太阳时刻“蚕食”地球大气层：关键在地球公转轨道偏心率

                                    吉林大学：杨学祥，杨冬红

       科学家们在寻找地外宜居天体时，大气层就是重要的指标之一。经过长时间的探测我们发现，如果按照地球生命的标准来看，太阳系中的其他行星的大气层或厚或薄，并且不同天体的大气成分也往往不一致。

       太阳系中最有可能存在生命的行星火星，与地球有许多相似之处，例如体积与质量，还有四季更替等等。但火星的大气层则是十分稀薄，厚度还不及地球的百分之一。

       科学家认为火星的大气层是被太阳风长时间的肆虐，所以目前消散殆尽了。科学家发现，太阳风其实也一直在吹跑地球的大气，每年因此的损耗达到将近10万吨。那么长此以往下来，地球大气层是否也会因此变得越来越稀薄，最终和火星一样呢?

       我们的研究表明，太阳系中的其他行星的大气层或厚或薄，主要与太阳风和行星轨道偏心率两个因素有关。

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。

一个重要的结论是，如果行星公转轨道偏心率都发生周期性的转变，那么地球、火星和金星都会有适于生命生存的时期，也都会有不适于生命存在的时期，地球的冰期和生物大灭绝就是证明。

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 11:29:57。http://www.sciencenet.cn/htmlnews/20071129113356943195443.html?id=195443

2．杨孝文。探测显示温室效应失控导致金星成炼狱(组图)。2007年11月30日 07:20  新浪科技。http://tech.sina.com.cn/d/2007-11-30/07201883477.shtml

3．杨学祥。星空探秘释疑：彗尾、磁尾与“气尾”。 2004-5-26光明网论文发表交流中心。http://www.gmw.cn/03pindao/lunwen/show.asp?id=169

4．何德功。火星上的水哪儿去了?磁场毁坏使"沧海"变"桑田"? http://news.tom.com 2004年03月25日13时06分来源:新华网。http://news.tom.com/1003/20040325-777933.html

5．杨学祥, 陈殿友. 地球差异旋转动力学,  长春：吉林大学出版社,1998。85-89

6．杨学祥, 陈殿友, 宋秀环. 太阳风、地球磁层与臭氧层空洞. 科学（ScientificAmerican 中文版）, 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 YangXiaoying, et al, Geophysical and Chemical Evidence in the Depletion of Ozone.J. Geosci. Res. NEAsia, 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（3）：1023-1027

13．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 2004年03月02日07:28http://tech.tom.com/1121/1122/200432-84310.html

14．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

http://blog.sina.com.cn/s/blog_4ec3d95b01000d8f.html

参考文献（英汉对照）

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Yang D H,Yang X X. Relationship of frequent disasters with geomagnetic weakening (inChinese). Global Geology, 2011, 30(3):474~480

杨冬红, 杨学祥, 刘财. 2006. 2004年12月26日印尼地震海啸与全球低温. 地球物理学进展, 21(3): 1023~1027

Yang D H, Yang X X, Liu C. 2006. Global lowtemperature, earthquake and tsunami (Dec. 26, 2004) in Indonesia.Progress in Geophysics (in Chinese), 21(3): 1023~1072

杨冬红. 2009. 潮汐周期性及其在灾害预测中应用[D][博士论文].长春:吉林大学地球探测科学与技术学院.

Yang Dong-hong. 2009. Tidal Periodicity andits Application in Disasters Prediction[D]. [Ph. D. thesis]. Changchun：College of Geo-exploration Scienceand Technology, Jilin University.

杨冬红，杨德彬，杨学祥. 2011a. 地震和潮汐对气候波动变化的影响[J]. 地球物理学报， 54（4）：926-934

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http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1031596.html 

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太阳时刻“蚕食”地球大气层，是否威胁地球安全？

2020-11-14 05:05:41　来源: 于东涵说区块  

       科学家们在寻找地外宜居天体时，大气层就是重要的指标之一。经过长时间的探测我们发现，如果按照地球生命的标准来看，太阳系中的其他行星的大气层或厚或薄，并且不同天体的大气成分也往往不一致。所以只有地球这个幸运儿，才拥有最适合孕育生命的大气层。

       众所周知，大气层对地球人类的有利作用是毋庸置疑的。地球被称为“水球”，正是因为地球表面蒸发到大气中的气态水，通过下雨下雪等方式回到地面上，以此不断维护地球的水循环。

       大气层的第二个作用就是锁住地球生物产生的氧气，防止这些有用的氧无限制的逸散到太空中。不仅如此，大气层还能阻挡或削弱绝大部分对人类有害的宇宙射线和太阳紫外线，如果没有大气层，宇宙辐射将给人们带来巨大隐患，紫外线辐射变多则是会导致温度急剧上升。

       而太空中的小型天体撞击地球时，首先就需要经过50公里厚的致密大气层，经过大气的摩擦和削弱，陨石掉落在地球的威力也会大打折扣，否则小行星撞击地球可能将会直接撞碎地壳，从而引发全球性的灾难。

       太阳系中最有可能存在生命的行星火星，与地球有许多相似之处，例如体积与质量，还有四季更替等等。但火星的大气层则是十分稀薄，厚度还不及地球的百分之一。科学家认为火星的大气层是被太阳风长时间的肆虐，所以目前消散殆尽了。

       科学家发现，太阳风其实也一直在吹跑地球的大气，每年因此的损耗达到将近10万吨。那么长此以往下来，地球大气层是否也会因此变得越来越稀薄，最终和火星一样呢?

       科学家对此持乐观的态度，因为大气层的总质量达到约6000万亿吨，这个质量相当于5座喜马拉雅山脉。而且研究的结果表明，地球的磁场远远大于火星，磁场的作用下地球受太阳风的影响将会降低许多。而大气在被太阳风吹走的同时，也会在公转的太阳轨道上捕捉一些气体分子作为补充，而太阳风中的一些气体离子也会被地球大气层捕捉到。

       另外地球上制造气体的能力十分强劲，比如动物呼吸释放二氧化碳，植物光合作用产生氧气，还有其他形形色色的气体不断在产生，以此维持着大气层的平衡。

       即便如此，我们还不能掉以轻心，太阳活动虽然趋于稳定，但是还不能断定不会突然爆发。

https://www.163.com/dy/article/FRCB7IEC05373XKT.html