你知道嗎？就在你閱讀這段文字的幾分鐘里，地球已經(jīng)向太空永久性地"丟失"了幾十噸空氣！科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，每年有大約90萬噸的氣體逃逸到太空中。更讓人擔(dān)憂的是，這個(gè)過程每分每秒都在發(fā)生，從地球誕生那天起就沒停過。
那么問題來了：如果大氣不斷流逝，我們呼吸的空氣會(huì)不會(huì)有一天被耗盡？地球會(huì)不會(huì)變成像火星那樣的荒芒死寂之地？
地球的“太空漏氣”
什么是大氣逃逸。想象一下地球大氣層像一個(gè)巨大的氣球，而這個(gè)氣球在最上層有一些微小的"漏洞"。這些"漏洞"就是大氣層頂部的高速氣體分子，其運(yùn)動(dòng)速度十分快速，可以突破地球的吸引力，沖進(jìn)太空。
這個(gè)過程主要發(fā)生在離地表約500-1000公里的熱層區(qū)域，那里的氣體密度已經(jīng)非常稀薄，分子之間的碰撞很少，每個(gè)氣體分子可以自由地高速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)一個(gè)分子的速度超過11.2公里/秒（地球的第二宇宙速度）時(shí)，它就能永久性地離開地球，進(jìn)入太空再也不回來了。
那么，每天到底流失多少氣體呢？根據(jù)NASA和歐洲空間局的觀測(cè)數(shù)據(jù)，地球平均每年損失約90萬噸大氣。這意味著，按照目前的逃逸速率，地球大氣需要大約57億年才會(huì)損失1%的質(zhì)量。
不同的氣體逃逸速度不同。氫和氦這樣的氫氣體逃逸得最快，這也是為什么地球大氣中幾乎沒有氦氣的原因（我們開采的氦氣主要來自地下）。氧氣和氮?dú)膺@樣的重氣體逃逸得就慢得多，它們構(gòu)成了我們呼吸的主要成分。
說到大氣逃逸，就不得不提火星的悲慘故事。這位紅色的鄰居可能是宇宙中最令人唏噓的案例——從一個(gè)曾經(jīng)擁有濃密大氣和奔流河流的星球，變成了如今氣壓只有地球1%的貧瘠荒漠。
數(shù)據(jù)顯示，火星每秒鐘就有100克大氣逃逸到太空，每年大約損失100噸大氣。相比之下，地球的損失率（90萬噸/年）似乎大得多，但這是因?yàn)榈厍虻拇髿饪偭渴腔鹦堑募s100倍，所以比例上來說，火星的損失率實(shí)際上更高。
造成這種差異的主要原因是什么？?jī)蓚€(gè)字：磁場(chǎng)。
地球擁有強(qiáng)大的磁場(chǎng)，就像一個(gè)看不見的保護(hù)罩，能夠偏轉(zhuǎn)太陽(yáng)風(fēng)中的高能帶電粒子。太陽(yáng)風(fēng)是太陽(yáng)不斷噴發(fā)出的帶電粒子流，如果直接沖擊大氣層，會(huì)像宇宙"吸塵器"一樣加速大氣逃逸過程。而地球的磁場(chǎng)把大部分太陽(yáng)風(fēng)粒子導(dǎo)向兩極，形成了美麗的極光，同時(shí)也保護(hù)了我們的大氣不受過度剝離。
火星就沒這么幸運(yùn)了。大約40億年前，火星的磁場(chǎng)突然消失了。沒有了磁場(chǎng)的保護(hù)，太陽(yáng)風(fēng)直接沖刷火星大氣，導(dǎo)致大氣迅速流失。隨著大氣變薄，火星表面的水無法維持液態(tài)狀態(tài)，要么蒸發(fā)進(jìn)太空，要么凍結(jié)在地下，火星也因此從宜居星球變成了今天這副荒涼景象。
地球磁場(chǎng)的神秘劇情
那么，是什么創(chuàng)造了地球的磁場(chǎng)？答案藏在地球的核心——一個(gè)距離我們6371公里深的地方。
地球外核是一個(gè)深約2200公里的液態(tài)鐵鎳層，溫度高達(dá)4000-5000℃。這熾熱的金屬液體不斷對(duì)流，加上地球的自轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了一個(gè)巨大的"發(fā)電機(jī)效應(yīng)"，這就是地球磁場(chǎng)的源頭。
2023年初，我國(guó)科學(xué)家在《自然·地球科學(xué)》雜志發(fā)表了一項(xiàng)驚人發(fā)現(xiàn)：地球的內(nèi)核似乎改變了自轉(zhuǎn)方向！通過分析1990-2022年間的地震波數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)，地球內(nèi)核的自轉(zhuǎn)速度相對(duì)于地幔和地殼已經(jīng)減慢，甚至可能開始了輕微的反向自轉(zhuǎn)。
現(xiàn)象實(shí)際上是正常的地球動(dòng)力學(xué)過程。內(nèi)核的轉(zhuǎn)動(dòng)變化是緩慢的，發(fā)生在數(shù)十年的時(shí)間尺度上，不會(huì)對(duì)我們的日常生活造成任何影響。更重要的是，它不會(huì)立即影響地球的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
然而，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，地球磁場(chǎng)確實(shí)在變化。過去200年，地球磁場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)下降了約9%。特別是南大西洋異常區(qū)，磁場(chǎng)強(qiáng)度降低了約34%。一些科學(xué)家認(rèn)為這可能是磁極即將反轉(zhuǎn)的前兆，但這種反轉(zhuǎn)過程通常需要數(shù)千年才能完成，而且歷史上已經(jīng)發(fā)生過多次，并沒有導(dǎo)致生命大滅絕。
地球大氣的終極命運(yùn)
