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地球大气每年丢失10万吨：冰期时丢失的更多: 热度 1 杨学祥 2019-4-25 08:34; 地球大气每年丢失10万吨：冰期时丢失的更多杨学祥，杨冬红关键提示：地磁减弱导致大气损耗。当轨道偏心率较大的行星向太阳靠近时，太阳风和太阳辐射将一部分大气物质吹走，形成背光的“气尾”；当行星向远离太阳的方向运动时，“气尾”收缩。行星每靠近太阳一次，就失掉相当多的大气质量。近日行星中，水星与火星的轨道偏心率最大，分别为0.206和0.093，所以大气密度最低。地球的偏心率为0.017，金星的偏心率为0.007，所以大气密度最大。近日行星的大气密度与其轨道偏心率成反比，因此，近日行星中轨道偏心率大的行星大气散失比较多，大气非常稀薄。大气层可以保持地表的气温，大气的流失降低地表气温，这是10万年冰期周期与地球轨道偏心率10万年变化周期对应的原因，地球轨道偏心率变化范围为0.017~0.067，在偏心率最大时对应冰期的出现。地磁场阻止太阳风进入大气层，对地球大气有保护作用，地磁场减弱可导致太阳风侵袭地表并加快大气逃逸。相关报道地球大气每年丢失10万吨，为啥不见大气层变薄？其实它也捕捉空气原创科普大世界昨天地球是一个有着浓厚大气层的岩质星球，我们人类和其他万千生命物种就生活在地球的大气层中，它是地球的最外围部分，其厚度虽然没有固定的说法，但是比较浓厚的部分至少有50公里厚。大气层也是地球上生命物种的保护层，它不单可以阻挡很多小行星的袭击，更可以阻挡绝大部分的宇宙射线，大部分的小行星撞击地球时，都会在地球大气层中解体并气化掉，这样就大大减缓了小行星撞击地球的力量，不然大质量的小行星如果没有地球大气层的阻挡，将会直接撞碎地壳，导致地球上发生大规模地震和火山爆发的现象。大气层中的臭氧层和电离层也阻挡了很多宇宙射线和太阳紫外线的辐射，不然的话，地球生命物种将难以抵抗这些宇宙射线的伤害，这会对地球生命物种的生存和进化造成很大打击和干扰。地球大气层总质量高达6000万亿吨，约为地球总质量的百万分之一，但实际上地球大气层也时刻都在被太阳风剥离，因为太阳耀斑等喷发出来的太阳风速度非常快，可达每秒钟500~1000公里，这些太阳风在太阳系所在的宇宙空间中横行无忌，虽然地球大气层有磁场的保护，但是还是会有部分太阳风会吹拂到地球的大气上，导致地球高层大气中部分气体（主要是电离状态的氢和氦原子）被吹走。另外，由于地球高层大气中的气态分子非常的稀薄，据美国卫星观测地球大气最远端可达63万公里（一般认为不再属于地球大气层），就连月球运行都处于其中，那么这些地球高层大气也会在运行的过程中自行散逸掉一部分。有科学家计算，每分钟地球大气层都会被剥离400多磅，差不多有180多公斤，这还是个很保守的计算，但这样算下来，地球每年也都会失去10万吨左右的大气。那么这样下去，地球的大气层是不是越来越少了呢？实际上是不会这样的，因为地球大气在丢失一部分的同时，也在捕捉一部分，地球在环绕太阳运行的轨道上，也会捕捉之前遗留在轨道上的部分气体离子和分子，同时也有一部分太阳风中的气体离子会被地球捕捉到。另外，地球上也会制造一些气体。比如植物进行光合作用将二氧化碳生成碳和氧气，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可以产生一些氨气，另外地球的火山喷发会产生一些二氧化碳二氧化硫气体等，动植物遗体的发酵作用会产生一些甲烷气体等等，总体上地球的大气层在增减之中保持着平衡，所以一直是一种不多不少的状态。 http://www.yidianzixun.com/article/0LpIgEor 美国科学家称火星曾有稠密大气层：大气丢失的原因已有 3213 次阅读 2011-4-23 06:45 | 个人分类: 科技点评 | 系统分类: 观点评述 | 关键词:火星,大气层,轨道偏心率 | 火星 , 大气层 , 轨道偏心率推荐到群组美国科学家称火星曾有稠密大气层：大气丢失的原因美国科学家称火星曾有稠密大气层 http://www.sina.com.cn 2011年04月22日12:56 新闻晚报　　□新华社今日上午电　　美国《科学》杂志21日报道，火星在60万年前拥有比今天火星大气层更加稠密的二氧化碳大气层，正因为大气层密度高，当年的火星是沙尘暴的天下。　　