全球变化- 杨学祥工作室分享 http://blog.sciencenet.cn/u/杨学祥 吉林大学地球探测科学与技术学院退休教授,从事全球变化研究。

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行星的尾巴有长有短:行星的气尾早有预测

已有 2405 次阅读 2013-6-4 17:00 |个人分类:科技点评|系统分类:观点评述| 行星, 彗星, 气尾, 彗尾, 轨道偏心率

                    行星的尾巴有长有短:行星的气尾早有预测

                                   杨学祥

 

天文观测中,长长的尾巴通常是彗星的标志。然而在火星与木星之间的小行星带中,有颗小行星有长达百万公里的尾巴。

这颗名为P/2010 A2的小行星于2010年被发现,直径约150米,尾巴长度达100万公里,相当于地球和月球距离的3倍。由于小行星通常没有尾巴,研究人员最初误认它是一颗彗星。

研究人员借助哈勃太空望远镜后续观测发现,这颗小行星的尾巴不像彗星尾巴由冰和灰尘构成,其主要成分是砾石和灰尘,并且在小行星带中运行,因此最终确认它是一颗小行星。

科学家推测,小行星形成长尾巴,原因可能是另一颗直径35米的小行星砸入P/2010 A2的内核,导致大量砾石和灰尘散出;也可能是小行星自转加快,导致内部分裂散发出大量物质。

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2013/6/278668.shtm

 

事实上,早在2006年我们就从理论上预测行星应该有一个气尾,其长短取决于行星公转轨道的偏心率,它表明行星大气的逃逸强度,与地球的冰期密切相关。

20世纪最大的科学成就就是确认了米兰科维奇的天文冰期理论:全球气候和冰期间冰期转换具有2410万年的地球轨道周期,分别为近日点进动周期、黄赤交角周期和地球轨道偏心率变化周期[

金星有浓密的以CO2为主的大气层,其表面高温被认为是温室效应的证据,实际上,更主要的原因是轨道偏心率。我们发现,水星、火星、地球、金星的轨道偏心率分别为0.2060.0930.0170.007,大气浓度分别为极其稀薄、稀薄、标准、浓密。两者成反比的原因是,较大的轨道偏心率使行星在接近太阳时像彗星一样丢失一部分大气。地球轨道偏心率在冰期时增大为0.0607,使大气浓度和二氧化碳浓度变低,降低了对地球表面的保温作用,导致10万年周期致冷作用的增强。由于地球轨道偏心率10万年周期项振幅不到近日点进动2万年周期项振幅的一半,其引起10万年冰期周期的作用受到质疑。大气浓度变化、地壳均衡运动和强潮汐变化三种作用能增强10万年周期作用,给出10万年冰期周期的合理解释。

 

彗星的彗尾是怎样形成呢?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300500千米,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%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[2]

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0.2060.093;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。

 

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。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。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-428706.html

总之,行星的大气圈不是标准的球壳,在太阳风的作用下存在一个类似彗星彗尾的气尾,长短取决于行星轨道的偏心率,较短的气尾不易被发现。

这颗名为P/2010 A2的小行星于2010年被发现,直径约150米,尾巴长度达100万公里,相当于地球和月球距离的3倍。由此可以推测,其轨道偏心率比普通小行星大很多,类似彗星的轨道偏心率,所以初期被误认为是彗星。

 

参考文献

 

杨冬红, 杨学祥, . 20041226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:

 

天文观测发现小行星也有“长尾巴”

 

作者:林小春来源:新华网发布时间:2013-6-4 13:36:53

 

天文观测中,长长的尾巴通常是彗星的标志。然而在火星与木星之间的小行星带中,有颗小行星有长达百万公里的尾巴。

这颗名为P/2010 A2的小行星于2010年被发现,直径约150米,尾巴长度达100万公里,相当于地球和月球距离的3倍。由于小行星通常没有尾巴,研究人员最初误认它是一颗彗星。

研究人员借助哈勃太空望远镜后续观测发现,这颗小行星的尾巴不像彗星尾巴由冰和灰尘构成,其主要成分是砾石和灰尘,并且在小行星带中运行,因此最终确认它是一颗小行星。

研究人员拉贾戈帕63日在一份声明中说:“在此前对该小行星的观测中,其尾巴长度超出普通望远镜窄小的视场,于是我们使用广角成像器拍摄超高质量图像,让我们极其意外的是,其长度甚至超出了广角成像器视场。”

