金星发现磁场重联现象：或解释水分损失机制
太阳风塑造了金星和地球磁层的形态，这是一张示意图，可以看到上部金黄色的是金星，下部蓝色的是地球。这两颗行星的大小相似，但是不同的是地球拥有内部机制产生的强大偶极磁场，这一磁场有效阻挡了太阳风粒子的轰击，保护了地球上的生命
正在金星轨道上运行的欧空局所属“金星快车”号探测器 新浪科技讯 北京时间4月21日消息，据欧洲空间局(ESA)网站报道，金星被一层浓厚的大气层包围，并且其并不拥有全球性偶极磁场。然而即便这颗行星缺乏磁层的保护，金星附近的空间区域中确实同样存在着类似其它行星，如地球一样的的一些相似之处。其中最新发现，也是最让人意外的一点便是近期发现金星诱发磁场的磁尾处存在磁场重联现象。
可以由内部机制产生磁场的行星，如地球，水星，木星和土星，它们的外围会存在一个看不见的磁层。这一磁层意义重大，它会阻挡太阳发出的带电粒子，如电子和质子，使其发生偏移。正是这一特性形成了磁层——一层围绕行星周围的巨大“气泡”，在背离太阳的方向形成一道长长的延伸带，称为“磁尾”(magnetotail)。
然而由于金星缺乏产生磁场的内部机制，因此它无法阻挡射来的太阳带电粒子，太阳风有时候会直接和金星高层大气发生相互作用。然而金星并非完全暴露在这种粒子的轰击中，它部分受到了一个诱发磁场的保护。
和在地球上发生的情况一样，太阳紫外辐射会剥夺高层大气原子和分子中的电子，从而形成一层带电的电离层。这一电离层会和太阳风和太阳风携带的太阳磁场发生相互作用。在和太阳风的长期相互作用过程中，这一高层大气的区域可以减缓并偏折入射的太阳风粒子，从而同样形成一层磁层，在背离太阳处，其形状就像是彗星的尾巴。
数十年来探测器的空间考察已经确认在地球，水星，木星和土星磁层中频繁发生着磁场重联现象。在这一过程磁能转变为动能，磁场重联本身是指方向相反的磁力线因互相靠近而发生的重新联结现象。在地球上，这一机制导致了磁暴和极光的产生。
直到最近，科学家们仍旧不认为在一颗像金星这样不拥有磁场的大行星周围会存在这种重联现象。然而，来自中国科技大学中科院近地空间环境重点实验室的张铁龙教授和一个国际科学家小组近日在《科学》杂志网络版《科学快报》(Science Express)上发表文章，宣布他们已经发现首个证明金星诱发磁场的磁尾处确实存在磁场重联现象的证据。
欧洲空间局(ESA)所属的金星快车探测器运行在一个近极轨轨道上，这一轨道特性对于某些设备，如磁强计和低能粒子探测器等进行太阳风-电离层-磁尾相互作用机制的探测工作非常理想。在此之前的探测项目，如先锋-金星号，要么由于轨道特性差异，要么由于探测时正处于不同的太阳活动水平上而未能探测到金星的这一重联现象。
2006年5月15日，金星快车号探测器穿过金星磁尾，在这里它探测到一个持续时间约为3分钟的转动磁场结构。基于其持续时间和探测器运行速度的计算显示这一区域的宽度大约为3400公里。这一事件发生于距离金星1.5倍半径处，即距离金星大约9000公里，科学家们认为这是一个等离子体团。这是一种转瞬即逝的磁场圈层结构，一般发生于行星磁尾发生重联时。
对于金星快车数据进行的进一步分析显示出更多证明金星磁场与磁尾处等离子体之间存在能量交换的证据。数据同样显示在很多方面，金星磁层就像是一个缩小的规模的地球磁场。
地球的情况是，磁场重联现象一般发生在背阳处10-30倍地球半径处的磁尾和等离子体片位置上。由于地球的磁场要强大的多，可以推断金星的磁场重联如果存在，则应当发生在其背阳处1~3倍半径位置。而这正是金星快车号探测器数据所证实的。
