太阳风造成南极极昼时的臭氧洞和北极极夜时的气尾

                  吉林大学：杨学祥，杨冬红

      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]。

       臭氧洞的存在和扩大与地球公转轨道有关

       1999年我们就撰文就指出，造成南极上空臭氧空洞的“罪魁祸首”是太阳风，而不是通常所认为人类使用的氟利昂。这一观点发表在今年5月份出版的《科学美国人》杂志中文版上。杨教授在论文中指出，有3个因素结合起来使南极臭氧层出现空洞：太阳风的压力使地球南极上空大气层变薄；处于开裂期的地球南半球由于火山爆发释放出大量有害气体破坏臭氧层；太阳高能粒子进入地球大气层后消耗了两极臭氧【5】。

       根据地球公转轨道，秋分（9月22-24日）到冬至（12月21-23日），南极的极昼使太阳辐射对南极最强，产生南极的臭氧洞（或臭氧稀薄区）；春分（3月20-22日）到夏至（6月21-22日，北极的极昼使太阳对北极辐射最强，易产生北极的臭氧洞（或臭氧稀薄区）。其中，2010年冰岛火山的异常喷发规模最大，火山灰集中在北极，降温和破坏臭氧的作用值得关注。由于地球近日点在1月3日或4日，远日点在7月2日或3日，这是南极比北极更容易出现臭氧洞的原因，也是臭氧洞季节性变化的原因。臭氧洞应该周期性地在南北两极轮流出现【5-7】。

图 1  太阳风压缩大气层背光流动形成两极地区极昼时臭氧洞（或臭氧稀薄区）和极夜时气尾

       据任振球的研究，木星、土星、天王星和海王星使地球冬至时的公转半径发生相当稳定的准周期变化，与全球尤其北半球气温变化的间隔60年振动相一致。在本世纪初的低温期和60~70年代相对偏冷期，当时（1901和1960年）地球冬至时的公转半径分别延长了94(相当于日地距离的0.6%)和57万km；在30~40年代和80年代后的暖期，地球冬至时的公转半径（1940和2000年）分别缩短了76和44万km。2000~2020年地球冬至时的公转半径由极小值变为极大值，他推测2020年前后全球气候将进入相对冷期。

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       这是2020年地球南北极都出罕见臭氧洞的天文原因。太阳风压缩大气层，背光方向形成气尾，向光方向形成臭氧洞（或臭氧稀薄区）。这是大气异常流动的结果。南极大陆沿海强烈的海洋西风漂流增强南极大气涡旋，增加南极臭氧洞的扩大。    

       两极臭氧洞首先是自然的产物。极夜和极昼的交替，极涡和低温条件，火山灰向极地的集中，臭氧洞在南北两极的轮换，都是自然规律运作的结果，远非人力所能控制。北半球大陆集中，人口稠密，如果《蒙特利尔议定书》的努力只是将臭氧洞从南极迁移到北极，这项成功究竟是福音还是灾难？

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

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