太阳风如何影响地球（2）：臭氧洞、磁尾、气尾、洋尾和内核南北震荡

                                                      杨学祥，杨冬红

      臭氧洞的存在和扩大与地球公转轨道有关 

    一年周期

南极臭氧洞（Antarctic ozone hole）是指南极上空出现的臭氧层空洞，由英国南极考察科学家在1985年首次报道发现。这里所指的空洞，并不是说整个臭氧层消失了，而是指大气中的臭氧含量减小到一定程度。

每年的8月下旬至9月下旬，在20千米高度的南极大陆上空，臭氧总量开始减少，10月初出现最大空洞，面积达2000多万平方千米，覆盖整个南极大陆及南美的南端，11月份臭氧才重新增加，空洞消失。

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。

       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。

      事实上，北半球也可能出现臭氧洞事件，历史上，北极在1997年、2011年和2020年都出现了较大规模的臭氧洞。

      地球南北极都出现过臭氧洞，证实了我们的理论。彗星的轨道是一个偏心率很大的椭圆，受太阳风压力作用，在近日点彗尾最长，在远日点彗尾最短。同样，地球轨道也是一个椭圆，在近日点气尾最长，在远日点气尾最短。这是南极臭氧洞比北极臭氧洞面积大，存在时间长的原因（见图1）。 

      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。

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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

      太阳风压缩大气层背光流动形成臭氧洞，由于科里奥利的作用，背光流动的大气将在极昼区产生极地涡旋，形成阻止含臭氧的大气进入极区的特殊表象。极涡的低压中心进一步加剧臭氧洞的扩大。

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       值得指出的是，两极的极昼对应两极的臭氧洞，两极的极夜对应两极的气尾和磁尾。中低纬的气尾和磁尾环绕地球旋转，扰动大气和海洋反复升降，控制全球气候变化和厄尔尼诺。

      太阳风和光压导致的地核的南北振动  

   太阳风压缩地球各圈层，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”，地核产生内磁尾，造成地球各圈层的相对运动。

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因为太阳风是一种等离子体，所以它也有磁场，太阳风磁场对地球磁场施加作用，好像要把地球磁场从地球上吹走似的。尽管这样，地球磁场仍有效地阻止了太阳风长驱直入。在地球磁场的反抗下，太阳风绕过地球磁场，继续向前运动，于是形成了一个被太阳风包围的、慧星状的地球磁场区域，这就是磁层。

在日地连心线向阳的一侧，磁层顶距地心约为10个地球半径。当太阳激烈活动时，则磁层顶被突然增强的太阳风压缩为6－7个地球半径。在日地连心线背阳的一侧，磁层形成一个圆柱状的长尾，即磁尾，圆柱半径约等于20个地球半径，其长度至少等于几百个地球半径。遥远看去，磁层好像彗星一样。

磁层由磁层顶、等离子体幔、磁尾、中性片、等离子体层 、等离子体片等组成 。在磁层顶外还存在磁鞘和弓激波。地球磁层始于距地面约1000千米处，向外延伸至磁层顶。磁层顶为磁层的外边界，向阳侧呈一椭球面，地球位于它的一个焦点上；背阳侧是略扁向外略张开的圆筒形，该圆筒所围成的空腔称磁尾。在平静的太阳风中，磁层顶在向阳侧距地心约为10个地球半径，在两极约为13～14个地球半径，在背阳侧最远处可达1000个地球半径。太阳激烈扰动时，导致太阳风密度和速度大为增大，磁层也随之大大被压缩，这时向阳侧的磁层顶可能离地心只有6～7个地球半每项。即使在太阳宁静时，地球轨道附近的太阳风平均速度也高达300～400千米/秒，当受到磁层阻挡时，在磁层的上游方向约几个地球半径处，形成一个相对磁层顶静止的弓激波与磁层顶之间的空间，形成磁鞘，其厚度为3～4个地球半径。

