏心率较大的大冰期时期，地球处于轨道偏心率较小的间冰期时期，金星处于轨道偏心最小的极热期时期。

       轨道偏心率较大的行星向太阳靠近时产生的大气丢失，是冰期产生的根本原因。大气稀薄也是与冰期伴随的生物灭绝的原因。

        火星轨道和地球的一样，受太阳系其他天体影响而不断变动。轨道离心率有两个变化周期，分别是9.6万年和210万年，于0.002至0.12间变化，而地球的是10万年和41.3万年等，于0.005至0.058间变化（见米兰科维奇循环）。因此，火星的冰期周期分别是9.6万年和210万年，即9.6万年和210万年前，可能存在与地球目前气候相同或相近的间冰期，甚至是温暖期。这需要火星探测资料的证实。

        在八大行星中金星的轨道最接近圆形，偏心率最小，仅为0.006811。火星和地球10万年后也有可能变为金星目前状态，目前没有成为金星目前状态的可能。

参考文献

1.杨学祥, 陈殿友. 构造形变、气象灾害与地球轨道的关系. 地壳形变与地震,2000,20（3）：39~48

2.杨冬红，杨学祥，刘财。2004年12月26日印尼地震海啸与全球低温。地球物理学进展。2006，21（3）：

1023-1027

 相关报道  

火星探测真的是为了移民火星么？

中国青年报

发布时间: 2021-04-0820:18中国青年报社

      日前，一家美国建筑设计工作室公布了第一个火星城市的设计规划，并计划将新城市命名为“女娲”。消息一出，引发网友诸多关于“移民火星”的遐想。美国企业家马斯克曾鼓吹向火星移民100万人的计划。最近，美国一名火星研究工程师也对外表示称：2030年前，人类将会在火星上常驻生活，2100年前在火星上将出现拥有百万级人口的大城市。而在2020年7月我国发射火星探测器“天问一号”时，也有一家国内电视台打出这样的字幕——“天问一号”发射了，火星移民还会离我们很远吗？

      我国发射“天问一号”的目的是什么？火星探测真的是为了移民火星么？火星是否适合人类未来改造和居住？记者就以上问题专访了北京大学地球与空间科学学院教授焦维新。

      国内外深空探测从未有向地外天体移民的意向

    “近年来，由于火星探测的升温特别是我国首次火星探测任务‘天问一号’探测器的发射，引起了人们对深空探测特别是火星探测的关注，这些‘移民火星’的所谓‘计划’也就格外吸引眼球。”焦维新说。然而，火星探测的目的，国内外重要职能部门都有完整的论述。对于我国发射“天问一号”的科学目标，国家航天局等有关单位也都有明确的说明，即探测火星地形、地貌；火星磁场；地下水；土壤成分和分布；火星大气层以及气候变化。

      他介绍，从国际上看，最近20年，美国国家航空航天局（以下简称NASA）对火星探测确定的科学目标有以下四个方面：确定火星上是否存在生命；了解火星气候的过程和历史；了解火星作为一个地质系统的起源和演化；为载人探索做准备。

      从更大的深空探测范围看，NASA曾组织权威专家讨论撰写了两个重要文件：《太阳系探索路线图》和《天体生物学战略2015》。这两项文件中全面论述了探索太阳系以及探索地外生命的目的和方法。在《太阳系探索路线图》中明确阐述了五个科学目标：太阳系的行星和小天体是如何起源的?太阳系是如何演化到目前这般不同的状态的？同在太阳系诞生，为什么地球、火星、金星和水星现在的状态如此不同？导致生命起源的太阳系特征是什么?生命是如何在地球上起源和演化的？在太阳系的其他地方也有生命吗?太阳系环境中有哪些会影响人类在太空生存的灾害和源头?