张铁龙教授表示：“等离子体团在一些行星的磁层中非常常见，如地球，木星等，但是对于一颗不拥有磁场的行星，如金星这种情况，发现这一现象让人预想不到。”张教授是这篇发表在《科学》杂志上论文的第一作者。他本人是金星快车飞船磁强计设备的首席科学家，同时也是位于奥地利格拉斯的空间研究院高级研究科学家。
他说：“磁场重联造成了磁尾分裂，导致磁尾中大部分的等离子体被抛射出去，进入太空。同时这一事件还会产生一个等离子体团结构向金星运动，将一部分太阳风的能量传递至金星背阳面的大气层中。因此这种磁场重联现象构成了金星上等离子体的循环机制，这一点和地球磁场中磁尾处发生的情况相似。”
此次新发现在金星磁尾处存在等离子体逃逸的现象或许可以作为一种新的可能机制，用于解释金星高层大气的流失现象。这一点对于解释金星在发生严重温室效应之后最终完全丢失其水分的过程将具有重要意义。
哈肯·司韦德海姆(Håkan Svedhem)是欧空局金星快车项目科学家，他说：“尽管理解大气损失机制是构建行星演化模型的关键一步，我们对于磁场重联机制却仍旧缺乏了解，这是因为我们对于除了地球之外的其它行星的磁场特性缺乏实地考察数据。”
他说：“这一结果证明，对于类地行星的空间探测项目，如欧空局实施的金星快车，火星快车以及“星簇”探测项目对于我们了解行星大气层乃至行星本身的复杂演化机制将是至关重要的。(晨风)
矛盾的事实与可疑的推论：创新要盯住国际科学前沿
作 者：杨学祥，杨冬红 上传日期：2007-12-3
矛盾的事实与可疑的推论：创新要盯住国际科学前沿
杨学祥，杨冬红
在11月29日的《自然》杂志上，国际科学家小组发表了一年来利用欧空局（ESA）“金星快车”（
Venus Express）进行观测的成果，总共九篇论文。在这些论文中，天文学家描述了金星——地球的孪
生兄弟，如何成为炙热的“炼狱”（457摄氏度左右），以及首次确定金星闪电等研究成果。45亿年前
，金星曾与地球拥有相同的半径、质量、密度和化学组成，只不过地球发展出了稳定的适合生命存在
的大气，而金星却在大量二氧化碳的笼罩下面目全非。最新的研究发现，金星上由二氧化碳和水蒸气
造成的剧烈温室效应致使太阳粒子不断侵蚀其大气层，自转速度逐渐变慢，气温持续升高，最终导致
表面的水被完全蒸发和剥离，随风而逝（这是一个“正反馈”恶性循环过程），而留给金星的是强力
飓风和频繁闪电的破坏和蹂躏。科学家利用金星快车的VIRTIS红外分光计，对金星的大气进行了三维
探测，弄清了金星大气循环流动的画面——赤道气流汹涌，往两极趋于平缓，但有多个互不干扰的流
动层。极地有标志性的涡流。而在这些气流之上，金星的上层大气从近日区域向该行星的阴暗面流动
。Taylor评价说，金星快车的首年探测让科学家开始认识金星的水分和其他化学物质的消逝过程。值
得注意的是，他们首次发现金星上相对而言的重元素——氧在大量消失，速度大约是氢的一半，比地
球上的氧元素流失更快。研究人员认为，这是由于金星更接近太阳，缺乏能够避免太阳风侵蚀的磁场
，以及自转比地球慢得多（周期为243天）。而正是这些因素让金星在太阳系形成后的最初十亿年里失
去了大量的水[1]。（科学网 任霄鹏/编译）（《自然》（Nature），v450 p633-662，Venus Express
international team）
新浪科技讯 北京时间11月29日消息，据英国《独立报》报道，金星是一个没有水，灼热的高温足