科学家推测,小行星形成长尾巴,原因可能是另一颗直径35米的小行星砸入P/2010 A2的内核,导致大量砾石和灰尘散出;也可能是小行星自转加快,导致内部分裂散发出大量物质。

 

美国红轨道网站相关报道(英文)

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2013/6/278668.shtm

 

抢救文献:专家观点仅仅是某专业的观点——大气的气尾(重发)

已有 553 次阅读2011-4-1 13:52|个人分类:备忘录|系统分类:观点评述|关键词:磁尾 气尾 彗尾

这是2004年发表的博客,已被有些网站删除,转发至此,以备引用,尚有网站可证明。

 

透过专家看世界:专家观点仅仅是某专业的观点

                                  杨学祥

 

 要: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。地磁场减弱可导致太阳风侵袭地表和大气逃逸。这对生物而言,无疑是一场灾难。对自然界,全球5摄氏度的平均温差,可导致冰期与间冰期的更迭;对于局部地区昼夜温差而言,5摄氏度的变化人们习以为常。忽视局部变化与全球变化的区别,实质是忽略了能量量级的区别:全球平均温度升高5度与局部地区平均温度升高5度所需能量是不可比拟的。

关键词:地磁反向,太阳风,彗尾,磁尾,气尾,地球轨道

 

瞎子摸象的寓言人人皆知。对于未知领域,人们的研究方法并不比瞎子摸象强多少:不同的专家以不同专业的知识观察同一事物的不同侧面,片面性在所难免。综合不同专家的全部观点,去粗取精,去伪存真,由此及彼,由表及里,才能得到一个真实的事物全貌。这也是兼听则明,偏信则暗的道理。

 

1  中国地震局专家认为地磁倒转对人类危害不大

 

421,北京科技报发表了《科学家担心南北极磁极倒转》一文,引述了国外专家的研究成果,提出如果南北磁极倒转将给地球生物带来巨大灾难。近日本报记者专程走访了中国地震局有关专家,他们却表达了截然不同的观点。

 

  美国《科学》杂志一篇最新的文章提出:最近150年来,地球南北极所产生的磁场,正持续地急剧衰减,如果以这种速率发展下去,地磁场将在下个千年的某个时期彻底消失。

 

  假如地球的磁场真的消失意味着什么?其对地球的影响绝不仅仅是指南针不能指南那样简单。一些外国科学家们严肃地指出:如果地球失去了地磁保护伞,高能宇宙粒子和太阳粒子将毁坏人造卫星,与人类息息相关的事物将暴露在致命的宇宙辐射之下。

 

  所幸更多的专家认为地磁场并不会真正消失,地球磁场的衰减只是地球南北两个磁极倒转中的过渡而已。有专家指出,在过去的5亿年中,地球发生过数百次这种所谓的地磁极性倒转。你也许会问:在由陆地和海洋组成的地球表面,怎么会有磁场?如果在下个千年遇到了磁场倒转,人类真的会有大劫难吗?

 

  中国地震局地球物理研究所地磁教研室副主任詹志佳研究员指出:1900年到2000年的一百年间,地球南北极的磁场一直在衰减。2000年后的趋势,表面上看起来是可以预测。但前百年的下降曲线并不是直线,下降的速率也并不只一个,时快时慢。自然也存在曲线探底后,在三年五年以后慢慢上升的可能。现在计算机可以用一些模型来模拟磁场变化。有些假设对过去的情况是成立的,对以后是否成立有待研究。《科学》杂志上的结论也只是基于历史经验和现在电脑模拟研究后的推测。

 

  地球磁场倒转究竟会给人类的生活和周围的环境带来怎样的影响?“上次地磁倒转是百万年前的事,所以没有历史记载。但从生物磁学上分析,生物在磁场中要受到磁场的约束。一些实验表明,磁场的强弱对某些生物的行为是有影响的。有些专家做过统计,地球磁场改变对心脏病有影响。地磁场变化期间,部分病人会有些烦躁。由此推测,地磁场倒转时,地磁的剧烈变化还是对人类有一定影响。”詹研究员如此解释。

 

  詹研究员说:“生物学家研究发现,可以远距离精确飞行的信鸽是靠地磁来辨别方向的,如果地磁场发生变动,一定会对其飞行路线有干扰。”

