轨道偏心率、臭氧洞、地磁强度与气候变化

杨学祥

2004-3-16

据新华网2002年4月2日报道，日本政府系统的产业技术综合研究所日前发表新闻公报，称该所对２３０万年的海洋沉积物进行测定后认为，地磁在以１０万年为一个周期发生着变化。公报说，这些海洋沉积物是从新几内亚岛附近海底取出来的，长度达４２米。该所科学家山崎俊嗣等使用高灵敏度的磁强计对其中的微粒进行了测定，结果发现，地磁强度和磁倾角在以１０万年为一个周期发生着变化，这与地球公转的椭圆形轨道的变化周期及冰河期的变化周期相一致。据认为，这是沉积物中所含有的磁铁矿等的微粒受到了地球公转轨道变化及冰河期变化影响的结果[1]。这个结果进一步证明了米兰科维奇天文冰期理论。

米兰科维奇天文冰期理论           

地球上的冰体积具有近10万年的变化周期，并伴有近4万年和2万年的变化周期，它们是由于地球的轨道根数变化导致的气候变迁所致；不同的地球物理资料中均存在上述类似的变化周期，表明气候变迁所导致的变化是全球性效应，证实米兰柯维奇天文理论是基本正确的[2]。对古地磁场强度资料作小波分析，肯定古地磁场强度有10万年周期变化的存在，可能与地球轨道变化有关，与近10万年的气候变化周期同步，但存在1.8万年的相位滞后[3]。

根据米兰科维奇理论，由于地球轨道偏心率e的变化引起了太阳对地球日照率的变化，从而导致地球10-12万年周期的冰期变化，较大的e值对应冰期。然而，近年来有些科学家对此提出疑问[4-6]，近10万年周期项对地球接收太阳热辐射变化的影响小于近4.1万年项和近2万年项，但为何在几乎所有的地质资料中，近10万年变化周期却表现得尤为明显？其实，解释这个问题并不困难，只需从轨道偏心率与大气浓度的关系说起。 

行星表面的大气和海洋是固体星球的保温层，其流动性对调解星球白天与夜间、赤道与两极的温度变化起重要作用。特别是二氧化碳气体的温室效应，可阻挡地表热能向太空散失。例如，金星有浓密的以二氧化碳为主的大气，其表面温度为480摄氏度，是行星中最高的温度；水星的大气极其稀薄，其表面温度冷热不均，白天高达450摄氏度，夜间降低到-160摄氏度；火星大气也很稀薄，白天温度为30摄氏度，夜间为-130摄氏度。

为什么水星和火星的大气非常稀薄？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。经研究发现，彗星也有大气圈，即彗发和彗尾。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。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[7-12]。

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。强磁场阻挡太阳风，对大气有保护作用。这可能是强磁场与冰期有同一变化周期的原因。

臭氧空洞导致氧气泄漏

中新网2003年7月21日电 南非约翰内斯堡消息 地球的大气正在源源不断地从臭氧层上的空洞泄漏出去，如果大气泄漏保持现在的速度，那么地球上的全人类将在短短8年内由于窒息而缓慢、痛苦地死去——这个令人恐惧万分的消息是由一些南非顶尖的地球物理学家们发出的。他们认为，人类本身是造成这场生态浩劫的罪魁祸首。Iain van Wyck博士是一项关于大气平流层上部调查项目的首席研究员，他说：“人类污染造成了臭名昭著的温室效应，这一效应在地球的南北两极上各形成了一个巨大的臭氧层空洞。有害的紫外线辐射从臭氧层空洞里涌进大气层，所以到目前为止人类对此的注意力都集中在全球变暖问题上，但是没有人注意到什么东西正在从空洞里泄漏出去。”以Iain van Wyck博士为首的专家组动用卫星拍摄臭氧层空洞，照片清晰地显示出：每分钟都有几十亿个氧分子从空洞中逃逸到太空。科学家们说，几百万年前地球大气中并不含氧——而Iain van Wyck博士警告说，到2011年地球大气将恢复成几百万年前的状态。地球将变得和月球相似，不适宜生命存在。美国一些官方科学研究人员对Iain van Wyck博士的研究结论表示置疑，甚至有人嘲笑他是“咯咯乱叫着扰乱公众视听的小公鸡”[13]。

根据行星大气演化历史，在行星形成初期，原始大气成份以H和He为主，近日行星的原始大气逐渐被太阳风带走而丧失殆尽，第二代大气是由星球内部释放出来的，以二氧化碳为主。在有水存在的条件下，酸雨和光合作用把碳存储在碳酸盐中，把氧释放到大气中，使生命得以生存和发展。地球大气在不断的生成和散失，在动态变化中维持相对平衡。Iain van Wyck博士只看到大气散失的一方面，忽略了大气生成的另一方面。只有精确计算出大气生成量与散失量的差值，才能准确确定地球氧气完全散失的时间。目前我们对地球大气和氧气的生成速度一无所知，短短8年内氧气完全散失的结论缺乏科学根据。恐慌来自科学上的无知与偏见！

