地球大氣層的真相

李忠東

這幅藝術(shù)作品展示了一顆巖石行星正在被彗星轟擊的瞬間。

地冕觀測示意圖（未按比例繪制），圖中地球周圍的淺色區(qū)域?yàn)榈孛帷?/p>

最厚處達(dá)63萬千米

學(xué)術(shù)界對(duì)地球大氣層的定義一向有著諸多爭議，關(guān)于其厚度歷來說法不一。一般認(rèn)為，地球大氣層的厚度只有100千米左右，并且在地面以上50千米處，大氣層就很稀薄了。但是科學(xué)家在一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，地球大氣層最厚的地方竟然達(dá)到63萬千米，這意味著月球其實(shí)一直在地球的大氣層中運(yùn)行。這項(xiàng)研究所獲得的地冕數(shù)據(jù)來自太陽和太陽風(fēng)層探測器（SOHO）。地冕是以氫原子和氦原子為主要成分的地球高層大氣，因氫原子和氦原子發(fā)出微弱的輻射而得名，以電中性的氫原子為主要成分，是地球大氣逸散層的一部分。其中主要由原子氧和分子氮激發(fā)而生的白晝氣輝構(gòu)成的明亮新月形區(qū)稱作“內(nèi)地冕”，漫射輝光氫的激發(fā)氣體組成的灰白色帶為“外地冕”。

最新人造衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)揭示，地球大氣層受太陽磁場活動(dòng)影響，呈現(xiàn)出有節(jié)奏的膨脹和收縮“呼吸”，周期為9天時(shí)間。地球大氣層的這種“呼吸”反應(yīng)與太陽磁場活動(dòng)周期相協(xié)調(diào)，太陽磁場活動(dòng)周期為27天。

SOHO由歐洲航天局和美國宇航局共同研制，裝有12臺(tái)主要的科學(xué)儀器，每一臺(tái)都能夠獨(dú)立地觀察太陽或者太陽的某個(gè)局部。一些儀器上的觀察能夠以圖片的形式保存下來。它于1995年發(fā)射升空，繞太陽公轉(zhuǎn)，原計(jì)劃使用壽命是 3 年，但目前已在太空中工作了 20 多年，并且仍在運(yùn)行。SOHO上的2個(gè)傳感器也在不間斷地對(duì)地球進(jìn)行觀測，隨著探測器的移動(dòng)，大約 20 小時(shí)內(nèi)即可獲得整個(gè)天空的圖像，精確地測量來自地冕的光線。

地球大氣層頂端延伸到距離地表60多萬千米外的地方，足見地球引力有多么強(qiáng)大，可以捕獲地球附近的氣態(tài)分子，使地球軌道附近的氫離子團(tuán)等聚集于地球的周圍。地球的大氣層雖然很厚，但是外圍的氣體大部分都是氫離子云。由于太陽光壓的影響，地冕的形狀看起來有點(diǎn)像彗星的尾巴。在朝著太陽的一側(cè)，地冕層氫原子被陽光“壓縮”，距離地表 6 萬千米處，每立方厘米大約有 70 個(gè)原子。而在63萬千米的高度上每立方厘米平均僅有0.2個(gè)原子，比一般實(shí)驗(yàn)室中達(dá)到的真空狀態(tài)還要稀薄得多。在背對(duì)太陽的一側(cè)，氫原子的密度整體上要平均一些。

天文學(xué)家試圖用更加普適的標(biāo)準(zhǔn)來定義地球大氣層，然而地球的大氣層實(shí)際上比想象中更復(fù)雜。天文學(xué)家萊曼斯·皮策首次提出了“逸散層”的概念，指出如果不是因?yàn)檫@一層大氣溫度較高，使得較輕的氣體逃逸，那么地球大氣中的氦氣含量會(huì)比現(xiàn)實(shí)中要高得多。

日冕由很稀薄的完全電離的等離子體組成，溫度是太陽表面溫度的數(shù)百倍。

從國際空間站拍攝到的地球大氣層

填充地冕的氫原子來自地球大氣，由大氣中的水和甲烷通過光解離（分子吸收光子而發(fā)生解離）產(chǎn)生，通過擴(kuò)散作用向遠(yuǎn)離地表方向運(yùn)動(dòng)。到達(dá)逸散層底部時(shí)，氫原子沿著原運(yùn)動(dòng)軌跡向太空發(fā)射。速度大于逃逸速度的氫原子在雙曲線軌道上發(fā)射，永遠(yuǎn)離開了地球，速度小于逃逸速度的氫原子將返回到逸散層底部。留在地冕中的氫原子也不能無限累積，會(huì)通過太陽發(fā)出的極紫外輻射發(fā)生電離，并與朝地球飛來的太陽風(fēng)質(zhì)子進(jìn)行電荷交換。由于一部分氫原子離開了地球，留下來的氫原子壽命也比較短，因此限制了地冕的大小，使它無法無限延伸。