 

  他同时强调:“即使地磁发生倒转,也不可能出现灾难性的后果,不会发生人类不能生存这样的现象。现在宇航员已经置身地磁场外仍然活得很好,虽然他们受过专门的训练,但说明一个事实,人类在经过一定训练,脱离地磁场也一定可以生存。”

 

地磁场倒转后,其强度又是否会发生变化呢?詹研究员告诉记者:地磁的强度会有一定的变化,但没有必要担心,因为整个地球磁场是一个弱磁场,现在地表的磁场平均强度只有1高斯。一般地区又往往只有0.5 -0.6高斯。比如北京地区的地磁辐射就只有0.55高斯。而在一个普通磁铁旁边的辐射都有几个或几百高斯,电子加速器边的辐射是几兆高斯,甚至更强。当一个磁铁放在我们身边,也不觉得怎样。即使我们在辐射很大的加速器旁边,也没有明显感觉。所以地磁场这个弱磁场的变化不会给我们的生活带来大影响[1]

 

地磁强度的变动对人类本身的直接影响如上述所言,但其间接影响却远远出乎人们的意料。太阳风侵袭增强和地球大气逃逸增多是不能忽视的问题。

 

2  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10100万公里。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300500千米,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%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[2]

 

3  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0.2060.093;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[3-8]

 

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[9]。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[10]

 

4  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[3-8]。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[11]。地磁场减弱可导致太阳风侵袭地表和大气逃逸。这对生物而言,无疑是一场灾难。

 

对自然界,全球5摄氏度的平均温差,可导致冰期与间冰期的更迭;对于局部地区昼夜温差而言,5摄氏度的变化人们习以为常。忽视局部变化与全球变化的区别,实质是忽略了能量量级的区别:全球平均温度升高5度与局部地区平均温度升高5度所需能量是不可比拟的。

 

现在地表的磁场平均强度只有1高斯。一般地区又往往只有0.5 -0.6高斯。比如北京地区的地磁辐射就只有0.55高斯。而在一个普通磁铁旁边的辐射都有几个或几百高斯,电子加速器边的辐射是几兆高斯,甚至更强[1]。但是,人们可以制造出辐射为几兆高斯的电子加速器,却不能轻易地复制出平均强度只有1高斯的地球磁场。两者所需的能量是不可比拟的。人类不可能复制出一个适于人类生存的地球,这正是生态环境保护的全部意义。

 

美国“机遇”号火星车的最新探测结果显示,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?连日来,日本科学家不断对此发表看法[9]。火星有一个比地球弱得多的磁场,火星磁场减弱是不是沧海巨变的原因呢?

 

参考文献

 

1  作者:董毅然。中国地震局专家认为地磁倒转对人类危害不大。编辑:陈骞  来源:北京科技报。http://www.qianlong.com/2004-07-23 10:47:27http://tech.qianlong.com/28/2004/07/23/223@2178765.htm

2  杨学祥, 陈殿友. 地球差异旋转动力学,  长春:吉林大学出版社,199885-89

3  杨学祥, 陈殿友, 宋秀环. 太阳风、地球磁层与臭氧层空洞. 科学(Scientific American 中文版), 1999, 5):58~59

4  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

5  杨学祥. 地磁层和大气层漏能效应. 中国学术期刊文摘, 1999, 59):1170~1171

6  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

7  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,2000,203):39~48

8  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

9  何德功。火星上的水哪儿去了?磁场毁坏使"沧海""桑田"? http://news.tom.com 200403251306来源:新华网。http://news.tom.com/1003/20040325-777933.html

10              石头. 火星发现神秘剧毒物质揭开没有生命存在之谜?http://tech.tom.com  20040302 07:28http://tech.tom.com/1121/1122/200432-84310.html

11              杨学祥.轨道偏心率、臭氧洞、地磁强度与气候变化。光明观察。2004-3-16,总127期,http://www.gmw.com.cn/3_guancha/2004-3/16/1080001.htm

 

 

透过专家看世界:专家观点仅仅是某专业的观点

作 者:杨学祥  上传日期:2004-7-26

http://www.envir.gov.cn/forum/20043755.htm

 

本文引用地址:http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-428706.html

 



http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-696517.html

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1 钟炳

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