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美国宇航局揭晓火星大气谜团：火星轨道偏心率是关键
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美国宇航局揭晓火星大气谜团：火星轨道偏心率是关键
吉林大学：杨学祥，杨冬红
关键提示
波士顿大学行星科学家马吉德·马亚辛(Majd Mayyasi)虽未参与该项目，但他对于火星探索十分感兴趣，他说：“跨度16个地球年的火星勘测数据并非小数据，通过民众深入观察分析，相信未来不久会揭晓火星大气中间层成分，以及低大气层和高大气层中水和云层的特性，揭示它们是如何结合在一起的。”
马亚辛曾研究水如何从火星电离层逃逸至太空，目前他指出，水如何从表面传输至更高海拔位置的过程中，大气云层发挥着重要作用。
斯利夫斯基说：“这是火星大气层从远古温暖潮湿的星球演变成现今寒冷干燥环境的一个非常重要的环节，在民众科学家的帮助下，‘观云团队’希望在2023年初发布初步结果，一旦整个数据库被分析公布，他们将扩展此项工作，进而更全面描述整个星球上云层数量和气候模式，并且详细了解灰尘、水蒸汽和二氧化碳是如何在火星大气层中变迁移动的。”
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[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[1]。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[9]。
https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-934140.html
相关报道
美国宇航局众包“观云项目”，揭晓火星大气谜团！
2022年08月03日 11:54 新浪科技
美国宇航局“观云项目”要求民众在火星勘测轨道器采集的火星大气层图像中寻找类似的拱形特征，从而证明云层的存在。
新浪科技讯 北京时间8月3日上午消息，据报道，2020年底，行星科学家马雷克·斯利夫斯基(Marek Slipski)每天凝视计算机屏幕很长时间，他花费大量时间仔细研究火星大气层图像：放大、调整色彩对比度、增强图像亮度、调换图像区域颜色。据了解，斯利夫斯基是美国宇航局喷气推进实验室(JPL)一位资深博士后研究员，近年来他致力于搜寻火星云层特征，尽管他编写了一个算法用于完成火星云层勘测任务，但结果却喜忧参半，因此他只能使用肉眼观察图像数据。
令人意想不到的是，很快斯利夫斯基就收获颇丰，他发现每个火星云群的高度和亮度均有差异，斯科夫斯基说：“我观察了大约一个星期，当时的反应是：好吧，这得多花点时间，回想当时的情景，如果有人帮忙就好了！”
巧合的是，美国宇航局刚呼吁民众踊跃参加“公民科学种子基金项目”，这将给太空爱好者们一个参与顶尖研究的机会，斯科夫斯基和阿明·克雷恩博赫(Armin Kleinbohl)立即开始起草一份提案——勘测识别火星大气中间云层。云层漂浮在距离火星表面50-80公里高处，从火星气候探测器的观测数据中可以看到，环绕火星的勘测仪器能测量火星云层温度、冰和尘埃含量。
经过数周的贝塔测试，6月底名为“观测火星云层”的项目在“宇宙动物园”平台上启动，该平台上有数百个民众项目，大约有2600位志愿者加入其中，他们在论坛上自我介绍，并钻研分析气候探测仪绘制的不同高度、位置和一天中不同时间段的火星大气图像。志愿者仅需要一台电脑和互联网接入就可以投稿，因为数据是通过浏览器内嵌的可视化工具进行查看，该工具还附带一个快速上手的可选教程。
6月底名为“观测火星云层”的项目在“宇宙动物园”平台上启动，该平台上有数百个民众项目，大约有2600位志愿者加入其中，他们在论坛上自我介绍，并钻研分析气候探测仪绘制的不同高度、位置和一天中不同时间段的火星大气图像。
组成“观云小组”的5位研究人员希望该项工作能够揭示火星全球天气模式，以及为什么火星大气层比地球大气层更稀薄，甚至帮助我们理解曾经存在于火星表面的液态水是如何逃逸到太空。“观云小组”副首席研究员克雷恩博赫说：“我们通过‘公民科学种子基金项目’获得的气候学数据将比迄今所有火星大气勘测数据更加全面。”
克雷恩博赫对火星云层的形成过程很感兴趣，火星云层主要是由二氧化碳(干冰)或者水冰组成，含二氧化碳成分较高的云层将有助于揭示火星大气结构和动力学，以及导致极低温的条件，因为固态二氧化碳的凝结温度通常比火星大气的凝结温度更低；而含水冰成分较高的云层可能会告诉我们水蒸汽的存在，以及可能负责将水蒸汽运输到高海拔区域的过程。
