地球轨道周期形成臭氧洞：太阳风、极光、地球气尾和臭氧洞

                                                               吉林大学：杨学祥，杨冬红

关键提示

       太阳风是形成臭氧洞元凶的新证据：太阳风暴形成两极极光，极光消耗臭氧形成臭氧洞。

       据《中国日报》报道 英国研究人员日前表示，地球历史上出现的最大臭氧洞并非人类所为，而是2.51亿年前的一次火山爆发所“创造”的。根据科学家的计算，刺穿这个臭氧洞的紫外线强烈程度最高可达穿过人类使用氟利昂和其它化学物质制造的臭氧洞的紫外线的6倍。这些曾在二叠纪－三叠纪时代破坏臭氧层的化学物质，一旦停止“入侵”大气层，遭破坏的臭氧层大约需要10年时间才能得以恢复。与它相比，人类不过是向大气中排放的破坏臭氧层的化学物质的“作恶时间”更长一些。由英国谢菲尔德大学大卫·毕尔林教授领导的研究小组在《皇家学会哲学汇刊》上刊登了他们的发现。

       无独有偶，1999年我国吉林大学地球探测科学与技术学院杨学祥教授就指出，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；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。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】。

       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。

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1350328.html

  科学家发现北极光可消耗臭氧

  太阳风与地球磁层撞击形成极光。近期研究表明，极光可消耗臭氧，这证明了制造臭氧洞的元凶是太阳风。

  从地球的极地地区经常可以看到神奇的绿光，但这会导致中间层臭氧层消耗。这种消耗可能对全球气候变化具有重要意义，因此了解这一现象很重要。

  现在，由日本名古屋大学的 Yoshizumi Miyoshi 教授领导的一组科学家对这一现象进行了观察、分析并提供了更深入的见解。研究结果发表在《自然科学报告》上。

  在地球的磁层——地球周围的磁场区域——来自太阳的电子仍然被困住。电子和等离子体波之间的相互作用会导致被捕获的电子逃逸并进入地球的高层大气（热层）。这种称为电子沉淀的现象是产生极光的原因。但是，最近的研究表明，这也是造成中间层（低于热层）局部臭氧层消耗的原因，并可能对我们的气候产生一定影响。
  更重要的是，中间层的这种臭氧消耗可能特别发生在极光期间。虽然科学家们研究了与极光有关的电子降水，但没有人能够充分阐明它是如何导致中间层臭氧消耗的。
  三好教授及其团队在 2017 年斯堪的纳维亚半岛上空的中度地磁风暴期间借此机会改变了这一说法。他们将观测目标对准了“脉动极光”（PsA），一种微弱的极光。他们的观测是通过与欧洲非相干散射 (EISCAT) 雷达（发生 PsA 的 60 至 120 公里的高度）、日本航天器 Arase 和全天相机网络的协调实验成为可能的。
  Arase数据表明，地球磁层中被俘获的电子具有很宽的能量范围。它还表明在该空间区域存在合唱波，一种电磁等离子体波。计算机模拟结果显示，Arase 观测到等离子波导致这些电子在很宽的能量范围内沉淀，这与地球热层中的 EISCAT 观测结果一致。
  EISCAT 数据的分析表明，从几 keV（千电子伏）到 MeV（兆电子伏）的宽能量范围的电子会沉淀以引起 PsA。这些电子携带的能量足以穿透我们的大气层低于 100 公里，高达约 60 公里的高度，即中间层臭氧所在的位置。事实上，使用 EISCAT 数据的计算机模拟表明，这些电子在撞击中间层时会立即消耗中间层的局部臭氧（超过 10%）。
  Miyoshi 教授解释说，PsA 几乎每天都会发生，分布在大片区域，并持续数小时。因此，这些事件造成的臭氧消耗可能很严重。 谈到这些发现的更大意义，三好教授继续说道：这只是一个案例研究。需要进一步的统计研究来确认由于电子沉淀在中层大气中发生了多少臭氧破坏。毕竟，这种现象对气候的影响可能会影响现代生活。
原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_494592.html
来源：贤集网
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持续两天！一股“太阳风暴”5月19日来袭，NASA：将引发极光

2020-05-20 08:22:47　来源: 美好的时光  

在地球形成的45亿年的历史中，太阳起到推波助澜的作用，如果没有太阳强大的引力，那么也就不可能有地球目前稳定的行星环境，但是由于太阳是一颗巨大的火球，其强大的力量又无时不刻在影响太阳系内部的一切，这其中最令人谈虎色变的就是“太阳风暴”，它是一股强烈的伽马射线暴，正是它的作用，把曾经宜居的火星变成如今这幅模样，而我们的地球也在它的包围之中。

NASA的科学家预测，5月19日太阳风暴将袭击地球，可能引发北极光。太阳的大气层中出现了一个洞，允许太阳风的气流释放出来，就像散弹枪一样。太空气象学家预测，太阳风将在今天和5月20日袭击地球，这可能会留给北半球高层的极光，这些粒子目前正穿越1.5亿公里的旅程，从太阳到地球，预计将于5月19日到达地球。

确切地说，一小股太阳风预计将在5月19日和20日袭击地球磁场，这些气体物质是从太阳大气中的一个小洞中流出来的，地磁动荡可能引发极地极光。而我们所说的极光包括北极光和南极光，它们是由太阳粒子撞击大气层时产生的。当地球磁层受到太阳风的轰击时，极亮的蓝光就会出现，因为那层大气会使粒子偏转。然而，研究人员也注意到太阳风暴和太空天气的后果可能会超出北极光或南极光的范围。

在很大程度上，地球磁场保护人类免受来自太阳黑子的密集辐射，但太阳风暴可以影响基于地球卫星的技术。和微波炉的原理一样，太阳风可以加热地球的外层大气，使其膨胀，随着温度的升高，这可能会影响轨道上的卫星，可能会导致我们赖以生存的GPS导航、手机信号的故障。此外，粒子的激增会导致磁层中的高电流，这可能会导致电线中高于正常的电流，导致变压器和发电站爆炸和电力损失。

类似的事件很少发生，最严重的“太阳风暴”可以追溯到1859年，也就是现在所说的“卡灵顿事件”，当时的电力激增，其强度如此之大，以至于整个欧洲的电报系统都瘫痪了，更有甚者，一些建筑物由于电涌而起火。

然而，最近的科学研究发现，这些太阳风暴大约平均每25年发生一次，这意味着它早该出现。科学家研究分析了150年前的14个太阳活动周期，分析显示，在过去的150年里，有42年发生了“强”磁暴，并且有6年发生了“强”超级风暴。如果它撞上了地球，它可能会摧毁我们星球上的所有技术，所以现在的科学重点是预测超级太阳风暴发生的概率，以及如何预防它所造成的破坏。

作者：仰望星际

https://www.163.com/dy/article/FD2BOGNN0517PM4E.html

      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？

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1331029.html

参考文献

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周长庆，高景泰。我国科学家杨学祥提出新观点:臭氧空洞"元凶"是太阳风。科技文萃。 1999, (8)。http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_kjwc199908034.aspx

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1332336.html