大气污染监测

目前在德国马普太阳系研究所从事行星研究工作的魏勇博士，与中国科学院地质与地球物理研究所院士万卫星，以及来自中国和欧洲的科学家一道，使用地球和火星上的卫星同时进行数据观测，从而证明地球磁场对大气的保护作用。这一研究结果也为学术界争论的一个热点问题给出了初步答案。据悉，该研究目前已经被欧洲空间局（ESA）认定为科学亮点并加以介绍，相关论文发表在最新出版的《地球物理学研究》杂志上。



行星演化是一个十分有趣的问题。目前的理论认为，内太阳系的三颗行星——金星、地球和火星——在形成之初应当具有类似的原始大气，但是人们今天看到的则是完全不同的景象：金星和火星上至今都没发现任何液态水的存在，大气中的氧气含量低到可以忽略。地球上已探明的生命形式均无法在这样的环境中生存。金星和火星都没有巨大的偶极磁场，指南针无法使用，所有依靠地磁场导航的候鸟以及人造飞行器在此环境里也将迷路。



究竟是什么因素让地球变成一个湿润的天堂，而让金星和火星变成干燥的荒漠呢？科学家很早就推测是地球磁场造成了这种巨大的差异。太阳时时刻刻都在朝四面八方喷出携带着磁场的等离子体，这些叫做“太阳风”的高速等离子体流携带着巨大的能量冲击着行星的大气。以金星为例，每秒钟就有几十公斤的气体被吹走。而地球的磁场像一个巨大的气泡，把地球包裹在其中，避免太阳风直接冲击到地球的大气层。地磁场是由位于地球深处的地磁发电机产生的，而科学家发现，金星和火星的地磁发电机早在35亿年前就已停止工作。行星上大气与海洋构成一个不停循环的系统，如果金星和火星曾经有过海洋，那么太阳风会通过吹走大气来令整个海洋干涸。



然而瑞典和美国科学家在2010年对这一理论提出了质疑。他们首先归纳出一个令人惊讶的事实：使用过去几十年的金星、火星和地球的探测数据分别作统计，结果发现三颗行星的大气逃逸率居然相差不多。他们指出，如果地磁场能保护地球大气，那么地球上的逃逸率应该明显小于金星和火星的逃逸率，所以，地磁场并不能保护大气。



对于这种观点，魏勇认为，由于大气逃逸取决于多种参数，其中较为重要的不仅有太阳风的动能，还有太阳的极紫外辐射（EUV）。这些参数不仅随太阳的活动周期有11年的大变化，而且时时刻刻都存在着小波动。用长时间的数据来作统计，必定会抹掉一些关键信息，影响对事实的判断。要解决这个问题，必须设计一个实验来固定其他参数，只让其中的一个参数变化，才能检验该参数的影响，进而最终检验地磁场到底对地球大气有没有保护作用。



在这项新的研究中，研究人员设法固定EUV参数，让太阳风的动能发生变化。他们选取了一个特殊的时间——2008年1月初来进行观测，此时的太阳、地球和火星近乎排成一条直线，这样太阳的EUV辐射就是相同的。其时，正巧太阳风中由高速流挤压低速流形成了一个高密度的挤压带，成为“共转相互作用区”，这个挤压带先后扫过地球和火星。由于密度高，其中包含的太阳风动能也多，所以对于行星而言，在其扫过之时，便会感受到太阳风能量的突增。



“我们要考察的是，当地球和火星经历同样的太阳风能量的增量的时候，各自的大气逃逸率增加了多少。”魏勇说，“ESA的Cluster卫星簇能够测量地球上的大气逃逸，而‘火星快车’能够测量火星上的逃逸率。在这个特殊事件中，两颗卫星同时运转，我们因此有机会进行这个实验。”



结果表明，在太阳风动能增量相同的时候，火星逃逸率的增加率比地球大一个量级，从而证明了地磁场对大气的保护作用。



魏勇说：“我们下一步将利用金星和地球进行类似实验，使用Cluster和‘金星快车’来观测。”