地球大气层的真相

李忠东

这幅艺术作品展示了一颗岩石行星正在被彗星轰击的瞬间。

地冕观测示意图（未按比例绘制），图中地球周围的浅色区域为地冕。

最厚处达63万千米

学术界对地球大气层的定义一向有着诸多争议，关于其厚度历来说法不一。一般认为，地球大气层的厚度只有100千米左右，并且在地面以上50千米处，大气层就很稀薄了。但是科学家在一项研究中发现，地球大气层最厚的地方竟然达到63万千米，这意味着月球其实一直在地球的大气层中运行。这项研究所获得的地冕数据来自太阳和太阳风层探测器（SOHO）。地冕是以氢原子和氦原子为主要成分的地球高层大气，因氢原子和氦原子发出微弱的辐射而得名，以电中性的氢原子为主要成分，是地球大气逸散层的一部分。其中主要由原子氧和分子氮激发而生的白昼气辉构成的明亮新月形区称作“内地冕”，漫射辉光氢的激发气体组成的灰白色带为“外地冕”。

最新人造卫星观测数据揭示，地球大气层受太阳磁场活动影响，呈现出有节奏的膨胀和收縮“呼吸”，周期为9天时间。地球大气层的这种“呼吸”反应与太阳磁场活动周期相协调，太阳磁场活动周期为27天。

SOHO由欧洲航天局和美国宇航局共同研制，装有12台主要的科学仪器，每一台都能够独立地观察太阳或者太阳的某个局部。一些仪器上的观察能够以图片的形式保存下来。它于1995年发射升空，绕太阳公转，原计划使用寿命是 3 年，但目前已在太空中工作了 20 多年，并且仍在运行。SOHO上的2个传感器也在不间断地对地球进行观测，随着探测器的移动，大约 20 小时内即可获得整个天空的图像，精确地测量来自地冕的光线。

地球大气层顶端延伸到距离地表60多万千米外的地方，足见地球引力有多么强大，可以捕获地球附近的气态分子，使地球轨道附近的氢离子团等聚集于地球的周围。地球的大气层虽然很厚，但是外围的气体大部分都是氢离子云。由于太阳光压的影响，地冕的形状看起来有点像彗星的尾巴。在朝着太阳的一侧，地冕层氢原子被阳光“压缩”，距离地表 6 万千米处，每立方厘米大约有 70 个原子。而在63万千米的高度上每立方厘米平均仅有0.2个原子，比一般实验室中达到的真空状态还要稀薄得多。在背对太阳的一侧，氢原子的密度整体上要平均一些。

天文学家试图用更加普适的标准来定义地球大气层，然而地球的大气层实际上比想象中更复杂。天文学家莱曼斯·皮策首次提出了“逸散层”的概念，指出如果不是因为这一层大气温度较高，使得较轻的气体逃逸，那么地球大气中的氦气含量会比现实中要高得多。

日冕由很稀薄的完全电离的等离子体组成，温度是太阳表面温度的数百倍。

从国际空间站拍摄到的地球大气层

填充地冕的氢原子来自地球大气，由大气中的水和甲烷通过光解离（分子吸收光子而发生解离）产生，通过扩散作用向远离地表方向运动。到达逸散层底部时，氢原子沿着原运动轨迹向太空发射。速度大于逃逸速度的氢原子在双曲线轨道上发射，永远离开了地球，速度小于逃逸速度的氢原子将返回到逸散层底部。留在地冕中的氢原子也不能无限累积，会通过太阳发出的极紫外辐射发生电离，并与朝地球飞来的太阳风质子进行电荷交换。由于一部分氢原子离开了地球，留下来的氢原子寿命也比较短，因此限制了地冕的大小，使它无法无限延伸。

地冕中的氢元素会与来自太阳的远紫外线辐射相互作用发生散射而发光，在外太空中用航天器观测地冕发出的光是测量地冕大小的直观方法。地冕发射的谱线有好几种，其中最强的谱线是莱曼-阿尔法辐射，研究人员主要通过它来检测地冕。1972年，宇航员曾在“阿波罗16 号”飞船中首次拍摄到地冕层的图像，但那一次是从月球轨道角度进行拍摄的，当时的宇航员可能并不知道其实自己并没有飞出地冕。这项研究说明，地冕层也是一个紫外线辐射源，但是与太阳辐射源相比，地冕层发出的辐射微乎其微，对普通人或月球轨道上的宇航员没什么影响。

形成过程漫长复杂

太阳系中大大小小的星球有几百个，但是拥有大气层的却不多。其中，有些虽然有稀薄的大气，但并未形成大气层。月球由于质量小产生不了足够的引力，不能将气体分子大量吸附在月球的表面，所以没有大气层。火星和金星虽然拥有大气层，但是氧气含量却不足。金星大气层的主要成份是二氧化碳和硫酸云，厚厚的二氧化碳大气层产生了失控的温室效应，使其成为太阳系中最热的行星，其表面温度足以熔化铅。