以将铅熔化的世界。然而金星可能曾是一颗与地球非常相似的行星，在那儿，浩瀚的海水可能曾支持
过生命。科学家通过对欧洲“金星快车”探测器收集的资料进行的详细分析显示，常常被视为地球的
“孪生兄弟”的金星变得不适合生存，成为炙热的“炼狱”（457摄氏度左右），其实是因为一系列的
偶然事件。科学家已证实，金星和地球之间的相似之处被前者历史上的一次重大变化遮盖了，这次变
化导致了金星上海洋的消失，充斥着二氧化碳的大气和失控的温室效应，温室效应引起严重的全球变
暖。牛津大学的佛瑞德-泰勒教授说：“现在，有关金星上的气候为何与地球有如此大的差异已经弄清
楚了，这两颗行星在其他方面却极为相似。”在它和太阳之间的距离，它的质量、半径、密度和化学
组成方面，金星是最接近地球的行星。金星在其缓慢的自转速度方面不同(243天一圈)，很难想象这两
种气候到底有多大差异。泰勒教授说：“这些差异不仅是因为金星更接近太阳。现在，我们知道，缺
乏一种保护性磁场和不同的行星自转速度也是造成这些差异的因素，我们在地球上观测到的多数大气
作用发生在金星上的速度要快得多。我们的新数据让我们能构建一种设想，在这一设想中，刚开始的
时候金星就像地球一样，这可能包括一个适合居住的环境，数十亿年前，后来演变成我们现在看到的
情形。”“金星快车”已证实，磁场的缺乏让金星易受太阳风的袭击，具有“剥离水”特性的太阳风
是将水分子一分为二并让水中必需的氢逃进太空的高速电离子流。地球上的海洋曾在诱捕二氧化碳作
为碳酸盐岩中发挥至关重要的作用，在金星上，二氧化碳已被释放进大气，引起一场失控的温室效应
，使得表面温度平均高达大约450摄氏度。泰勒教授表示，来自“金星快车”的这些最新成果刊登在《
自然》杂志上，它们表明，大气是一种汹涌的三维结构，从金星的赤道到两极可以被分成4个重要部分
。它们还显示，金星经历了闪电袭击，而且可能甚至比地球上的闪电袭击更频繁，这对金星大气的化
学成分有着重要的暗示。自1962年美国发射的第一颗探测器“水手-2”号(Mariner 2)以来，已有30多
艘宇宙飞船造访过金星。“金星快车”携带有科学仪器，负责监控一组现象，比如大气中富含水蒸汽
以及任何磁场的力量。其中最大的一个谜是金星是如何失去水的，尽管保护性磁场的缺乏暗示它与太
阳风有关。帕萨迪那加州理工学院的安德鲁-英格索尔说：“因为金星在许多方面接近地球，似乎这两
颗行星在开始时是一样的。金星肯定曾有过丰富的水资源，但不知为什么消失了。这种逃逸机制可能
与太阳风有关，这种源自太阳的电离子流将原子和离子剥离了大气。但详细情况是对立的[2]。”
“金星快车”已证实，磁场的缺乏让金星易受太阳风的袭击，具有“剥离水”特性的太阳风是将
水分子一分为二并让水中必需的氢逃进太空的高速电离子流。地球上的海洋曾在诱捕二氧化碳作为碳
酸盐岩中发挥至关重要的作用，在金星上，二氧化碳已被释放进大气，引起一场失控的温室效应，使
得表面温度平均高达大约450摄氏度。问题是，太阳风为什么只剥离氢而不剥离氧和碳？事实上，水星
和火星上的大气都非常稀薄，大气中的碳、氢、氧都被太阳风剥离掉了。
研究表明，太阳风不仅使彗星产生彗尾和地磁场产生磁尾，而且使行星产生“气尾”。彗星的物质损
失和行星的大气损失同样起源于太阳风的作用。由于地球磁场可以使地球大气免受太阳风的直接轰击
，因而地磁场对地球大气有保护作用。就行星大气散失速度的变化快慢而言，地磁场的强度变化和地