火星气候探测仪是火星勘测轨道飞行器装载的6个仪器之一，该飞行器自2006年以来一直环绕火星运行，它配备了9个频道，每个频道都调谐到不同波长可见光或得红外光，并绘制出火星表面至80公里高空范围内的热辐射图。虽然该气候探测仪不是专门设计用于研究大气活动，但是执行任务的科学家们立即注意到热辐射图中突出拱形特征暗示着火星云层的存在。他们发现这些拱形特征是由于航天器沿着火星轨道运行时，云层和红外传感器之间角度发生变化导致的，当探测仪靠近云层时，云层似乎更接近地面(这类似于我们观察地球自转时，太阳在天空中以一个明显的拱形结构升起和落下)。因此，拱形特征的最高点代表了火星云层距离表面的真实最大高度。
在这项“观云项目”中，公民科学家使用一种点击工具来识别在不同高度和时间的气候探测仪热辐射图中找到的任何拱形峰值，每张图像显示在4个不同帧中(原始帧和其他三个不同对比度和亮度的帧)。同时，他们还可以改变颜色来发现颜色特别暗淡的拱形峰值，或许这是人为操作失误所致，毕竟不同用户对相同图像标记完成之前，他们的认知度存在一定差异性。
据悉，斯利夫斯基和克雷恩博赫在“观云网站(Cloudspotting)”上传大约4个半月的火星大气图像，预计人们需要几个月的时间来解读，克雷恩博赫说：“观云项目对于深入分析火星大气层具有重要意义，远超出我们之前的预期，在短短几周内，公民科学家仔细检查了6000多张火星图像(超过12万种图像分类)，平均每张照片中可发现3-4朵云。”
事实上，动员民众分析海量数据集并非什么新鲜事，之前科学家曾使用“宇宙动物园”平台对太空照片进行分类，实现地球降雨数字化记录等，这是一种有利的研究方法，它涉及到寻找计算机系统无法识别、且过于隐蔽和复杂的天文学特征。美国哈弗福德学院天文学家凯伦·马斯特斯(Karen Masters)是“宇宙动物园”项目的首席研究员，她说：“人类已进化了几千年时间，在模式识别和过滤无关信息方面非常擅长，人们的识别能力超越计算机还是相对容易的，但是与民众合作也存在着一定挑战性，即如何让大家对该项目感兴趣，并保持热度。”
据悉，为了让更多民众参与“观云项目”，研究团队在论坛上保持高度活跃性：和参与者一起解决问题，对民众发现的任何拱形特征进行回应和分析，并延伸展开关于火星科学的讨论，例如：一位项目参与者提问：如何识别火星大气拱形特征，以及如何帮助未来载人飞船在火星大气层中航行？7月15日，斯利夫斯基召开了一个网络研讨会，让民众科学家有机会与研究团队见面，研讨会上他明确表示，探测器飞进含水冰较高的火星大气层是不可以的！
观云研究小组并不指望参与者能够获取来自气候探测器的所有数据，这些数据是在8个火星年中采集的(大约相当于16个地球年)，一旦分析了具有代表性的几年勘测数据，斯利夫斯基希望能使用云特征来匹配自己的算法，从而获得更可靠的结果。最终，这将提供一个最全面、长期的勘测数据库，科学家可以利用数据库相关资料更深入地洞察火星大气层远古时期和当前的状况。
波士顿大学行星科学家马吉德·马亚辛(Majd Mayyasi)虽未参与该项目，但他对于火星探索十分感兴趣，他说：“跨度16个地球年的火星勘测数据并非小数据，通过民众深入观察分析，相信未来不久会揭晓火星大气中间层成分，以及低大气层和高大气层中水和云层的特性，揭示它们是如何结合在一起的。”
马亚辛曾研究水如何从火星电离层逃逸至太空，目前他指出，水如何从表面传输至更高海拔位置的过程中，大气云层发挥着重要作用。
斯利夫斯基说：“这是火星大气层从远古温暖潮湿的星球演变成现今寒冷干燥环境的一个非常重要的环节，在民众科学家的帮助下，‘观云团队’希望在2023年初发布初步结果，一旦整个数据库被分析公布，他们将扩展此项工作，进而更全面描述整个星球上云层数量和气候模式，并且详细了解灰尘、水蒸汽和二氧化碳是如何在火星大气层中变迁移动的。”
然而，当前仍有大量数据需要深入分析，据悉，两周前观云团队发布了第二批火星图像，大约12000张，相当于8个地球月的大气层勘测数据，供民众科学家继续分类。
预计公民科学项目在未来两年内仍保持一定的活跃度，火星气候探测器在2022年底(或许更长时间，如果美国宇航局决定延长该探测器勘测任务)将持续发送火星大气层勘测图像，克雷恩博赫说：“我希望能够积累更多火星年的勘测数据，希望一直到十年结束，从而建立一个确定、详细的火星大气气候学理论。”
发现火星大气层消失之谜 
精选
郑永春
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发现火星大气层消失之谜
一、据说又是重大发现
北京时间11月6日凌晨3点，美国东部时间11月5日下午2点，美国航空航天局通过NASA电视台(NASA TV)在其华盛顿总部的詹姆斯·韦伯礼堂举行新闻发布会，介绍马文号探测火星大气的重要发现。
火星和地球一样曾经有过浓厚的大气层，火星大气层是如何消失的？这一问题现在有了较强的证据支持