总之，太阳风可以压缩大气层、地磁层和地球各圈层，形成气尾、磁尾和地核内磁尾，导致地球各圈层的相对运动。

       黄赤交角是地球公转轨道所在的平面即黄道面与地球赤道面的交角。在每年6月20日左右的夏至，太阳光直射北回归线22.4度，光压导致地核向北半球移动；每年12月20日左右的冬至，太阳光直射南回归线22.4度，光压导致地核向南半球移动。这是地核南北震荡一年周期形成的原因。

       2021年6月21日为夏至，太阳光直射北回归线22.4度，光压导致内核向北半球移动，挤压外核、地幔和岩浆在北半球上涌，形成北半球火山活动强烈，地下流体喷发强烈，造成构造干旱、高温、山火等的强烈活动，。

图2 夏至和冬至时地球自转一周太阳潮汐高潮在南北回归线之间南北震荡两次

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太阳风压缩地球内磁层形成内磁尾和内核南北震荡 

      黄赤交角是地球公转轨道所在的平面即黄道面与地球赤道面的交角。在每年6月20日左右的夏至（地球公转轨道远日点），太阳光直射北回归线22.4度，北极为极昼，南极为极夜，光压和太阳风导致地壳和地幔向南半球移动，迫使内核向北半球移动；每年12月20日左右的冬至（地球公转轨道近日点），太阳光直射南回归线22.4度，北极为极夜，南极为极昼，光压和太阳风导致地壳和地幔向北半球移动，迫使内核向南半球移动。这是地球内核南北震荡一年周期形成的原因。

     由于太阳系轨道周期和地球轨道周期，地球内核振动具有1天、1月、1年、18.6年、29.8年周期，还有2、4、10、40、50000万年的南北方向振动周期以及1万多年和2亿多年的地核向心和离心振动周期。太阳风和太阳斥力是地核定向振动、大陆南北漂移和地球南北反对称分布的动力。

图3  太阳风和光压挤压地壳地幔和地球内磁层形成地球内磁尾（外核尾）以及相对地核、地壳和地幔背光旋转，摩擦生热维持磁场能量消耗。

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       同理，太阳风也压缩了地球的地磁层、海洋圈、液体外核，形成背光的外磁尾、海洋尾、内磁尾和内核的南北震荡。

       由于地球自转，除了两极地区外，地球背光的大气尾和海洋尾是绕固体地球由东向西旋转的。太阳风压缩大气圈和海洋圈因为7-9天周期的波动，会显著的影响赤道太平洋的气流和海流，进而控制厄尔尼诺指数变化。

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        2万年、4万年和10万年周期

        地球公转轨道存在近日点进动2万年周期（近地点在冬至、春分、夏至、秋分轮流迁移），黄赤交角变化4万年周期和公转轨道偏心率变化10万年周期，因此臭氧洞、气尾、洋尾、磁尾和内核南北震荡也存在2、4、10万年变化周期，与全球冰期一一对应。

我们在2006年撰文指出， 大气层对行星具有保温作用。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”；当行星向远离太阳的方向运动时，“气尾”收缩。行星每靠近太阳一次，就失掉相当多的大气质量。

我们在2006年发现，近日行星水星、火星、地球、金星的轨道偏心率分别为0.206、0.093、0.017、0.007，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。

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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。大气浓度变化能增强10万年周期作用，给出10万年冰期周期的合理解释。

事实上，近日行星中，水星与火星的公转轨道偏心率最大，分别为0.206和0.093，大气密度分别为极其稀薄和稀薄，表面温度也最低，水星平均地表温度为179℃（最高为427℃，最低为零下173℃，因为距离太阳最近），火星表面平均温度零下55℃。地球的偏心率为0.017，处于中等水平，大气密度标准，表面平均温度为15℃。金星的偏心率最小，为0.007，其表面的平均温度高达462°C，是太阳系中最热的行星。近日行星的数据表明，天文冰期理论得到精准的认证（近日行星公转轨道偏心率大时，大气稀薄，表面温度低）。

近日行星的大气密度与其轨道偏心率成反比，因此，近日行星中轨道偏心率大的行星大气散失比较多，大气非常稀薄。大气层可以保持地表的气温，大气的流失降低地表气温，这是10万年冰期周期与地球轨道偏心率10万年变化周期对应的原因，地球轨道偏心率变化范围为0.017~0.067，在偏心率极大值对应冰期的出现。