球轨道偏心率的变化是至关重要的[3]。
美国“机遇”号火星车2004年的探测结果显示，现在干燥寒冷的火星，历史上也许有过一番海涛
拍岸的景象，火星表面过去可能部分为咸海所覆盖。如此浩翰的大海现在究竟在哪里？这一番“沧海
桑田”的变化原因何在？日本科学家不断对此发表看法[4]。
火星的大海和大气为什么消失？
日本宇宙航空研究开发机构水谷仁教授认为，金星过去也曾有水，但由于它离太阳太近，及大气
中高浓度二氧化碳产生的温室效应，金星表面温度极高，水因此被全部蒸发，消失在茫茫的宇宙，而
火星水的消失好像和金星不太一样。磁场毁坏在火星水的消失中起到了巨大作用。在人类居住的地球
上，磁场好比盾牌，挡住了太阳向地球倾注的高能粒子，防止太阳风暴直接光临大气层和地面。现在
的火星虽然还有很强的磁场，但已经没有像地球这样的规模。火星磁场大概在30多亿年前伴随火星内
部的冷却凝固而逐渐被毁坏，使火星难以避免太阳风暴的全面袭击，大气中的水蒸气因此被分解为氢
和氧，消失在茫茫宇宙。原苏联“福波斯”2号探测器发现，在火星黑夜的一侧现在仍有大量氧气向宇
宙流失。科学家根据有关数据推测，过去火星的大气压曾是目前地球大气压的近3倍，而现在只有地球
的五十分之一。海水可以变成蒸汽，又可以分解为氢和氧。火星大气的消失过程是问题的关键。
彗星的质量如何逐渐消失？
彗星的轨道是扁长椭圆形、抛物线乃至双曲线。显然，沿抛物线或双曲线轨道运动的彗星是非周
期彗星，它们会一去不返、逃离太阳系。椭圆轨道偏心率很大的彗星，其公转周期也很长，要几百年
乃至几万年才回归太阳系一次，在人类文明史中只有短周期的彗星（公转周期小于200年）才被多次观
测到。
肉眼看见的亮彗星，可从形态特征上分为三部分：彗核、彗发、彗尾。彗星头部（彗头）中央的
亮点称为彗核。彗发是彗核周围延展相当大范围的朦胧大气。彗尾是从彗头往背向太阳方向延伸很长
的淡淡光带。一颗彗星在绕太阳公转中，其亮度和形态随它离太阳远近（日心距）而变化。当彗星离
太阳很远时（大于4天文单位），只是很暗的星点状，这主要是赤裸的彗核，或许还有未很好发育的彗
发。随着彗星走近太阳，亮度增强，到离太阳约3天文单位时，彗发开始发展，更近太阳时，彗发变大
变亮。到离太阳约1.5天文单位时，彗发的半径可达10一100万公里。再近太阳时彗发略变小些。彗星
过近日点后，随着它远离太阳，彗发也逐渐变小到消失。彗星从远处走到离太阳约2天文单位时，开始
生出彗尾。随着彗星走近太阳，彗尾变长变亮。彗星过近日点后，随着远离太阳，彗尾逐渐减小到消
失。彗尾最长时达上亿公里，个别彗星的彗尾长达3亿2千万公里，超过太阳到火星的距离。
究竟彗尾是怎样形成呢？17世纪时，牛顿认为彗尾是由于光的斥力作用，即太阳辐射压力。后来
发现太阳风是彗星产生彗尾的主要作用力。所谓太阳风就是太阳向外喷射出的高能粒子流，太阳风的
平均速度是每秒300～500千米，对彗星造成强大的推斥力。太阳辐射及太阳风就是促成彗尾形成的两
股原动力，所以彗尾要在彗星接近太阳时才出现，彗尾的方向永远背向太阳。当轨道偏心率极大的彗
星向太阳靠近时，太阳风和太阳辐射将彗发物质吹走，形成背光的彗尾；当彗星向离开太阳的方向运
动时，彗发和彗尾收缩。彗星每靠近太阳一次，就失掉相当大数量的质量，相当于彗星质量的0.1%到
1%。显而易见，短周期彗星的生命时期是短暂的。彗核表面物质在接近太阳时不断转变为彗发和彗尾
，被太阳风吹散到太空[5]。
行星的大气是如何消失的？
