從大氣層的形成與演化揭示全球氣候變化的原因

【摘 要】全球氣候變化是當(dāng)今世界面臨的重大環(huán)境問題。盡管有些人認(rèn)為人類產(chǎn)生的溫室氣體是全球氣候變化的主要原因，但包括NIPCC在內(nèi)的許多科學(xué)家仍然持懷疑態(tài)度，他們認(rèn)為自然驅(qū)動(dòng)才是全球氣候變化的主要因素，但他們并未找出具有說服力的自然驅(qū)動(dòng)力。于是作者研究了各種可能引起氣候變化的因素，獲得了一個(gè)折中的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)隨著地球質(zhì)量的增加，地球可以吸引更多的來自宇宙空間和人類生產(chǎn)的溫室氣體，使地球大氣層逐漸增厚，被包圍的二氧化碳等溫室氣體難以逃逸，導(dǎo)致溫室效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，全球氣候發(fā)生變化。

【關(guān)鍵詞】全球氣候變化；地球質(zhì)量；萬有引力；溫室氣體；溫室效應(yīng)

Revealing the Cause of Global Climate Change from The Formation and Evolution of Atomsphere

ZHONG Cui-Xiang

（Jiangxi Normal University， Nanchang Jiangxi 330022， China）

【Abstract】Global climate change is a serious environmental problem facingthe world today.Although many people have accepted with half-believing and half-doubting the view that the emission of greenhouse gases is the primary factor in global climate change， many scientists including NIPCC are skeptical about this view， they have refuted this view with plenty of evidence， and they believe natural driving is the main factor for global climate change，but they havent found such a convincing natual driving force yet. So the author has researched deeply into various natural forces that could affect climate change， and has found a compromise result， that is， with the growth of Earths mass， Earth can absorb more and more greenhouse gases from the cosmic space and human production， including water vapor ， carbon dioxide and dust particules， making atomsphere thick and thus the greenhouse gases captured by the atomsphere difficult to escape， finally inhencing greenhouse effect， causing global warming.

【Key words】Global climat change； Earth mass； The law of gravity； Greenhouse gases； Greenhouse effect

0 引言

氣象觀測(cè)表明， 近百年來全球氣候呈變暖趨勢(shì)，地球表面平均氣溫升高了0.8℃（或1.4oF），并產(chǎn)生了一系列嚴(yán)重后果。這些引起了世界各國(guó)的關(guān)注，對(duì)于如何應(yīng)對(duì)氣候變暖，全球進(jìn)行了廣泛的討論與大力的研究[1-4]。

為了有效地應(yīng)對(duì)全球氣候的變化，首先必須弄清楚全球氣候變化的原因，然后再找出有效的對(duì)策。氣候的變暖已經(jīng)確定無疑，且許多人認(rèn)為這主要是由于人類燃燒化石燃料、砍伐森林等活動(dòng)造成的[1]。但是，科學(xué)界對(duì)此結(jié)論仍有爭(zhēng)議，以非政府間國(guó)際氣候變化專門委員會(huì)（NIPCC）為代表的許多專家認(rèn)為自然驅(qū)動(dòng)才是全球氣候變化的主要因素，但他們并沒有找出具有說服力的自然驅(qū)動(dòng)力[5-6]。針對(duì)全球氣候變化的原因眾說紛紜、莫衷一是，作者根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，分析了各種可能引起氣候變化的因素，發(fā)現(xiàn)隨著地球本身及其大氣層的演進(jìn)，地球質(zhì)量逐漸增加，大氣層逐漸增厚，來自宇宙空間和人類產(chǎn)生的溫室氣體難以逃逸，致使溫室效應(yīng)增強(qiáng)，這也是全球氣候變化的一個(gè)重要原因。太陽系中火星、木星等行星的質(zhì)量也在不斷增加，氣候變暖的原因類似。