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根据米兰科维奇循环的天文冰期理论：火星目前处于轨道偏心率较大的大冰期时期，地球处于轨道偏心率较小的间冰期时期，金星处于轨道偏心率最小的极热期时期。

轨道偏心率较大的行星向太阳靠近时产生的大气丢失，是冰期产生的根本原因。大气稀薄不仅是气温低的原因，也是与冰期伴随的生物灭绝的原因。而地球公转轨道偏心率变化周期为10万年和41.3万年等，于0.005至0.058之间变化（见米兰科维奇循环）。

在近日行星中金星的轨道最接近圆形，偏心率最小，仅为0.006811。火星和地球10万年后也有可能变为金星目前状态，目前没有成为金星目前状态的可能。

火星的轨道偏心率最大，为0.093，地球的偏心率为0.017，金星的偏心率最小为0.007。在10万年的周期内，地球既不能变为金星，也不能变为火星，地球上的生命也不会完全灭绝。

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        3亿年周期：大陆集中在两极的动力

我们在1998年提出，太阳辐射和太阳风使彗星产生彗尾、地磁场产生磁尾，通过对地磁场的压缩也会产生液核磁流体的背光偏移形成内磁尾以及内核的向光振动。太阳系轨道周期和地球轨道周期使地球内核振动具有1天、1月、1年、18.6年、29.8年周期，还有2、4、10、40、50000万年的南北方向振动周期以及1万多年和2亿多年的地核向心和离心振动周期。

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图4 大冰期形成原因：太阳风迫使地核南北漂移，导致地幔对流使大陆在南北极集中和分裂，形成大冰期和温暖期的反复交替

根据地质和气象等综合数据，表2给出地球自转周期、地质旋回、气候变化和地磁变化的对应规律。特别值得指出的是，地壳相对地核自转减慢对应地磁反向，地壳相对地核自转加快对应地磁正向，这一现象的发现为地球各圈层差异旋转影响地磁反向提供了证据。

表1  地球自转周期、地质旋回、气候变化和地磁极性倒转

Table 2  Earth’s rotation periods, geological cycles and geomagnetic polarity reverse 

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理论模型研究和实际测量表明，地球内核自转较快，地壳和地幔自转较慢，形成地球内外圈层的差异旋转，核幔边界不仅是热交换边界，而且是圈层角动量交换的边界。圈层角动量使地壳和地幔自转变快，内核自转变慢，部分动能转化为热能积累在核幔边界。这是地球自转加速对应大规模热幔柱喷发的原因。

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        太阳风控制厄尔尼诺和拉尼娜发展的7-9天周期

      潮汐组合类型转换具有13.6天周期，即双周循环。除此之外，两周之内厄尔尼诺指数往往出现两个峰值和两个谷值，即次一级的7天周期。这一 周期在气温变化中也有明显的表现。

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       潮汐不仅有13.6天周期，而且存在7.1天和9.1天周期。1921年杜德生对月亮和太阳引潮力位进行了严格的调和级数展开，在展开中约有90项长周期成分。其中振幅超过这90项长周期振幅之和的0.5%的共有20个，在这20个中就有9天项和7天项。

       NASA的SABER卫星首次观测到因周期性的高速太阳风而产生的地球上层大气层的“呼吸”——一种膨胀和收缩的活动。根据美国最新的卫星观测结果，地球大气层正在有序地扩大和收缩，平均每九天就有一个周期！地球似乎在缓慢地呼吸，地球每天都在波动，在0.5到0.8米的范围内波动。

       随着太阳的27天的自转周期，这些太阳风通常以9天为周期冲击地球。高速太阳风有时候显示出的是七天的周期性。

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       对厄尔尼诺和拉尼娜有影响的因素有南极半岛海冰（周期性因素）、强潮汐南北震荡（周期性因素）、环太平洋地震带强震（突发性因素）、强潮汐组合和太阳风7-9天周期（周期性因素）。综合叠加结果决定厄尔尼诺指数的升降。

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         太阳风7-9天周期对厄尔尼诺影响在2023年7月最为显著，