“阿波罗16 号”飞船上的宇航员拍摄的地冕

关于地球大气层的形成，众说纷纭。学术界比较趋向一致的看法是，地球的大气层是由于地心引力而存在的。它的演化大致经历了原始大气、次生大气和现在大气3个过程。在最初形成的过程中，地球一边绕着太阳运动，一边吸附着轨道上的微尘和气体。其表面逐渐冷凝为固态时，周围便包围着一层大气，主要成分是氢和氦，这就是原始大气。由于地壳尚不稳定，活动频繁的火山排出的气体就形成了地球的次生大气圈，主要成分为硫化氢、甲烷和10～200倍于现代大气中的二氧化碳，还有一些氨和水汽，但仍没有氧气。现代大气形成的主要标志是氧的出现，它与地球上生物的出现和进化密切相关。在太阳紫外线辐射到达不了的深水中，出现了最初的生命。随后，生命逐渐移向浅水，进而发展成有叶绿体的植物。植物能进行光合作用，大气中的氧由此形成。不断增加的氧在高空形成吸收太阳紫外线的臭氧层，使得地球上的植物迅速繁殖，极大地提高了地球大气中的氧和二氧化碳的含量，经过几十亿年的过程，便形成了现在的大气层。

但是英国曼彻斯特大学的格雷格·霍兰德领导的研究团队从新墨西哥数百米深的地下收集了惰性气体氪的样本后，得出了一个不同的结论：地球大气层里的气体可能来自外太空的彗星。这些彗星含有的惰性气体特征，跟我们现在的大气非常类似。他们发现，地幔的化学“指纹”富含氪的“重同位素 ”，例如氪86、氪84和氪82等，而“较轻”的同位素含量较少，这跟陨石的化学成分非常类似。该发现有力地支持了下述观点：在太阳系形成的早期阶段，富含气体的陨石相互撞击产生了我们的地球，地球的大部分都是由较小的天体相撞形成的。

极光就是地球磁场捕获的太阳风，夜间在地球南北两极附近地区的高空出现灿烂美丽的光辉。

根据美国国家大气研究中心的说法，大气也是氩气、二氧化碳、水蒸气和许多其他气体的家园。大气层保护地球，使其免受太阳的强烈射线。与此同时，大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表受热后向外放出的大量长波热辐射线却被大气吸收，这样就使地表与低层大气温度增高，因其作用类似于栽培农作物的温室，故名“温室效应”。二氧化碳、水蒸气、甲烷和氧化亚氮是主要的温室气体。自工业革命以来，人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，今天地球的温室效应变得更强，导致全球变暖、病虫害增加、海平面上升和土地沙漠化等问题，引起了世界各国的关注。

在增减中保持平衡

研究表明，作为保护层，大气层一直笼罩着地球。然而，大气层每年都会被太阳风吹走一部分，速度大约为180千克/分钟，每年都会有10万吨大气被吹出地球飘向宇宙空间。太阳风是指从太阳上层大气射出的超声速等离子体带电粒子流，这种物质虽然不是由气体的分子组成，而是由更简单的比原子还小一个层次的基本粒子——质子和电子等组成，但流动时所产生的效应与地球上的空气流动十分相似，故稱它为“太阳风”。它虽然猛烈，但由于地球有着自己的保护伞——地球磁场，因而能将其绝大部分阻挡在外，对地球除南北极以外大部分地区的影响都很小。然而，仍然会有少数漏网分子要闯进来，刮走少量大气。有研究指出，地球在过去的30亿年中损失了相当于现代大气氧气含量2%的氧，平均每年约为7190吨。与此同时，每年要损失氢气9.5万吨，因氢分子含量实在太少，地球引力根本抓不住。另外，每年氦气的损失量有1600吨。

每年地球大气都会被太阳风剥离，长此以往，大气层是否会变得越来越稀薄，最终和火星一样呢？从目前来看，情况尚没有火星那么严重，但太阳风的影响是显著的。地球大气层从地表开始，分为5层：对流层（0千米～10千米）、平流层（10千米～30千米）、中间层（30千米～50千米）、热层（50千米～400千米）和逸散层（>400千米）。在逸散层，地球磁场不能偏转所有的高能粒子和太阳风，因此在这个高度的空气常常受到宇宙射线等的作用发生电离，气体逸散入空间的情况很严重。气体分子如果获得足够的动能，达到摆脱地球引力的速度（约11.2 千米/秒），就可以逃逸到外太空。

地球大气层从地表开始分为对流层、平流层、中间层、热层和逸散层5 层。

地球大气层保护地球免受太阳光刺激，减少极端温度，孕育万物生命。

科学家在长期的观察和测算过程中发现，地球大气层并没有因为太阳风而出现明显变化，除了臭氧层之外，其他的层次并没有明显变薄。首先，大气的总质量达到约6000万亿吨，差不多占地球总质量的百万分之一，这个质量相当于5座喜马拉雅山脉。其中，包括氮（78%）、氧（21%）、氩（0.93%）、二氧化碳（0.03%）、氖（0.0018%），此外还有水汽和尘埃等，这些占比高达99.9%的质量都集中在海平面30千米以下的空间内。

地球的磁场要远大于火星，受太阳风的影响会降低许多。而且，大气在被太阳风吹走的同时，地球也会在公转的太阳轨道上捕捉一些气体分子作为补充。另外，太阳风中的一些气体离子也会被地球大气层捕捉到。地球的极光就是地球磁场捕获的太阳风。

此外，地球上制造气体的能力十分强劲。比如，植物的光合作用吸收二氧化碳释放氧气，动植物的呼吸作用可以将氧气转化成二氧化碳，生物的一些生理作用能够产生一些氨气。又如，地球的火山喷发产生二氧化碳、二氧化硫气体等，动植物遗体的分解作用会产生一些甲烷和氨等气体。

从总体上来看，地球大气层在丢失部分质量的同时，也在补充部分的质量，可以保持总量的平衡，这样一来地球表面的大气压也就不会有大的变化了。退一万步来说，即便大气层无法自我修复，也需要600亿年才能够被彻底吹走。