类比于彗星质量的消失，我们可以模拟出行星大气的消失过程。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”；当行星向离开太阳的方向
运动时，“气尾”收缩。行星每靠近太阳一次，就失掉相当大数量的大气质量。这是近日行星原始大
气完全丧失殆尽的原因，也是水星和火星的大气非常稀薄的原因。因为在近日行星中，水星与火星的
轨道偏心率最大，分别为0.206和0.093；而地球的偏心率较小，为0.017，金星的偏心率更小，为
0.007。显然，近日行星的大气密度与其轨道偏心率成反比。类比与彗星的大气散失，就可以解释为什
么近日行星中轨道偏心率大的行星大气散失的比较多，大气非常稀薄[6-12]。原苏联“福波斯”2号探
测器发现，在火星黑夜的一侧现在仍有大量氧气向宇宙流失[3，4]。这一事实证明了火星背光气尾的
存在。由以上推理可知，公转轨道偏心率很大的火星向太阳靠近的时候，背光“气尾”变长且质量损
失变大；远离太阳的时候，背光“气尾”变短且质量损失减少。
行星的轨道偏心率不是固定不变的。例如，地球的轨道偏心率有10万年的变化周期，最大值为
0.0607，最小值为0.0005。因此，在轨道偏心率最大时，地球大气散失较多，空气稀薄使保温性变差
，因而使降温幅度变得更大，这就使地球气候的近10万年变化周期表现得尤为明显。这意味着地球大
气的密度随地球轨道偏心率变大而变小，由此产生的氧气和臭氧的减少或消失可引发大规模的生物灭
绝。火星探测发现的过氧化氢表明太阳风的直接轰击可破坏臭氧。美国空间科学研究所的科学家们在
火星大气层中第一次发现了过氧化氢。科学家指出，这种化合物有剧毒，几乎可以导致任何生物死亡
，也许这就是造成火星大气及其表面没有任何生命迹象的原因。科学家指出，过氧化氢在火星大气中
的含量并不大，大概相当于地球大气中臭氧的含量。但是，过氧化氢却是造成火星大气充满二氧化碳
和一氧化碳的最主要原因。如果没有过氧化氢的话，火星大气中应该有至少10%的氧气[13]。
行星磁尾的形成和作用
地球有相当强烈的磁场，研究地球磁场的结果表明，围绕地球存在着一个地磁场，磁力线就从一
极出发通向另一极，磁针在地面上任何一点所指的方向，就是磁针所在地方那个地点的磁力线方向。
地球磁场受太阳风的强烈影响。太阳风是一种由太阳发出的高能带电粒子流。因为这些微粒带电，故
太阳风具有磁场。太阳风磁场对地球磁场产生一种作用，好像要把地球磁场从地球上吹走似的。在地
球的向日面，地球磁场被压缩，磁层顶到地心大约有10个地球半径的距离。在地球的背日面，地球的
磁场形成了一个磁尾。在该方向25个地球半径的地方仍可测到地球磁场。磁尾的长度大概绵延40个地
球半径左右。磁尾北部的磁力线指向地球，磁尾南部的磁力线则背向地球。磁尾内这两种磁性完全相
反的部分之间的界面称为中性面，中性面上的磁场强度几乎是微乎其微。
这样看来，太阳风不仅使彗星产生彗尾和地磁场产生磁尾，而且使行星产生“气尾”。彗星的物
质损失和行星的大气损失同样起源于太阳风的作用。由于地球磁场可以使地球大气免受太阳风的直接
轰击，因而地磁场对地球大气有保护作用[6-11]。就行星大气散失速度的变化快慢而言，地磁场的强
度变化和地球轨道偏心率的变化是至关重要的[14]。
科学家通过对欧洲“金星快车”探测器收集的资料进行的详细分析显示，常常被视为地球的“孪
生兄弟”的金星变得不适合生存，成为炙热的“炼狱”（457摄氏度左右），其实是因为一系列的偶然