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         值得关注的是，8月30日至9月1日最强潮汐组合的作用被太阳风7-9日上升期压制，类似情况8月已经出现多次。8月25日至9月1日厄尔尼诺指数太阳风7-9日周期非常显著。

     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。    

       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。

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       同理，太阳风也压缩了海洋圈，形成背光的海洋尾。

       由于地球自转，除了两极地区外，地球背光的大气尾和海洋尾是绕固体地球由东向西旋转的。太阳风压缩大气圈和海洋圈因为7-9天周期的波动，会显著的影响赤道太平洋的气流和海流，进而控制厄尔尼诺指数变化。

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杨正瓴教授的参考资料：

[1] 2022-12-24，古气候学/paleoclimatology/鹿化煜、王先彦，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=490703&Type=bkzyb&SubID=78204

   测年分辨率的提高以及古气候证据的增加，特别是冰芯和北大西洋海洋沉积物的古气候证据表明，10～100年尺度古气候变化的幅度和特征与现代观测到的气候变化有很大差别，而这种10～100年尺度的急剧气候变化可能对社会有重要的影响。古气候记录是检验预测模型能否模拟类似的未来变化的唯一手段。

   在古气候旋回变化中，存在显著的约10万、约4.1万和约2.3万年的周期，其中约4.1万年和约2.3万年的气候周期较为稳定，而约10万年的周期在最近约120万年中显著增强，指示了冰期气候的转型特征。在新生代更长的时间尺度，还存在着约40万年的周期，被称为“地球的心跳”，而约40万年周期在约120万年以来减弱，与约10万周期增强形成对照，可能是冰量增多调制气候变化的结果。

[2] 2023-08-16，古气候记录/paleoclimate record/吴乃琴，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=22256&Type=bkzyb&SubID=78200

   如贝加尔湖的沉积记录了1000多万年来的大陆气候变化历史；中国东北小龙湾玛珥湖的年纹层，记录了中全新世以来气候变化具有500年周期的规律。

   ⑥石笋沉积。可记录年际至百万年际的气候变化。因石笋记录精确的测年手段，使其成为古气候研究中具有最准确年代框架的记录之一。

[3] 2023-05-12，米兰科维奇理论/milankovitch theory/鹿化煜，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=480966&Type=bkzyb&SubID=78211

   10万年周期问题

   偏心率调控的太阳辐射量变化很小，但是，在很多地质记录中，约10万年的偏心率周期信号却很强，尤其是在约120万年以来明显超出了地轴倾斜度和岁差的周期信号。学术界对10万年周期背后的驱动力和在中更新世气候变化的主周期从4万年转变成10万年的原因展开了研究。

   关于10万年周期的解释主要有以下几个观点：①地球系统对偏心率调节的岁差变化的响应；②对地轴倾斜度变化的捆绑式响应；③对岁差和地轴倾斜度的联合响应，此外还有可能是系统内部的自振荡现象。

   关于气候变化的主周期为何会在80万～120万年期间发生转型，主流的观点认为中更新世转型是大气CO²浓度的降低，全球变冷背景下的系统内部反馈作用发生变化造成的，尤其是冰反馈作用，一方面当冰盖累积到一定程度，产生“过剩冰”（excess ice），

[4] 2023-03-16，米兰科维奇理论/Milankovitch theory/方修琦，中国大百科全书，第三版网络版[DB/OL]

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=633824&Type=bkzyb&SubID=248202

   传统的米兰科维奇理论也难以解释第四纪气候变化的若干重要现象：①古气候变化记录中以10万年为主要周期，但在地球参数变化此周期范围内所导致的辐射变化并不显著（10万年问题）。②最显著的冰期-间冰期转换发生在轨道参数变化很小的时期（11阶段问题）。③距今80万年前后气候变化的主周期由4.1万年变为10万年，但地球轨道参数并未发生变化（更新世晚期主周期转换问题），需要把轨道驱动与地球系统内部反馈机制结合起来考虑。

https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=107667&do=blog&id=1406540

参考文献

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29.   杨冬红, 杨学祥. 地球自转速度变化规律的研究和计算模型. 地球物理学进展, 2013，28（1）：58-70。

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