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