美国国家航空航天局的 “火星勘测轨道飞行器”借助刺地雷达技术，在火星南极附近地区发现大面积地下“干冰湖”。科学家断言，干冰湖封存的大量固体二氧化碳在60万年前曾是火星的大气层。　　美国航天局喷气推进实验室火星项目研究者杰弗里·普劳特说：“那真是一个地下大宝藏。我们先前在火星地下发现一些物质，但从来没有想到会有一个干冰湖。 ” 　　地下封存大面积干冰意味着，在某个时代，这些二氧化碳可能存在于火星的大气层中。科学家分析认为， 60万年前，火星大气层的密度是如今的30倍。　　厚重的大气层意味着风暴可能形成。文章主要撰写者罗杰·菲利普斯说：“那时候的火星，就像上世纪30 年代美国沙尘暴地区一样，风暴频繁，沙尘飞扬，但火星的程度要更加严重。 ” 　　但稠密大气层使液态水的存在成为可能。如今火星的大气层密度只有地球的百分之一，科学家认为，如果当年火星大气层密度达到如今地球的30％，流动水确实有可能在火星表面存在。　　人类对认知神秘火星的渴望，部分源自火星表面那千沟万壑的山峡溪谷与河道，而更加稠密的大气层是液态水存在的必要条件。美国航天局计划2013年启动一项新的火星探测计划，命令探测器接近火星大气层顶部，寻找火星大气溢出之谜。（编辑：SN026） http://news.sina.com.cn/w/2011-04-22/125622340524.shtml 地磁减弱导致臭氧浓度减少。从春分到秋分，是北极的极昼。春分（3月20-22日）到夏至（6月21-22日），北极的极昼使太阳对北极的辐射逐渐增强，太阳风和光压压缩地球磁层和大气层，容易产生北极的臭氧洞，在背光一面的南极形成地磁层的磁尾和大气的气尾，大气由北半球向南半球流动；同样，从秋分到春分，是南极的极昼。秋分（9月22-24日）到冬至（12月21-23日），南极的极昼使太阳对南极的辐射逐渐增强，容易产生南极的臭氧洞，大气由南半球向北半球流动。这样就形成了大气的全球对流系统和极地大气涡旋。由于地球近日点在1月3日或4日，远日点在7月2日或3日，这使大气北流的强度大于南流的强度，南北半球之间的大气交换在大气高层非常强烈。潮汐南北震荡增强了大气的全球对流循环，这是南极比北极更容易出现臭氧洞的原因，也是臭氧洞季节性变化的原因。因此，臭氧浓度减少在南北两极周期性地轮流出现。地磁减弱导致更多的太阳高能粒子进入大气层，减少臭氧浓度。地磁减弱导致大气损耗。当轨道偏心率较大的行星向太阳靠近时，太阳风和太阳辐射将一部分大气物质吹走，形成背光的“气尾”；当行星向远离太阳的方向运动时，“气尾”收缩。行星每靠近太阳一次，就失掉相当多的大气质量。近日行星中，水星与火星的轨道偏心率最大，分别为0.206和0.093，地球的偏心率为0.017 ，金星的偏心率为0.007。近日行星的大气密度与其轨道偏心率成反比，因此，近日行星中轨道偏心率大的行星大气散失比较多，大气非常稀薄。大气层可以保持地表的气温，大气的流失降低地表气温，这是10万年冰期周期与地球轨道偏心率10万年变化周期对应的原因，地球轨道偏心率变化范围为0.017~0.067，在偏心率最大时对应冰期的出现。地磁场阻止太阳风进入大气层，对地球大气有保护作用，地磁场减弱可导致太阳风侵袭地表并加快大气逃逸。 1.杨学祥, 陈殿友. 构造形变、气象灾害与地球轨道的关系. 地壳形变与地震,2000,20（3）：39~48 2.杨冬红，杨学祥，刘财。2004年12月26日印尼地震海啸与全球低温。地球物理学进展。2006，21（3）： 1023-1027 http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-436350.html 中比美三国科学家揭示中更新世气候转型之谜：冰期时期大气丢失加速是关键已有 623 次阅读 2019-2-11 10:45 作者：张行勇来源：科学网 www.sciencenet.cn 发布时间：2019/1/24 11:39:37 中比美三国科学家揭示中更新世气候转型之谜最近1.7 Ma季风代用指标与太阳辐射和冰量变化对比及小波分析结果 1月21日，《自然-通讯》在线发表了中国科学院地球环境所孙有斌研究员团队与比利时和美国科学家合作完成的研究论文，该论文提出了“中更新世气候转型多样性”的新概念，强调了冰盖消长和温室气体浓度变化会改变地球气候系统尤其是低纬水文循环对外部太阳辐射强迫的响应，为理解过去季风变化机理和预测未来气候变化趋势提供了新视角。