参加新闻发布的科学家包括：NASA火星探索项目首席科学家迈克尔·迈耶、马文号首席科学家布鲁斯·亚科斯基(Bruce M. Jakosky，科罗拉多大学波尔得分校大气与空间物理实验室)、马文号太阳风离子分析仪责任科学家贾斯彭·赫拉卡斯(爱荷华大学)、马文号科学家团队成员、华人科学家董亚雪(科罗拉多大学大气与空间物理实验室)、马文号合作研究员大卫·布雷恩(科罗拉多大学大气与空间物理实验室)。新闻发布会给现场记者安排了简短的问答环节，感兴趣公众也可以通过电话连线或NASA社交账号参与互动。
马文号(MAVEN)是火星大气与挥发分演化探测器的英文缩写，是第一颗专门研究火星高层大气的探测器，目的是回答火星大气消失的原因。2013年11月19日发射，2014年9月22日进入环绕火星的椭圆轨道。目前已在轨探测一年多，在火星北半球发现了紫外线极光，并在高层大气中探测到神秘尘埃云。
太阳风吹走火星高层大气示意图
二、马文号究竟发现了什么
与NASA新闻发布会同步的是，著名科学期刊《Science》发表了马文号的四篇论文，以《马文号探测火星高层大气》（MAVEN Explores the Martian Upper Atmosphere)专刊的形式在线发表。地球物理研究快报也有相关的文章报道研究成果。这些研究成果成为今天新闻发布会的主要依据。
经过几十年的火星探测，包括轨道器、着陆器和火星车的探测，火星探测的新发现不断冲击人类的想象力，给我们带来探索未知世界的惊喜。我们越是了解火星，就越可以发现火星内部、火星表面和火星大气之间的相互联系。火星是否具有适合人类移居的潜力?火星上是否存在大规模的水?火星气候是如何变迁的?回答这些问题的关键，是了解火星不同系统之间的相互关系随时间变化的历史。
之前的火星探测任务已经证明，火星曾经有过大规模的液态水，这要求火星有浓厚的二氧化碳大气层，以实现持有液态说所需要的温室效应。但大气层中的二氧化碳来自哪里?火星上的液态水来自哪里?我们在火星表面或一定深度都没有发现充足的含碳矿物，无法支持火星曾经浓厚二氧化碳被埋藏到了地下。然而，火星大气逃逸、消散到太空中可能是火星气候变化的主要原因。马文号通过测量火星高层大气与太阳和太阳风的相互作用，研究火星大气逃逸过程。
由于火星没有全球性的磁场，太阳风可以直接抵达火星，将火星高层大气中的带电离子驱赶走。而地球由于有磁场的保护，带电的太阳风离子无法直接抵达地球大气层，导致太阳风离子对地球和火星大气产生了不同的影响。马文号测量了火星大气中离子的总逃逸速率及其速率变化，探测结果发现，过去40亿年中，火星大气粒子逃逸对气候变迁有巨大影响。
根据行星内部发电机理论，行星磁场源自内部有电流的循环。行星内部有熔融的导电流体，才会有全球性行星磁场。由于火星体积较小，放射性元素含量较低，因此放射性衰变产生的热量较早衰竭，火星内部很早就已基本固结，所以火星没有全球性的偶极磁场，无法屏蔽带电的太阳风粒子。
全球性的偶极磁场保护了地球大气层
火星大气逃逸主要发生在三个区域：一是太阳风吹到火星背面，占大气逃逸总量的75%;二是极区上空，占大气逃逸总量的约25%;三是绕火星的延展云层，仅占大气逃逸总量的很小部分。
不仅太阳风，不时出现的太阳风暴产生的影响更为显著。尤其是在太阳系形成的早期，太阳风暴出现的几率更频繁。
当太阳风暴击中火星大气层时，大气逃逸速率将提高约10-20%。平均火星每秒约有100克的大气被吹走，相当于一个大面包的质量。
三、火星最近很忙，NASA要干大事
目前，火星轨道上共有5颗火星探测器正在工作，其中包括2001年发射的“奥德赛”号火星轨道器、2005年发射的“火星勘测轨道器”、2013年发射的马文号、欧空局2003年发射的“火星快车”轨道器、印度2013年发射曼加里安号。火星表面还有两辆火星车正在工作，分别是2003年发射的“机遇”号和2011年发射的好奇号。
与耗资26亿美元、研究火星表面地质和物质组成的好奇号火星车不同，马文号是第一颗探测火星高层的探测器，大部分时间停留在距离火星表面约150千米至6000千米间的椭圆轨道，并5次下降到距离火星表面125千米处，即火星高层大气的最下边界，获得不同高度的火星大气分析数据。而对火星大气的认识和了解将有助于人类未来登陆火星的计划。
虽然发射时间晚于2013年11月5日发射的印度曼加里安号火星探测器，但马文号于2014年9月22日进入火星轨道，比曼加里安号提前两天抵达火星。美国人一直对印度“抢先”发射的曼加里安号嗤之以鼻，他们认为，曼加里安号根本没法与好奇号、马文号相比。印度的火星探测在很大程度仅仅只是技术展示，说明印度有火星探测的能力，但其科学探测能力完全无法与先进的好奇号或马文号相提并论，也就是说，曼加里安号并不会有什么像样的科学成果，而只是一次技术验证。