1 大氣層的形成與演化

全球氣候變化通常與地球大氣層的變化和演進(jìn)緊密相關(guān)，所以研究全球氣候變化應(yīng)該從大氣層的形成與演進(jìn)著手。

地球大氣層是地球形成和演化的產(chǎn)物，其演化大致經(jīng)歷了原始大氣、次生大氣和現(xiàn)在大氣三個(gè)階段。

1.1 原始大氣

最初，在地球形成的過程中，地球一邊繞著太陽旋轉(zhuǎn)，一邊吸附著軌道附近的微塵和氣體，使地球質(zhì)量逐漸增大，大氣層逐漸增厚，并在星子的撞擊或自轉(zhuǎn)不斷加速的原太陽的萬有引力的拖曳下漸漸地遠(yuǎn)離原太陽。隨著地球質(zhì)量和體積的不斷增加，地球內(nèi)部的熱能不斷積聚，包括地球高速公轉(zhuǎn)引起的氣流摩擦產(chǎn)生的熱能，地球自身引力收縮過程產(chǎn)生的熱能，原始地球內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱能。正是由于地球原始熱能積聚到一定程度，才使原始地球物質(zhì)發(fā)生了熔融分異，形成了地球的不同圈層：地核、地幔和地殼。當(dāng)?shù)厍蜻h(yuǎn)離太陽足夠距離時(shí)，地球公轉(zhuǎn)速度變慢，地球降溫，地球周圍形成了越來越厚的大氣層。隨著大氣層中水汽的增加，地球上空時(shí)常成云作雨，降落到地面的雨水又使地球表面逐漸冷卻。當(dāng)?shù)厍虮砻胬淠秊楣虘B(tài)時(shí)，周圍就包圍著一層濃密的大氣，這就是原始大氣，其主要成分是氫、氦、水汽和二氧化碳，正如金星裹著一層濃密的二氧化碳那樣。

1.2 次生大氣

隨著地球水圈的形成，地球表面受到冰水的侵蝕越來越嚴(yán)重，許多地方地殼破裂，當(dāng)水進(jìn)入地幔與熾熱的巖漿接觸時(shí)，水分立即氣化，產(chǎn)生猛烈的火山噴發(fā)。在地球內(nèi)部長(zhǎng)期形成的氣體，通過火山活動(dòng)排出地表，形成了地球的次生大氣圈，主要為水汽、二氧化碳、甲烷、氨和氫。但次生大氣缺乏氧，這是因?yàn)榈貧ふ{(diào)整剛開始，地表金屬尚多，氧容易和金屬元素化合而不能在大氣中久留，因此次生大氣屬于缺氧性還原大氣。

1.3 現(xiàn)在大氣

隨著太陽向地球表面的不斷輻射，太陽遠(yuǎn)紫外線能將次生大氣中的水汽分解為氫、氧兩種元素。隨著氧的增加就在高空中形成了臭氧層，它能吸收紫外線，有利于地球上的植物迅速繁殖和生長(zhǎng)，綠色植物的光合作用又為地球大氣增加了許多氧氣。另外，次生大氣中的氨和氧起化學(xué)作用產(chǎn)生了氮，甲烷和氧起化學(xué)作用產(chǎn)生了二氧化碳。經(jīng)過幾十億年的過程就形成了現(xiàn)在的大氣層，其中主要有：氮?dú)庹?8.1%，氧氣占20.9%，氫氣占0.93%，還有少量的二氧化碳、稀有氣體（氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣氡氣）和水蒸汽。

圖1 大氣層垂直分層結(jié)構(gòu)

