【地球磁氣圈是"汪洋大盜" 正偷走大氣層氣體】

方格

【地球磁氣圈是"汪洋大盜" 正偷走大氣層氣體】

 

據英國《新科學家雜誌》報道，科學家通常認為對地球具有防護屏作用的磁氣圈能夠保護地球大氣層，但最新研究顯示，地球磁氣圈卻暗地裡偷偷流失大氣層氣體。

   

地球的磁場區域被稱為磁氣圈，起到保護地球生物的作用，它可以阻擋來自太陽的帶電粒子流，有效地阻擋著太陽風的侵襲，可避免帶電粒子流將能量傳輸至大氣層中的氣體分子，從而使氣體分子無法逃離地球的重力牽引。

 

然而依據最新的研究結果，這可能僅是人們對地球磁氣圈的一半認識，瑞典基律納市瑞典太空物理研究中心的斯塔斯-芭拉芭什(Stas Barabash)稱，在極地區域，地球磁氣圈可能更加促進大氣層中氣體的流失。

 

據悉，芭拉芭什是歐洲宇航局金星探測計劃的首席調查員。

   

芭拉芭什認為金星從未有過磁氣圈，而火星的磁氣圈在35億年前出現了明顯損傷。

 

考慮到地球、火星和金星這3顆行星的不同質量、大氣層構成成分和它們與太陽的距離，芭拉芭什分別計算出了這3顆行星失去氧離子的速率。

 

他聚焦於氧離子是由於它們是這3顆行星電離層中存在數量最多的離子，同時，他發現地球損失氧離子的速率要比其他2顆行星快三倍。

   

芭拉芭什指出，行星的磁氣圈要遠大於該行星所在的大氣層，這意味著帶有磁場的行星將從太陽風中吸引更多的能量，這些額外能量將呈現漏斗狀朝向地球磁極，因此在地球極地上空電離層的分子能夠加速逃逸。

 

目前，他將這項研究報告發表在5月份荷蘭諾德韋克市召開的行星學對比研究國際會議上。

   

在此之前也有研究發現到這一點，歐洲宇航局恆星簇計劃中顯示地球極地每年逃逸的離子數量是其他太陽行星的兩倍。

 

當我們承受於低太陽活動狀態下，強烈的太陽風對於年輕的地球和火星形成早期大氣層扮演著重要角色。

 

芭拉芭什計算顯示，受磁氣圈影響，地球大氣層每年損失6萬噸氣體，而對比地球大氣層數千萬億噸的氣體總重量，這一損失量並不會對大氣層構成損害。  

 (來源：騰訊科技 悠悠/編譯)  http://qxg.com.cn/n/?fc=ndcid=510&nid=26863&types=510

 

星空探秘釋疑： 彗尾、磁尾與“氣尾”

                               

楊學祥

 

摘要：太陽風不僅使彗星產生彗尾和地磁場產生磁尾，而且使行星產生“氣尾”。彗星的物質損失和行星的大氣損失同樣起源於太陽風的作用。

 

由於地球磁場可以使地球大氣免受太陽風的直接轟擊，因而地磁場對地球大氣有保護作用。

 

就行星大氣散失速度的變化快慢而言，地磁場的強度變化和地球軌道偏心率的變化是至關重要的。

 

關鍵詞：彗尾，磁尾，“氣尾”，太陽風，地磁場變化。

 

美國“機遇”號火星車的最新探測結果顯示，現在乾燥寒冷的火星，歷史上也許有過一番海濤拍岸的景象，火星表面過去可能部分為咸海所覆蓋。

 

如此浩翰的大海現在究竟在哪裡？這一番“滄海桑田”的變化原因何在？

 

連日來，日本科學家不斷對此發表看法[1]。

 

火星的大海和大氣為什麼消失？

 

日本宇宙航空研究開發機構水谷仁教授認為，金星過去也曾有水，但由於它離太陽太近，及大氣中高濃度二氧化碳產生的溫室效應，金星表面溫度極高，水因此被全部蒸發，消失在茫茫的宇宙，而火星水的消失好像和金星不太一樣。

 

磁場毀壞在火星水的消失中起到了巨大作用。

 

在人類居住的地球上，磁場好比盾牌，擋住了太陽向地球傾注的高能粒子，防止太陽風暴直接光臨大氣層和地面。

 

現在的火星雖然還有很強的磁場，但已經沒有像地球這樣的規模。

 

火星磁場大概在30多億年前伴隨火星內部的冷卻凝固而逐漸被毀壞，使火星難以避免太陽風暴的全面襲擊，大氣中的水蒸氣因此被分解為氫和氧，消失在茫茫宇宙。

 