7月，飞越冥王星，发现另一个地球;9月，发现火星现存液态水;11月，发现火星大气消失之谜，NASA今年真的很忙。特别是数次通过提前预告、渲染神秘气氛的方式，成功吸引了全球媒体的广泛关注。虽然此举有炒作嫌疑，但让更多的人关注太空、关注科学，无疑比娱乐恶搞、噱头营销要好得多。
火星是美国太阳系探测战略的核心。目前，火星探测的科学战略从早期的全球普查，逐渐聚焦到对重点地区开展精细探测;从火星找水逐步转到寻找生命信息。科学界越来越清晰地认识到，火星是人类面临重大灾难时最有可能去的避险地。火星上发现了三角洲、冲击扇、沟渠等大量流水侵蚀地貌;一些盆地与中国柴达木盆地中的干涸盐湖十分相似，说明火星上曾经发育过大型湖泊;2007年发射的凤凰号着陆器直接探测到了火星土壤中的水蒸气。这些证据表明，火星土壤就像青藏高原的冻土层一样，现在仍然含有水。
虽然有些力不从心，但NASA的雄心从未消退。它一心就想干一番大事业——实现人类登陆火星的梦想。在太阳系中，火星的自然环境与地球最相似，是唯一经改造后适合人类长期居住的天体。自9月28日NASA宣布在火星表面发现液态水后，更多迹象表明火星可能拥有适宜生命存在的环境。此次马文号对火星大气消失之谜的关键性发现将有助于进一步了解这颗神秘的红色行星，并为20年后实现人类首次登陆火星提供重要依据。
联系作者：zyc@nao.cas.cn
图片来自网络，仅供示意。
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我们发现，水星、金星、地球、火星的轨道偏心率分别为0.206、0.007、0.017、0.093，大气浓度分别为极其稀薄、浓密、标准、稀薄。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[17]。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。
参考文献
1． 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
行星的气尾：发现火星大气层消失之谜
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行星的气尾：发现火星大气层消失之谜
杨学祥，杨冬红
一、发现火星大气层消失之谜
据学者郑永春的博文，北京时间2015年11月6日凌晨3点，美国东部时间11月5日下午2点，美国航空航天局通过NASA电视台(NASA TV)在其华盛顿总部的詹姆斯•韦伯礼堂举行新闻发布会，介绍马文号探测火星大气的重要发现。
火星和地球一样曾经有过浓厚的大气层，火星大气层是如何消失的？这一问题现在有了较强的证据支持。
与NASA新闻发布会同步的是，著名科学期刊《Science》发表了马文号的四篇论文，以《马文号探测火星高层大气》（MAVEN Explores the Martian Upper Atmosphere)专刊的形式在线发表。地球物理研究快报也有相关的文章报道研究成果。这些研究成果成为今天新闻发布会的主要依据。
之前的火星探测任务已经证明，火星曾经有过大规模的液态水，这要求火星有浓厚的二氧化碳大气层，以实现持有液态说所需要的温室效应。但大气层中的二氧化碳来自哪里?火星上的液态水来自哪里?我们在火星表面或一定深度都没有发现充足的含碳矿物，无法支持火星曾经浓厚二氧化碳被埋藏到了地下。然而，火星大气逃逸、消散到太空中可能是火星气候变化的主要原因。马文号通过测量火星高层大气与太阳和太阳风的相互作用，研究火星大气逃逸过程。
太阳风吹走火星高层大气示意图
由于火星没有全球性的磁场，太阳风可以直接抵达火星，将火星高层大气中的带电离子驱赶走。而地球由于有磁场的保护，带电的太阳风离子无法直接抵达地球大气层，导致太阳风离子对地球和火星大气产生了不同的影响。马文号测量了火星大气中离子的总逃逸速率及其速率变化，探测结果发现，过去40亿年中，火星大气粒子逃逸对气候变迁有巨大影响。
根据行星内部发电机理论，行星磁场源自内部有电流的循环。行星内部有熔融的带电流体，才会有全球性行星磁场。由于火星体积较小，放射性元素含量较低，因此放射性衰变产生的热量较早衰竭，火星内部很早就已基本固结，所以火星没有全球性的偶极磁场，无法屏蔽带电的太阳风粒子。
火星大气逃逸主要发生在三个区域：一是太阳风吹到火星背面，占大气逃逸总量的75%;二是极区上空，占大气逃逸总量的约25%;三是绕火星的延展云层，仅占大气逃逸总量的很小部分。
不仅太阳风，不时出现的太阳风暴产生的影响更为显著。尤其是在太阳系形成的早期，太阳风暴出现的几率更频繁。
当太阳风暴击中火星大气层时，大气逃逸速率将提高约10-20%。平均火星每秒约有100克的大气被吹走，相当于一个大面包的质量。
http://blog.sciencenet.cn/blog-50811-933806.html