隨著地球質(zhì)量的增加，大氣層還在逐漸增厚。整個(gè)大氣層隨高度的不同表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，可分為對(duì)流層、平流層、中間層、暖層和散逸層，再上面就是星際空間，如圖1所示。這五個(gè)層次的形成主要同太陽輻射進(jìn)入大氣后產(chǎn)生的熱效應(yīng)緊密相關(guān)。波長(zhǎng)為0.1～0.2微米的太陽強(qiáng)烈紫外輻射，能使距地表約85公里以上的分子氧光解，形成原子氧。原子氧擴(kuò)散到200公里以上的高空，在波長(zhǎng)短于0.1微米的紫外輻射作用下，形成了離子，并與自由氧分子交換電子，并放出大量熱能。另外，氧離子還與氮分子作用，形成氧化氮離子，而氧化氮離子可與電子復(fù)合，分子氧離子也可以與電子復(fù)合，在這些過程中都放熱。由于在300公里或以上的高空，大氣分子稀少，上述三種放熱過程的綜合作用，就使高空溫度升得很高，達(dá)1500℃以上。這樣從85公里到約250～500公里高度，溫度隨高度的增加而增高，形成了暖層。在500公里以上，因大氣中性分子可逸向太空，故稱為散逸層。波長(zhǎng)0.1～0.2微米的太陽輻射在距地表85公里以下的大氣中，仍能對(duì)氧分子起光解作用并形成氧原子。氧原子十分活躍，很易和氧分子結(jié)合，組成臭氧。但這種臭氧所含有的多余能量使臭氧易于分解。但如有第三體M參與碰撞，就可將多余能量帶走，使臭氧的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定下來。在距地表85公里以上，空氣較稀，原子氧和分子氧結(jié)合時(shí)缺乏第三體M的碰撞，難以形成穩(wěn)定的臭氧。在距地表85公里以下的空間，空氣較密，易于發(fā)生第三體碰撞，有利于臭氧的穩(wěn)定。有了臭氧后會(huì)發(fā)生下列兩個(gè)放熱過程：

O3+O→2O2

O3+hν（λ0.2～0.3μm）→O2+O

這就使距地表約50公里處出現(xiàn)高溫。50～85公里的高度范圍內(nèi)形成一個(gè)溫度隨高度增加而遞減的區(qū)域，稱為中間層。通過高層大氣而能到達(dá)地面的太陽輻射，其波長(zhǎng)大于0.3微米。它在低空僅能起到照明和使地面加熱的作用。地面高溫和50公里高度的高溫之間為相對(duì)的低溫。地面向上到約12公里處大體上溫度隨高度而遞減，形成了對(duì)流層。相對(duì)最低溫的大氣層距地表約12公里，這即為對(duì)流層頂。在12公里和50公里高度之間，氣溫隨高度而升高，形成了平流層。

2 根據(jù)萬有引力定律和大氣層的變化揭示全球氣候變化的原因

早在17世紀(jì)，牛頓就提出了如下設(shè)想：散布于空間中的彌漫物質(zhì)可以在引力作用下凝聚成衛(wèi)星、行星和恒星。經(jīng)過歷代天文學(xué)家、物理學(xué)家及其他科學(xué)家的努力，該設(shè)想已逐步發(fā)展成為一個(gè)非常成熟的星球形成理論。根據(jù)這一理論，人們普遍認(rèn)識(shí)到：星云物質(zhì)先凝聚成大大小小的星子，星子再凝聚成衛(wèi)星或行星。在行星的成長(zhǎng)過程中，它們不斷吸積軌道附近的物質(zhì)而變得越來越大，并在星子的撞擊或自轉(zhuǎn)逐漸加速的母星的萬有引力的拖曳下漸漸地遠(yuǎn)離母星[8-10]。

伴隨著太陽在繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)的過程中不斷地捕獲和焚燒各種大小的天體及其他宇宙物質(zhì)并產(chǎn)生大量宇宙塵埃和氣體的同時(shí)，地球也在不斷地吸積宇宙空間的塵埃、氣體、彗星、隕石等物質(zhì)。由于地球富含水分，容易吸積和凝固宇宙物質(zhì)，使自身質(zhì)量不斷增長(zhǎng)。據(jù)估算，地球現(xiàn)有質(zhì)量5.977×1024kg，且以每年4萬噸的速度增大。還有學(xué)者從廣義相對(duì)論的基本原理出發(fā)，證明各大天體在不斷增大，地球每年也增加一萬二千億噸，膨脹0.45mm。隨著地球成長(zhǎng)為龐大的行星，地球周圍形成了越來越厚的大氣層。據(jù)估算，現(xiàn)在地球擁有數(shù)千公里的大氣層，氣體密度隨著離地面高度的增加而變得越來越稀薄。探空火箭在3000公里高空仍發(fā)現(xiàn)有稀薄大氣。