尽管如此，Iain van Wyck博士的发现仍然有重大的科学意义。臭氧洞加速氧气向太空的散失，可能为地史上几次大规模的生物灭绝提供一种成因机制。虽然短期内地球氧气不会骤然消失，但长期的加速散失可能产生具有真正意义上的生存威胁。地球大气圈的结构和变化受各种时空上的化学作用、生物作用和动力学作用等综合因素的控制。由下向上，同温层、散逸层、热大气层、电离层和磁层依次覆盖在对流层上部。同温层里有一层薄薄的臭氧层(臭氧是一种由3个氧原子组成的气体)，但就是这薄薄的臭氧层，像一道天然屏障，阻挡了太阳紫外线中的有害辐射，使地球生物免受伤害。同样，地磁层也是大气的一道天然屏障，阻止太阳风吹散地球大气。氧气的加速丧失不仅仅是臭氧洞的作用，而且与地球磁场的减弱和两极地磁消失密切相关。如果轻视Iain van Wyck博士的警告，在千年的范围内人类可能遇到真正的生存威胁。或许目前生物种群的高速灭绝不仅仅与人类的活动有关。

南极上空的臭氧层空洞正在北移

诺贝尔化学奖得主臭氧层研究专家克鲁岑称，在近20年来的夏季，南极上空的臭氧层空洞逐渐缩小，其影响面只有原先的30％。今年1月以来，南极上空的臭氧层空洞意外地全部消失，这是十分令人奇怪的，需要科学界深入探索其原因。他还说，最近一段时间，透过北移的臭氧层空洞危害智利中部和北部的强紫外线辐射有增无减，增加了当地居民在长期遭到烈日暴晒后使其皮肤受伤或患皮肤癌的危险。据这位介绍，目前科学界对南极上空臭氧层空洞北移问题有着不同的认知，但多数认为这是暂时的现象，以后还会逐步恢复原位。 

在问及南极上空臭氧层空洞的变化是否同厄尔尼诺现象有关时，表示，目前尚难得出任何结论，但它确实向科学界提出了需要把臭氧层空洞与气候变化联系起来研究的新的理论课题[14]。

据英国《泰晤士报》2003年1月12日报道，人造卫星收集的最新资料证明，地球磁场已出现数个大洞。科学家分析后认为，这标志着此前预测的南北两极大翻转即将开始。丹麦行星科学中心一个研究小组，近日详细分析了丹麦“阿斯泰兹”号人造卫星收集的最新资料，在对比新旧数据后惊讶地发现，地球两极的磁场正以惊人的速度变化着，南大西洋和北冰洋的磁场都出现了多个大洞。因此，这些科学家认为，南大西洋和北冰洋下方的液体金属地核(外核)可能出现了巨型涡流，从而影响了其上空的磁场。由于巨型涡流的力量足以逆转其他涡流的方向，因此极有可能令地磁场南北极就此开始大翻转[15]。

我们曾根据地球轨道周期预言臭氧洞在南北两极交替出现，证明地球磁场减弱和两极磁场消失是臭氧洞产生并增大的重要原因[7-12]。南大西洋和北冰洋的磁场都出现了多个大洞，这可能是臭氧洞北移的一个原因。南大西洋的磁场出现的大洞使臭氧洞北移，透过北移的臭氧层空洞，危害智利中部和北部的强紫外线辐射有增无减，增加了当地居民在长期遭到烈日暴晒后使其皮肤受伤或患皮肤癌的危险。臭氧层空洞的漏能效应使对流层变暖，平流层变冷，与全球气候变化密切相关[11]。

关注火星探测对地球的启示，警钟长鸣使我们更珍惜地球的生存环境！

参考文献

1.新华网. 日科学家发现地磁变化周期为10万年

http://www.edu.cn/20020402/3024090.shtml

2.杨志根. 地球轨道根数变化与第四纪冰期. 天文学进展. 2001 Vol.19 No.4 P.445-456

3.Yokoyama Y, Yamazaki T. Earth, Planet. Sci. Lett., 2000, 181(1-2): 7

4.Muller R A. Nature, 1995, 377:107

5.Quinn T R, Tremaine S, Duncan m et al. A. J., 1991, 101:2287

6.Tiedemann R, Sarnthein M, Shackleton N J. Paleoceanography, 1994, 9:619

7.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

8.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

9.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

10.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

11.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

12.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

13.天石/高路. 臭氧空洞致大气不断泄漏 八年内全人类恐窒息而死. http://news.tom.com 2003年07月21日09时56分. 来源:中国新闻网. 

http://news.tom.com/Archive/1003/2003/7/21-35788.html

14.尚科. 南极上空的臭氧层空洞正在北移. 2003-03-06 10:12:02.

http://database.cpst.net.cn/popul/focus/artic/30306101202.html 

15.马立涛. 南北极即将翻转吗？（1）. 2003-04-02 20:44:50 《科学大众》2003/2、3 

http://database.cpst.net.cn/popul/wides/artic/30402204450.html 

文章来源：作者赐稿

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《光明观察》

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