二、彗尾，磁尾和气尾
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[1]。
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。
我们在2004年和2006年分别指出，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。
NASA新闻发布会和著名科学期刊《Science》发表了马文号的四篇论文，提供了最新证据。
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[2]。
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[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[1]。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[9]。
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[9]。
http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-235439.html
http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-918589.html
http://www.envir.gov.cn/forum/20043755.htm
http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-918589.html
http://www.envir.gov.cn/forum/20054933.htm
三、行星大气消失速度与轨道偏心率有关：有关气候变化的课题
就行星大气散失速度的变化快慢而言，太阳风、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。
我们发现，水星、金星、地球、火星的轨道偏心率分别为0.206、0.007、0.017、0.093，大气浓度分别为极其稀薄、浓密、标准、稀薄。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[11]。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。
NASA新闻发布会和著名科学期刊《Science》发表了马文号的四篇论文，它们并非是火星大气层消失之谜的重大发现，而是提供了最新重要证据。
参考文献
1．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
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,1998。85-89
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, 1999,5（9）：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,2000,20（3）：39~48
8． Yang, Xuexiang, Chen Dianyou, Gao Yanwei, SuHongliang and YangXiaoying, et al, Geophysical and Chemical Evidence in the Depletion of Ozone.J. Geosci.Res. NE Asia, 1999, 2 (2): 121~133
9．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
10．杨学祥。星空探秘释疑：彗尾、磁尾与“气尾”。5-26光明网论文发表交流中心。
http://www.gmw.cn/03pindao/lunwen/show.asp?id=169
11. 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
https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-934140.html
https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1349879.html
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