据孙有斌介绍，距今260万年的第四纪以来，地球气候经历了大幅的冰期-间冰期波动，最引人注目的是距今1.2—0.7Ma(百万年)期间冰盖消长、海温变化等由对称的4万年波动转变为不对称的10万年旋回，也简称为中更新世转型。”孙有斌进一步强调，2005年美国Science杂志在庆祝创刊125周年之际，公布了未来亟需解决的125个重要的科学难题之一，其中“什么引发了10万年冰期旋回？”，就与中更新世气候转型密切相关。据了解，经典的米兰科维奇理论认为北半球高纬夏季太阳辐射是驱动全球气候变化的主要诱因，然而，具有准10万年周期的偏心率引起的太阳辐射变化甚微，不足以导致10万年冰期气候旋回的发生。因此，中更新气候转型及10万年冰期旋回出现的诱发机理，一直是困扰古气候研究的迷题。近10年来，文章作者们通过钻探黄土高原西北部巨厚的黄土沉积，获取了靖远430米高质量岩心，结合古地磁、26Al/10Be定年和黄土-古土壤地层对比构建黄土发育的年代标尺；利用高分辨率黄土碳酸盐碳同位素(δ13CIC)记录，重建了过去1.7 Ma以来季风降水影响的植被变化，揭示出在1.2 Ma以前以2万年周期为主，到0.7 Ma以后表现为混合的10万、4万和2万年周期，显著不同于深海氧同位素记录的中更新气候周期转型。在上述研究结果的基础上，他们又通过数值模拟实验，揭示出轨道强迫、冰盖及CO2浓度对温度和降水变化的影响存在空间差异，就中国北方而言，温度变化是由岁差和CO2调控，而降水则主要受岁差影响，中更新世之后的冰盖扩张和CO2浓度降低，抑制了耦合的季风-植被演化对太阳辐射的直接响应。据悉，该工作得到国家科技部重点研发计划(2016YFA0601902)和国家自然科学基金委项目( 41472163, 41525008, 41572164)的支持。文章相关信息：DOI：org/10.1038/s41467-018-08257-9 http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2019/1/422419.shtm 我们在2006年发现，水星、金星、地球、火星的轨道偏心率分别为0.206、0.007、0.017、0.093，大气浓度分别为极其稀薄、浓密、标准、稀薄。两者成反比的原因是，较大的轨道偏心率使行星在接近太阳时像彗星一样丢失一部分大气。地球轨道偏心率在冰期时增大为0.0607，使大气浓度和二氧化碳浓度变低，降低了对地球表面的保温作用，导致10万年周期致冷作用的增强。由于地球轨道偏心率10万年周期项振幅不到近日点进动2万年周期项振幅的一半，其引起10万年冰期周期的作用受到质疑。大气浓度变化、地壳均衡运动和强潮汐变化三种作用能增强10万年周期作用，给出10万年冰期周期的合理解释。在八大行星中金星的轨道最接近圆形，偏心率最小，仅为0.006811。这是它有浓密大气的原因。 http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1098158.html http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1119877.html http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1161497.html 参考文献 1. 杨冬红，杨学祥。全球变暖减速与郭增建的“海震调温假说”。地球物理学进展。2008，23 (6): 1813～1818。YANG Dong-hong, YANGXue-xiang. The hypothesis of the ocesnic earthquakes adjusting climate slowdownof global warming. Progress in Geophysics. 2008, 23 (6): 1813～1818. 2. 杨冬红, 杨学祥. 北半球冰盖融化与北半球低温暴雪的相关性 . 