原蘇聯“福波斯”2號探測器發現，在火星黑夜的一側現在仍有大量氧氣向宇宙流失。

 

科學家根據有關數據推測，過去火星的大氣壓曾是目前地球大氣壓的近3倍，而現在只有地球的五十分之一。

 

海水可以變成蒸汽，又可以分解為氫和氧。火星大氣的消失過程是問題的關鍵。

 

彗星的質量如何逐漸消失？

 

彗星的軌道是扁長橢圓形、拋物線乃至雙曲線。

 

顯然，沿拋物線或雙曲線軌道運動的彗星是非週期彗星，它們會一去不返、逃離太陽系。

 

橢圓軌道偏心率很大的彗星，其公轉週期也很長，要幾百年乃至幾萬年才回歸太陽系一次，在人類文明史中只有短週期的彗星（公轉週期小於200年）才被多次觀測到。

 

肉眼看見的亮彗星，可從形態特徵上分為三部分：彗核、彗發、彗尾。彗星頭部（彗頭）中央的亮點稱為彗核。

 

彗發是彗核周圍延展相當大範圍的朦朧大氣。彗尾是從彗頭往背向太陽方向延伸很長的淡淡光帶。

 

一顆彗星在繞太陽公轉中，其亮度和形態隨它離太陽遠近（日心距）而變化。

 

當彗星離太陽很遠時（大於4天文單位），只是很暗的星點狀，這主要是赤裸的彗核，或許還有未很好發育的彗發。

 

隨著彗星走近太陽，亮度增強，到離太陽約3天文單位時，彗發開始發展，更近太陽時，彗發變大變亮。

 

到離太陽約1.5天文單位時，彗發的半徑可達10一100萬公里。

 

再近太陽時彗發略變小些。

 

彗星過近日點後，隨著它遠離太陽，彗發也逐漸變小到消失。

 

彗星從遠處走到離太陽約2天文單位時，開始生出彗尾。

 

隨著彗星走近太陽，彗尾變長變亮。

 

彗星過近日點後，隨著遠離太陽，彗尾逐漸減小到消失。

 

彗尾最長時達上億公里，個別彗星的彗尾長達3億2千萬公里，超過太陽到火星的距離。

 

究竟彗尾是怎樣形成呢？

 

17世紀時，牛頓認為彗尾是由於光的斥力作用，即太陽輻射壓力。

 

後來發現太陽風是彗星產生彗尾的主要作用力。

 

所謂太陽風就是太陽向外噴射出的高能粒子流，太陽風的平均速度是每秒300～500千米，對彗星造成強大的推斥力。

 

太陽輻射及太陽風就是促成彗尾形成的兩股原動力，所以彗尾要在彗星接近太陽時才出現，彗尾的方向永遠背向太陽。

 

當軌道偏心率極大的彗星向太陽靠近時，太陽風和太陽輻射將彗發物質吹走，形成背光的彗尾；

 

當彗星向離開太陽的方向運動時，彗發和彗尾收縮。

 

彗星每靠近太陽一次，就失掉相當大數量的質量，相當於彗星質量的0.1%到1%。

 

顯而易見，短週期彗星的生命時期是短暫的。

 

彗核表面物質在接近太陽時不斷轉變為彗發和彗尾，被太陽風吹散到太空[2]。

 

行星的大氣是如何消失的？

 

類比於彗星質量的消失，我們可以模擬出行星大氣的消失過程。

 

當軌道偏心率較大的行星向太陽靠近時，太陽風和太陽輻射將一部分大氣物質吹走，形成背光的“氣尾”；

 

當行星向離開太陽的方向運動時，“氣尾”收縮。

 

行星每靠近太陽一次，就失掉相當大數量的大氣質量。

 

這是近日行星原始大氣完全喪失殆盡的原因，也是水星和火星的大氣非常稀薄的原因。

 

因為在近日行星中，水星與火星的軌道偏心率最大，分別為0.206和0.093；而地球的偏心率較小，為0.017，金星的偏心率更小，為0.007。

 

顯然，近日行星的大氣密度與其軌道偏心率成反比。

 

類比與彗星的大氣散失，就可以解釋為什麼近日行星中軌道偏心率大的行星大氣散失的比較多，大氣非常稀薄[3-8]。

 

原蘇聯“福波斯”2號探測器發現，在火星黑夜的一側現在仍有大量氧氣向宇宙流失[1]。

 

這一事實證明了火星背光氣尾的存在。由以上推理可知，公轉軌道偏心率很大的火星向太陽靠近的時候，背光“氣尾”變長且質量損失變大；

 