地冕中的氫元素會(huì)與來自太陽的遠(yuǎn)紫外線輻射相互作用發(fā)生散射而發(fā)光，在外太空中用航天器觀測地冕發(fā)出的光是測量地冕大小的直觀方法。地冕發(fā)射的譜線有好幾種，其中最強(qiáng)的譜線是萊曼-阿爾法輻射，研究人員主要通過它來檢測地冕。1972年，宇航員曾在“阿波羅16 號(hào)”飛船中首次拍攝到地冕層的圖像，但那一次是從月球軌道角度進(jìn)行拍攝的，當(dāng)時(shí)的宇航員可能并不知道其實(shí)自己并沒有飛出地冕。這項(xiàng)研究說明，地冕層也是一個(gè)紫外線輻射源，但是與太陽輻射源相比，地冕層發(fā)出的輻射微乎其微，對(duì)普通人或月球軌道上的宇航員沒什么影響。

形成過程漫長復(fù)雜

太陽系中大大小小的星球有幾百個(gè)，但是擁有大氣層的卻不多。其中，有些雖然有稀薄的大氣，但并未形成大氣層。月球由于質(zhì)量小產(chǎn)生不了足夠的引力，不能將氣體分子大量吸附在月球的表面，所以沒有大氣層。火星和金星雖然擁有大氣層，但是氧氣含量卻不足。金星大氣層的主要成份是二氧化碳和硫酸云，厚厚的二氧化碳大氣層產(chǎn)生了失控的溫室效應(yīng)，使其成為太陽系中最熱的行星，其表面溫度足以熔化鉛。

“阿波羅16 號(hào)”飛船上的宇航員拍攝的地冕

關(guān)于地球大氣層的形成，眾說紛紜。學(xué)術(shù)界比較趨向一致的看法是，地球的大氣層是由于地心引力而存在的。它的演化大致經(jīng)歷了原始大氣、次生大氣和現(xiàn)在大氣3個(gè)過程。在最初形成的過程中，地球一邊繞著太陽運(yùn)動(dòng)，一邊吸附著軌道上的微塵和氣體。其表面逐漸冷凝為固態(tài)時(shí)，周圍便包圍著一層大氣，主要成分是氫和氦，這就是原始大氣。由于地殼尚不穩(wěn)定，活動(dòng)頻繁的火山排出的氣體就形成了地球的次生大氣圈，主要成分為硫化氫、甲烷和10～200倍于現(xiàn)代大氣中的二氧化碳，還有一些氨和水汽，但仍沒有氧氣?，F(xiàn)代大氣形成的主要標(biāo)志是氧的出現(xiàn)，它與地球上生物的出現(xiàn)和進(jìn)化密切相關(guān)。在太陽紫外線輻射到達(dá)不了的深水中，出現(xiàn)了最初的生命。隨后，生命逐漸移向淺水，進(jìn)而發(fā)展成有葉綠體的植物。植物能進(jìn)行光合作用，大氣中的氧由此形成。不斷增加的氧在高空形成吸收太陽紫外線的臭氧層，使得地球上的植物迅速繁殖，極大地提高了地球大氣中的氧和二氧化碳的含量，經(jīng)過幾十億年的過程，便形成了現(xiàn)在的大氣層。

但是英國曼徹斯特大學(xué)的格雷格·霍蘭德領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)從新墨西哥數(shù)百米深的地下收集了惰性氣體氪的樣本后，得出了一個(gè)不同的結(jié)論：地球大氣層里的氣體可能來自外太空的彗星。這些彗星含有的惰性氣體特征，跟我們現(xiàn)在的大氣非常類似。他們發(fā)現(xiàn)，地幔的化學(xué)“指紋”富含氪的“重同位素 ”，例如氪86、氪84和氪82等，而“較輕”的同位素含量較少，這跟隕石的化學(xué)成分非常類似。該發(fā)現(xiàn)有力地支持了下述觀點(diǎn)：在太陽系形成的早期階段，富含氣體的隕石相互撞擊產(chǎn)生了我們的地球，地球的大部分都是由較小的天體相撞形成的。

極光就是地球磁場捕獲的太陽風(fēng)，夜間在地球南北兩極附近地區(qū)的高空出現(xiàn)燦爛美麗的光輝。

根據(jù)美國國家大氣研究中心的說法，大氣也是氬氣、二氧化碳、水蒸氣和許多其他氣體的家園。大氣層保護(hù)地球，使其免受太陽的強(qiáng)烈射線。與此同時(shí)，大氣能使太陽短波輻射到達(dá)地面，但地表受熱后向外放出的大量長波熱輻射線卻被大氣吸收，這樣就使地表與低層大氣溫度增高，因其作用類似于栽培農(nóng)作物的溫室，故名“溫室效應(yīng)”。二氧化碳、水蒸氣、甲烷和氧化亞氮是主要的溫室氣體。自工業(yè)革命以來，人類向大氣中排入的二氧化碳等吸熱性強(qiáng)的溫室氣體逐年增加，大氣的溫室效應(yīng)也隨之增強(qiáng)，今天地球的溫室效應(yīng)變得更強(qiáng)，導(dǎo)致全球變暖、病蟲害增加、海平面上升和土地沙漠化等問題，引起了世界各國的關(guān)注。