地球物理学进展, 2014, 29(2):610-615. YANG Dong-hong, YANG Xue-xiang. Studyon the relation between ice sheets melting and low temperature in NorthernHemisphere. Progress in Geophysics. 2014, 29 (1): 610～615. 3. 杨冬红，杨德彬，杨学祥。地震和潮汐对气候波动变化的影响。地球物理学报。2011，54（4）：926-934. Yang D H,Yang D B, Yang X X, The influence of tides and earthquakes in global climatechanges. Chinese Journal of geophysics(in Chinese), 2011, 54(4): 926-934 4. 杨冬红，杨学祥. 全球气候变化的成因初探. 地球物理学进展. 2013, 28(4): 1666-1677. Yang X X, Chen D Y. Study oncause of formation in Earth’s climatic changes. Progress in Geophysics (inChinese), 2013, 28(4): 1666-1677. 5. 杨冬红, 杨学祥, 刘财. 2004年12月26日印尼地震海啸与全球低温. 地球物理学进展, 2006, 21(3): 1023~1027。Yang D H, Yang X X, Liu C. Global low temperature, earthquake and tsunami (Dec. 26, 2004) in Indonesia. Progress in Geophysics (in Chinese), 2006, 21(3): 1023~1027。 http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1161625.html; 个人分类: 全球变化|2702 次阅读|2 个评论

预想：等高面上的大气密度（场）天气图1，大气密度分析12: 热度 2 zhangxw 2019-1-31 17:14; 预想：等高面上的大气密度（场）天气图 1 ，大气密度分析 12 张学文， 20190129-31 我们对大气密度的分析已经讨论到每天的天气图级别的具体的等值面的特征的分析， http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-1159549.html 。在前面预想的等大气密度天气图上，我们指出图上的等压线竟然与等温线是走向一致的曲线。而在地转风的视角下（风向与等压线平行），这意味着这种天气图上我们是看不到有冷空气流入暖空气区域，也没有暖空气流入冷空气区域。显然在这种视角下，我们难以看到大气在运动中的矛盾、发展或者强度减弱的因素。这也许是等密度天气图的特点和弱点。现在我们再换一个角度分析另外一种天气图：等高面上的大气密度、气温、风矢量和比湿分布图。即我们把气象数据填在此等高面的地理地图上做分析。例如分析距离海平面高处 1 公里， 1.5 公里、 3 公里、 5 公里、8公里、12公里、16公里等等海拔高度的水平面上，分析某水平区域，如中国、亚洲、北半球区域的如上气象变量的等值线图。在这种图上我们不分析等压线而仅分析等大气密度线、等温线、等比湿线而风则用实测风表示。 --- 这应当是我今天 20190131 公布的概念性发明！分析等高面天气图有说明好处？ --- 这有利于我们在相同的水平面（位能相同）上对比各地的大气状态。而我们知道大气位能状态是十分重要环节。我们过去分析等压面天气图无形中忽视了大气位能的变化这个重要因素。注意过去的等压面天气图却不是这样。等高面天气图上的等大气密度线有什么分布特点？我猜想它的布局与等压面天气图上的等高线的布局是有区别的。记得前面我们就指出冬季，对流层内极地的同一水平面上的大气密度比温带大 http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-1157571.html 。在夏季，极地与热带的大气密度差不多，但是这是指多年的平均场的情况。如果具体分析每天的情况，那么不同地点的大气密度的差别就可能对天气系统的发展有提示意义。这些都需要在获得了这种天气图以后才可以做结论。确实更多更细的特色有待我们具体去揭露、分析。这些正是这种天气图的新能力的挖掘点。好了，我的分析与预言先放到这里。期待等高面上的大气密度场天气图早日被绘制出来。; 个人分类: 大气密度2019|2686 次阅读|4 个评论