遠離太陽的時候，背光“氣尾”變短且質量損失減少。

 

行星的軌道偏心率不是固定不變的。

 

例如，地球的軌道偏心率有10萬年的變化週期，最大值為0.0607，最小值為0.0005。

 

因此，在軌道偏心率最大時，地球大氣散失較多，空氣稀薄使保溫性變差，因而使降溫幅度變得更大，這就使地球氣候的近10萬年變化週期表現得尤為明顯。

 

這意味著地球大氣的密度隨地球軌道偏心率變大而變小，由此產生的氧氣和臭氧的減少或消失可引發大規模的生物滅絕。

 

火星探測發現的過氧化氫表明太陽風的直接轟擊可破壞臭氧。

 

美國空間科學研究所的科學家們在火星大氣層中第一次發現了過氧化氫。

 

科學家指出，這種化合物有劇毒，幾乎可以導致任何生物死亡，也許這就是造成火星大氣及其表面沒有任何生命跡象的原因。

 

科學家指出，過氧化氫在火星大氣中的含量並不大，大概相當於地球大氣中臭氧的含量。

 

但是，過氧化氫卻是造成火星大氣充滿二氧化碳和一氧化碳的最主要原因。

 

如果沒有過氧化氫的話，火星大氣中應該有至少10%的氧氣[9]。

 

行星磁尾的形成和作用

 

地球有相當強烈的磁場，研究地球磁場的結果表明，圍繞地球存在著一個地磁場，磁力線就從一極出發通向另一極，磁針在地面上任何一點所指的方向，就是磁針所在地方那個地點的磁力線方向。

 

地球磁場受太陽風的強烈影響。

 

太陽風是一種由太陽發出的高能帶電粒子流。

 

因為這些微粒帶電，故太陽風具有磁場。

 

太陽風磁場對地球磁場產生一種作用，好像要把地球磁場從地球上吹走似的。

 

在地球的向日面，地球磁場被壓縮，磁層頂到地心大約有10個地球半徑的距離。

 

在地球的背日面，地球的磁場形成了一個磁尾。

 

在該方向25個地球半徑的地方仍可測到地球磁場。

 

磁尾的長度大概綿延40個地球半徑左右。

 

磁尾北部的磁力線指向地球，磁尾南部的磁力線則背向地球。

 

磁尾內這兩種磁性完全相反的部分之間的介面稱為中性面，中性面上的磁場強度幾乎是微乎其微。

 

這樣看來，太陽風不僅使彗星產生彗尾和地磁場產生磁尾，而且使行星產生“氣尾”。

 

彗星的物質損失和行星的大氣損失同樣起源於太陽風的作用。

 

由於地球磁場可以使地球大氣免受太陽風的直接轟擊，因而地磁場對地球大氣有保護作用[3-8]。

 

就行星大氣散失速度的變化快慢而言，地磁場的強度變化和地球軌道偏心率的變化是至關重要的[9]。

 

參考文獻

 

1．  何德功。火星上的水哪兒去了?

 

磁場毀壞使"滄海"變"桑田"? http://news.tom.com

 

2004年03月25日13時06分 來源:新華網。http://news.tom.com/1003/20040325-777933.html

 

2．  楊學祥, 陳殿友. 地球差異旋轉動力學,  長春：吉林大學出版社,1998。85-89

 

3．  楊學祥, 陳殿友, 宋秀環. 太陽風、地球磁層與臭氧層空洞. 科學（Scientific American 中文版）, 1999, （5）：58~59

 

4．  楊學祥, 陳殿友. 火山活動與天文週期. 地質論評, 1999, 45（增刊）：33~42

 

5．  楊學祥. 地磁層和大氣層漏能效應. 中國學術期刊文摘, 1999, 5（9）：1170~1171

 

6．  楊學祥, 陳殿友. 地磁場強度的軌道調製與自然災害週期. 見：中國地球物理學會年刊2000. 武漢：中國地質大學出版社, 2000. 307

 

7．  楊學祥, 陳殿友. 構造形變、氣象災害與地球軌道的關係. 地殼形變與地震,2000,20（3）：39~48

 

8．  Yang, Xuexiang, Chen Dianyou, Gao Yanwei, Su Hongliang and Yang Xiaoying, et al, Geophysical and Chemical Evidence in the Depletion of Ozone. J. Geosci. Res. NE Asia , 1999, 2 (2): 121~133

 

9．  楊學祥. 軌道偏心率、臭氧洞、地磁強度與氣候變化。

 

光明觀察。2004-3-16，總127期 http://www.gmw.com.cn/3_guancha/2004-3/16/1080001.htm
 
 
引用：http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=235439