在增減中保持平衡

研究表明，作為保護(hù)層，大氣層一直籠罩著地球。然而，大氣層每年都會(huì)被太陽風(fēng)吹走一部分，速度大約為180千克/分鐘，每年都會(huì)有10萬噸大氣被吹出地球飄向宇宙空間。太陽風(fēng)是指從太陽上層大氣射出的超聲速等離子體帶電粒子流，這種物質(zhì)雖然不是由氣體的分子組成，而是由更簡單的比原子還小一個(gè)層次的基本粒子——質(zhì)子和電子等組成，但流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的效應(yīng)與地球上的空氣流動(dòng)十分相似，故稱它為“太陽風(fēng)”。它雖然猛烈，但由于地球有著自己的保護(hù)傘——地球磁場，因而能將其絕大部分阻擋在外，對(duì)地球除南北極以外大部分地區(qū)的影響都很小。然而，仍然會(huì)有少數(shù)漏網(wǎng)分子要闖進(jìn)來，刮走少量大氣。有研究指出，地球在過去的30億年中損失了相當(dāng)于現(xiàn)代大氣氧氣含量2%的氧，平均每年約為7190噸。與此同時(shí)，每年要損失氫氣9.5萬噸，因氫分子含量實(shí)在太少，地球引力根本抓不住。另外，每年氦氣的損失量有1600噸。

每年地球大氣都會(huì)被太陽風(fēng)剝離，長此以往，大氣層是否會(huì)變得越來越稀薄，最終和火星一樣呢？從目前來看，情況尚沒有火星那么嚴(yán)重，但太陽風(fēng)的影響是顯著的。地球大氣層從地表開始，分為5層：對(duì)流層（0千米～10千米）、平流層（10千米～30千米）、中間層（30千米～50千米）、熱層（50千米～400千米）和逸散層（>400千米）。在逸散層，地球磁場不能偏轉(zhuǎn)所有的高能粒子和太陽風(fēng)，因此在這個(gè)高度的空氣常常受到宇宙射線等的作用發(fā)生電離，氣體逸散入空間的情況很嚴(yán)重。氣體分子如果獲得足夠的動(dòng)能，達(dá)到擺脫地球引力的速度（約11.2 千米/秒），就可以逃逸到外太空。

地球大氣層從地表開始分為對(duì)流層、平流層、中間層、熱層和逸散層5 層。

地球大氣層保護(hù)地球免受太陽光刺激，減少極端溫度，孕育萬物生命。

科學(xué)家在長期的觀察和測算過程中發(fā)現(xiàn)，地球大氣層并沒有因?yàn)樘栵L(fēng)而出現(xiàn)明顯變化，除了臭氧層之外，其他的層次并沒有明顯變薄。首先，大氣的總質(zhì)量達(dá)到約6000萬億噸，差不多占地球總質(zhì)量的百萬分之一，這個(gè)質(zhì)量相當(dāng)于5座喜馬拉雅山脈。其中，包括氮（78%）、氧（21%）、氬（0.93%）、二氧化碳（0.03%）、氖（0.0018%），此外還有水汽和塵埃等，這些占比高達(dá)99.9%的質(zhì)量都集中在海平面30千米以下的空間內(nèi)。

地球的磁場要遠(yuǎn)大于火星，受太陽風(fēng)的影響會(huì)降低許多。而且，大氣在被太陽風(fēng)吹走的同時(shí)，地球也會(huì)在公轉(zhuǎn)的太陽軌道上捕捉一些氣體分子作為補(bǔ)充。另外，太陽風(fēng)中的一些氣體離子也會(huì)被地球大氣層捕捉到。地球的極光就是地球磁場捕獲的太陽風(fēng)。

此外，地球上制造氣體的能力十分強(qiáng)勁。比如，植物的光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣，動(dòng)植物的呼吸作用可以將氧氣轉(zhuǎn)化成二氧化碳，生物的一些生理作用能夠產(chǎn)生一些氨氣。又如，地球的火山噴發(fā)產(chǎn)生二氧化碳、二氧化硫氣體等，動(dòng)植物遺體的分解作用會(huì)產(chǎn)生一些甲烷和氨等氣體。

從總體上來看，地球大氣層在丟失部分質(zhì)量的同時(shí)，也在補(bǔ)充部分的質(zhì)量，可以保持總量的平衡，這樣一來地球表面的大氣壓也就不會(huì)有大的變化了。退一萬步來說，即便大氣層無法自我修復(fù)，也需要600億年才能夠被徹底吹走。