预言：全球大气里不同密度的空气数量相同？2-大气密度分析10: zhangxw 2019-1-25 17:09; 预言：全球大气里不同密度的空气数量相同？2-大气密度分析10 张学文，20190125 博客 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=2024do=blogid=1158646 中我提出就全球大气而言，不同大气密度的空气占有的百分比是相同的，这样一个具有一定依据但是不完全严格的推测。它等价于概率论中的大气密度为均匀分布。这里我从另外一个思路、侧面继续分析这个问题。这会使前面的推测从这些新角度分析也比较可信。我们知道空气满足理想气体的状态方程。在博客系列中曾经写为 p = d R T .的形式（ p -压力, d- 大气密度,R-空气的气体常数, T -绝对温度）。现在我们考虑全球的大气并且设想用不同的等压面，例如1000百帕，850、700、500等百帕的等压面来代表大气压力的各个层。这样大气就被分割为一层一层的等压面球型薄层。气象学中现在分析等压面天气图就是分析不同等压力薄层的情况。注意在全球大气的各个等压面上，由于各处的压力相同，根据空气的状态方程 p = d R T ，显然气象学里的天气图上的等压面上的等温线也就是等大气密度线。这意味着知道了等压面上的等温线分布，也就是知道了等压面上大气密度线的分布。而在我们过去的工作中（《熵气象学》书40-42页），曾经利用全球各个等压面上的等温线分布，求得全球大气温度几乎是服从均匀分布的。现在我们说明等压面上的等温线与等大气密度线完全对应。所以全球大气温度符合均匀分布几乎是也表达了大气中的空气密度服从均匀分布。以上的认识大体上没有什么问题。它从另外的角度的角度进一步说明： “全球大气密度服从均匀分布”（在大气中任取单位质量的空气，其空气密度，在有限的上下界，0-1.4？千克/立方米之内，为不同值的概率相同）也是合乎情理。上面是我们粗线条的分析。下面再补充说明一个环节：在全球大气的各个等压面上固然是等温线就是等大气密度线（一条线两种含义），但是等温线的温度值越高，它对应的等大气密度值则是越底。针对大气状态方程 p = d R T .取差分(4个符号的含义分别是大气压力 p 、大气密度 d 、空气常数R、绝对温度 T )，有 Δp = Δ ( d R T ) Δp =R( T Δd+dΔT ) 而在等压面上 Δp =0，于是 ( T Δd+dΔT )=0 ，即 ( Δd/d)=-(ΔT/T) 这个式子说明了什么？！显然它说明在等压面上（ Δp =0），如果气温增加了 ΔT ，那么它对应的不是大气密度增加了多少，而是大气密度减少了一些， Δd ，而 Δd 的值由上面的差分来换算： Δd=-(d/T)ΔT 。即等压面上气温增加导致密度减少。显然，由于全球各个等压面上的各个地点的 (d/T) 值不相等，会导致气温在全部大气（各层大气合计）符合均匀分布，大气密度反而与均匀分布有一定的偏差。作为粗略的估算，我们目前先把话说到这个程度吧。结论：全球大气中不同密度的大气占有的百分比大致符合概率论中的均匀分布，但是有一些偏差。; 个人分类: 大气密度2019|2456 次阅读|0 个评论

空气柱里不同密度的空气各有多少1-大气密度分析4: zhangxw 2019-1-12 19:08; 空气柱里不同密度的空气各有多少1-大气密度分析4 张学文，201901012 在大气密度分析3中 http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-1156191.html 我们初步指出走公里以下的大气中在各个水平面上，基本是极地的空气密度大而热带的空气密度小。海平面8公里以上的各个水平面则逐步过渡为极地空气密度小而热带密度大。我们不难理解这个特征与热带地区对流层顶高，极地的对流层顶低的对应的。现在我们转而分析关于大气密度的另外一个分析点：在一个地点的空气柱中，当然是底层空气密度大而高处密度小。