事實(shí)上，地球大氣層的形成是地球與大氣粒子（分子、原子和塵埃顆粒）之間的萬有引力作用的結(jié)果。根據(jù)萬有引力定律：任意兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)有通過連心線方向上的力相互吸引。該引力的大小與它們質(zhì)量的乘積乘積成正比，與它們距離的平方成反比，與兩物體的化學(xué)組成及其間介質(zhì)種類無關(guān)。假設(shè)兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量為m1和m2 ， 其間距離是r，則該兩質(zhì)點(diǎn)的萬有引力：

（3）當(dāng)?shù)厍蛸|(zhì)量增加時(shí)，半徑為R+h的球面上可捕獲速度更快的大氣粒子。原來運(yùn)行在該軌道上的大氣粒子因速度落后而向地面下沉，使下層氣體密度增加。

（4）對(duì)流層中上升的粒子因受到上面多層次高速粒子流的撞擊而下沉，形成對(duì)流。當(dāng)?shù)厍蛸|(zhì)量增加時(shí)，上面各層許多粒子下沉到對(duì)流層，逃不出去，使對(duì)流層氣體密度增加，氣溫上升。

（5）隨著地球質(zhì)量的增加，大氣層可以吸收更多的來自宇宙空間和人類生產(chǎn)的溫室氣體，使大氣密度增加，溫室效應(yīng)加重。

表1是不同高度的環(huán)球軌道可捕獲的粒子的線速度極限。對(duì)于半徑為R+h的圓形軌道來說，低于該軌道線速度的粒子將下沉， 常被圍困在半徑為R+h的球面大氣圈內(nèi)。

表1 不同高度的軌道可捕獲的粒子的線速度極限

3 結(jié)論

全球氣候變化通常與地球大氣層的變化和演進(jìn)緊密相關(guān)，所以研究全球氣候變化應(yīng)該從大氣層的形成與演進(jìn)著手。根據(jù)宇宙星系的形成和演進(jìn)規(guī)律可知，地球的質(zhì)量在逐漸增加，地球大氣層也在逐漸增厚。隨著地球質(zhì)量的增加，大氣層可以吸收更多的來自宇宙空間和人類生產(chǎn)的溫室氣體，使大氣密度增加，溫室效應(yīng)加重。這是全球氣候變化的主要原因。

【參考文獻(xiàn)】

[1]IPCC. Climate Change 2007：Synthesis Report （Summary for Policymakers） [M]. Cambrige University Press，2007：2-22.

[2]IPCC. Climate Change 2007： The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the International Government Panel on Climate Change [M]. Cambridge，UK and New York： Cambridge University Press， 2007.

[3]Daniele De Wrachien， Mudlagiri B. Goli. Global Warming Effects on Irrigation Development and Crop Production： A World-Wide View[J]. Argriculture science， 2015，6：734-747.

[4]孫瑩瑩，李響.全球變暖引發(fā)的思考[J].中國(guó)環(huán)境管理，2010，02：4-6.

[5]Ge Quan-sheng， Wang Shao-wu， Fang Xiu-qi. An uncertainty analysis of understanding on climate change [J]. Geographical Research， 2010，29（2）：192-203.

[6]王紹武，羅勇，趙宗慈.關(guān)于非政府間國(guó)際氣候變化專門委員會(huì)（NIPCC）報(bào)告[J].氣候變化研究進(jìn)展，2010，6（02）：89-93.

[7]J.M.Wallace，P.V.Hobbs. Atmospheric Science： An Introductory Survey [M]. Academic Press，New York，1977.

[8]Cui-Xiang Zhong. A New Theory of the Origin of the Solar System and the Expansion of the Universe.International Journal of Geophysics and Geochemistry，2015， 2（2）：18-28. Published online， April 30 （http：//www.aascit.org/journal/ijgg）[J].

[9]鐘萃相.太陽系的形成與演進(jìn)及宇宙的膨脹[J].科技視界，2015，7：136-138.

[10]鐘萃相.地球的起源與演進(jìn)及全球氣候變化[J].地球，2015，9：294-297，375.

[責(zé)任編輯：湯靜]