既然我們已經(jīng)了解了大氣逃逸和地球磁場(chǎng)的關(guān)系，那么是時(shí)候回答最初的問題了：長(zhǎng)此以往，地球的大氣層會(huì)消失嗎？
根據(jù)現(xiàn)有的科學(xué)認(rèn)知，答案是：在可以預(yù)見的未來（數(shù)十億年內(nèi)），地球大氣不會(huì)因逃逸而消失。以目前每年90萬噸的逃逸速率計(jì)算，地球需要約5.7萬億年才能損失全部大氣——這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了太陽(yáng)的壽命（還有約50億年）。
但是，大氣的構(gòu)成會(huì)隨著時(shí)間而改變。輕氣體（如氫和氦）會(huì)持續(xù)逃逸，而重氣體（如氮和氧）會(huì)保留得更久。
不過，地球大氣的真正威脅不是來自逃逸，而是來自太陽(yáng)演化。大約10億年后，隨著太陽(yáng)逐漸變亮變熱，地球表面溫度將大幅上升，導(dǎo)致海洋加速蒸發(fā)。水蒸氣是強(qiáng)效溫室氣體，這將進(jìn)一步加劇全球變暖，最終可能觸發(fā)"失控溫室效應(yīng)"，讓地球變成類似金星那樣的炙熱行星。
再往后約50億年，太陽(yáng)將膨脹為紅巨星，其外層可能會(huì)吞沒地球，或者至少會(huì)把地球表面烤成熔巖海洋。即使地球幸存下來，太陽(yáng)在紅巨星階段的強(qiáng)烈恒星風(fēng)也會(huì)剝離地球剩余的大氣層。這才是地球大氣的真正"死期"。
我們正在改變大氣逃逸速率嗎？
說到這里，你可能會(huì)想：人類活動(dòng)會(huì)不會(huì)加速大氣逃逸？
這個(gè)問題很有見地。事實(shí)上，人類活動(dòng)確實(shí)在一定程度上影響著大氣逃逸過程，但方向可能和你想的不太一樣。
隨著溫室氣體排放增加，地球低層大氣（對(duì)流層）確實(shí)在變暖，但有趣的是，高層大氣（熱層和外大氣層）卻在變冷！這是因?yàn)闇厥覛怏w在低層大氣吸收了熱量，從而使得到達(dá)高層大氣的熱量減少。根據(jù)美國(guó)伯德觀測(cè)站的數(shù)據(jù)，近50年來，熱層溫度下降了約20-30℃。
溫度降低意味著熱層氣體分子運(yùn)動(dòng)速度變慢，這實(shí)際上降低了大氣逃逸率。一項(xiàng)2021年發(fā)表在《地球物理研究快報(bào)》上的研究估計(jì)，如果溫室氣體排放保持高水平，到2100年，大氣逃逸率可能會(huì)比現(xiàn)在低3-7%。
當(dāng)然，這并不是說溫室氣體排放是好事——?dú)夂蜃兓瘞淼呢?fù)面影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過大氣逃逸率微小的減少。但這個(gè)例子說明，地球系統(tǒng)的復(fù)雜性遠(yuǎn)超我們的直覺判斷。
中國(guó)的太空環(huán)境探測(cè)之路
面對(duì)這些宇宙尺度的問題，我們?nèi)祟愃坪躏@得微不足道。但認(rèn)識(shí)和探索才是科學(xué)的本質(zhì)。中國(guó)在太空環(huán)境監(jiān)測(cè)方面也取得了顯著進(jìn)展。
2018年，我國(guó)發(fā)射了全球首顆X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星"慧眼"，它能夠觀測(cè)黑洞、中子星等高能天體，也為研究太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球大氣的影響提供了重要數(shù)據(jù)。
2020年發(fā)射的"東方紅五號(hào)"和"東方紅六號(hào)"氣象衛(wèi)星，配備了先進(jìn)的大氣探測(cè)儀器，可以監(jiān)測(cè)從對(duì)流層到電離層各個(gè)高度的大氣組成和狀態(tài)。
我國(guó)的"悟空"暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星和"墨子"量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，雖然主要任務(wù)不是大氣研究，但它們收集的高能粒子數(shù)據(jù)和量子通信數(shù)據(jù)對(duì)理解太空環(huán)境與地球大氣的相互作用也有重要價(jià)值。
這些航天技術(shù)的進(jìn)步，不僅提升了我國(guó)在空間科學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際地位，也為人類更好地了解和保護(hù)地球大氣層提供了中國(guó)智慧和中國(guó)方案。
大肆逃逸，擔(dān)憂還是從容？
回到最初的問題：地球大氣會(huì)因?yàn)樘右荻幔靠茖W(xué)告訴我們，在可預(yù)見的未來，答案是否定的。地球磁場(chǎng)的保護(hù)和行星內(nèi)部的地質(zhì)活動(dòng)，將確保我們的大氣層在數(shù)十億年內(nèi)保持穩(wěn)定。
當(dāng)然，這并不意味著我們可以對(duì)大氣環(huán)境掉以輕心。人類活動(dòng)導(dǎo)致的污染、溫室氣體排放和臭氧層破壞等問題，雖然不會(huì)直接影響大氣逃逸，但卻會(huì)改變大氣成分和氣候系統(tǒng)，對(duì)地球生態(tài)和人類生存環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。
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