       而在起草《天体生物学战略2015》这一文件的过程中，近200名天体生物学协会成员经过共同努力，确定了未来10年天体生物学研究的目的和目标。该协会确定的探测天体六个主要研究课题是：识别有机化合物的非生物来源；生命起源中大分子的合成和功能；早期生命和不断增加的复杂性；生命和物理环境的共同进化；识别、探索和表征适合居住和生物特征的环境；构建宜居的世界。

     “从上面的一系列探测目标中可以看出，在国内外深空探测主管部门的官方文件中，从未提及向地外天体移民的意向。”焦维新说。

       那么，《天体生物学战略2015》第六条中的“构建宜居的世界”是否意味着人类在计划寻找其他的宜居天体？焦维新对此给予了否定。他指出，目前人类在寻找太阳系外适居区时，往往仅根据我们在地球上有限的可居住体验，这可能扭曲了我们对适居区基本要求的理解。因此，需要根据最新的科学发现和成果，对适居区给予新的定义，并按照新的标准去寻找可能含有生命的世界。而这一切，离移民火星或其他地外天体仍然太远太远。

      火星更具有科学价值是各国争相探索主因

      现代天文学崛起后，人类一直行进在通往火星的道路上。从1964年“水手4号”火星探测器发射、1965年回传第一张火星表面照片开始，50多年时间里，人类已先后开展了50余次火星探测。去年7月，“天问一号”火星探测器在海南文昌航天发射场点火启程，成为我国进行更多行星探测的起点。

      既然探索火星并非以为人类寻找第二个家园为目的，那么，为何火星能引来各国的争相探索？甚至有观点认为，这是否是各国在开展对火星等天体上资源的争夺？对此，焦维新表示绝非如此。

      他指出，即便人类已经用了半个多世纪来探测火星、研究宇宙，但就目前的探测水平来看，还远远达不到对火星探测清晰明了的程度，更谈不上是对火星上资源的争夺。之所以各国都争相进行火星探索，是因为相比于其他太阳系内的星球，火星更具有科学探索价值和条件。“火星离地球比较近，我们的探测器能够到达。此外其他星球，如金星的条件太过恶劣，基本不可能有生命存在，通过探测它来搞清一些重大科学问题，技术难度也比较大，暂时实现不了我们希望的科学目标。综合考量下来，还是先进行火星的探索，而绝非是因为我们想‘移居火星’。”

       焦维新介绍，从科学价值来看，火星能反映出很多问题，对人类了解地球会有帮助。比如为什么同在太阳系，各个行星演化的结果却有所不同？如果能找到何种原因导致各大行星演化结果的不同，那么我们就能更好地了解地球演化的过去。“我们通过对其他天体的探测考察，能够找到更多与地球有关的答案。”他说。

       从人类对火星目前的探测结果看，火星大气层很薄，表面平均气压约为地球的0.75%，成分为95%的二氧化碳，氧气极少，同时充满尘埃。地表温度白天可达28℃，夜晚可低至-132℃，平均-57℃。因此，焦维新认为，相比于地球，火星完全不具备人类生存的条件：“哪怕地球环境再恶劣，或者人口大爆炸，从必要性来说，改造地球上的沙漠，也比改造火星容易得多。那又何谈‘移民火星’？”至于对火星的争夺，他认为，未来人类并不会如科幻电影中表现的那般将大规模前往火星，因此也不可能在未来真正出现争夺火星的现象。

       对于普通民众对“移民火星”的遐想和一些商业公司的设想计划，焦维新表示理解，但他向记者强调，基于科学的严肃性和重要意义，探测火星这样巨大投入的重大航天工程需要得到广大民众的正确理解和支持，大众传媒负有重要责任。特别是主流媒体，要在科普上准确把握，提高大家的科学素养，以正视听，不能为了“博眼球”“争噱头”而给与大众错误导向，造成理解偏差。“将来我们还要去更远的天体，要让人们理解，我们为什么要花大力气这样做？这些都有赖于媒体深入细致、科学有力的传播与解读。”

来源：光明日报

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1696474627650988108&wfr=spider&for=pc