事件。科学家已证实，金星和地球之间的相似之处被前者历史上的一次重大变化遮盖了，这次变化导
致了金星上海洋的消失，充斥着二氧化碳的大气和失控的温室效应，温室效应引起严重的全球变暖[1]
。这一推论难以成立。
金星浓密的大气与其公转轨道偏心率小相对应，天文条件决定了金星的大气状况，一系列的偶然
事件决定金星温室效应的观点不能成立。地球的偏心率较小，为0.017，金星的偏心率更小，为0.007
。在百年的尺度上，地球的大气不会重蹈金星大气的覆辙。
行星的轨道偏心率不是固定不变的。地球的轨道偏心率有10万年的变化周期，最大值为0.0607，
最小值为0.0005。因此，在轨道偏心率最大时，地球大气散失较多，空气稀薄使保温性变差，因而使
降温幅度变得更大，这就使地球气候的近10万年变化周期表现得尤为明显。这意味着地球大气的密度
随地球轨道偏心率变大而变小，由此产生的氧气和臭氧的减少或消失和气候变冷可引发大规模的生物
灭绝[3]。同样，地球大气的密度随地球轨道偏心率变小而变大，由此产生的温室气体积累和温室效应
，可能导致全球变暖。地史上10万年的冰期与间冰期的交替变换，反复重复着这一同样的过程。
帕萨迪那加州理工学院的安德鲁-英格索尔说：“因为金星在许多方面接近地球，似乎这两颗行星
在开始时是一样的。金星肯定曾有过丰富的水资源，但不知为什么消失了。这种逃逸机制可能与太阳
风有关，这种源自太阳的电离子流将原子和离子剥离了大气。但详细情况是对立的[2]。”这一评价是
比较客观的。金星浓密的大气与水资源的缺乏是两个对立的现象，难以用磁场较弱来解释。太阳风不
仅能剥离氢，也会剥离行星的所有大气。
创新要盯住国际科学前沿没有解决的问题，重复国外的研究结论绝不是创新，把国外的研究结果
当作一成不变的金科玉律，充其量不过是“科学买办”。
参考文献
1．任霄鹏。《自然》：金星“炼狱”源于失控的温室效应。 来源：科学网。发布时间：2007-11-29
）, 1999, （5）：58~59
7．杨学祥, 陈殿友. 火山活动与天文周期. 地质论评, 1999, 45（增刊）：33~42
8．杨学祥. 地磁层和大气层漏能效应. 中国学术期刊文摘, 1999, 5（9）：1170~1171
9．杨学祥, 陈殿友. 地磁场强度的轨道调制与自然灾害周期. 见：中国地球物理学会年刊2000. 武汉
：中国地质大学出版社, 2000. 307
10．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
11．Yang, Xuexiang, Chen Dianyou, Gao Yanwei, Su Hongliang and Yang Xiaoying, et al,
Geophysical and Chemical Evidence in the Depletion of Ozone. J. Geosci. Res. NE Asia,
1999, 2 (2): 121~133
12．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
https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-562198.html
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