那么不同空气密度的空气分别占有多少？为此我们把前面博客内的哈尔滨1月的10年平均的大气压力与大气密度数据复制于下表中。压力（百帕）密度（千克/立方米） 1000 1.382474 900 1.231037 850 1.167689 800 1.103789 700 0.978605 600 0.857384 500 0.737164 400 0.613892 300 0.478111 200 0.316281 150 0.235713 100 0.157284 80 0.125941 60 0.094498 50 0.078784 40 0.062999 30 0.046847 20 0.031514 15 0.023775 根据以上数据，我们分析的大气压力 p 与大气密度 d 的关系图如下： 2019013注：昨天提供的图含有操作上失误，导致其对应的直线关系公式弄错了。现在删去了昨天的图，补上了正确的图。新的图上的公式是正确的。这个图说明哈尔滨1月大气密度与大气压力的线性关系服从好。根据气象学知识我们知道，大气基本时刻满足所谓静力学关系，这可以理解为空气柱的上下层的大气压力差正比例与大气的质量差---相同的压力差对应相同的质量差。所以图中的纵坐标可以直接理解为大气质量。或者说大气密度与大气质量是线性关系。根据这个图上的直线关系，以及大气质量与大气压力的线性关系，我们要认识到：空气柱内不同的大气密度占有的大气质量（几乎）是相同的。这就是我们从哈尔滨1月的平均探空数据中获得的关于大气密度的一个经验公式。--这算我们关于大气密度在这个特殊地点哈尔滨的一月份，找到了一个漂亮的关系。鉴于图中的实际数据与配的经验方程非常一致，而且它们是直线，改用分布函数的语言，我们可以说在哈尔滨的空气柱中，不同密度密的空气占有相同的权重，或者分布函数为概率统计学中的均匀分布函数。这样我们关于空气柱内的空气密度分布特征的认识又进了一步。哈尔滨的这种特征是否具有普遍性？我们在下一个博客再讨论。; 个人分类: 大气密度2019|2911 次阅读|1 个评论

金星被称为地球的“恶魔兄弟”：关键在于行星轨道偏心率的变化: 热度 3 杨学祥 2018-6-20 09:00; 金星被称为地球的“恶魔兄弟”，科学家却认为曾经的金星并非这样 2018年06月20日 06:38 如今，距离太阳系诞生之时已经过去了数亿年之久，在这漫长的时间里，有的星球变得越来越温和，越来越适合生命生存，例如地球。同时，也有部分星球变得越来越可怕，星球的环境越来越恶劣，用寸草不生来形容一点也不为过，例如金星。虽然现在的金星被科学家调侃为地球的“恶魔兄弟”，但很多科学家还是坚信，多年以前的金星，应该是一颗在各方面都与地球相差无几的“姐妹星”，曾经的金星或诞生了高级文明。在太阳系众多行星中，仅有金星在质量、体积等方面与地球有着较高的相似度。但令科学家百思不得其解的是，两颗外形如此相似的星球，其星球环境却有着天壤之别。地球拥有浓厚的大气层、蔚蓝色的海水、青绿色的森林，让人觉得充满生机与活力。而金星，其大气层内的“霸主”是二氧化碳，其大气压是地球大气压的90多倍！此外，金星表面温度高达450摄氏度，还不时会刮起12级热风暴，如此环境，用“地狱”来形容再合适不过，即便有生命力再强的生物，也难以在这样的环境中生存。那么科学家为什么还坚信金星曾孕育过生命呢？众多科学家皆认为，曾经的金星并非是如今“可怕”而又“狰狞”的模样。早在20世纪80年代，美国发射的火星探测器便拍摄到金星表面存在大量城市废墟。这大片的城市废墟显然不可能是在自然力量下自然形成的，科学家猜测，这数目庞大且排列整齐的城市废墟有很大可能是金星早期高级文明留下的遗迹。而在后续的探索中，各种金星探测器也陆续拍摄到金星表面存在特殊建筑残骸、神秘足迹等，这些残留在金星表面的事物似乎都在提醒我们，金星曾经也是一颗很美好很温和的星球。而对于导致金星模样大变的原因，中国科技大学的教授张铁龙认为或与太阳磁场在金星附近产生的重磁联效应有关。 http://k.sina.com.cn/article_5554171622_14b0deee6001008ar5.html?cre=sinapcmod=gloc=6r=0doct=0rfunc=65tj=none 行星大气密度：为什么金星浓密而火星稀薄？已有 1019 次阅读 2018-2-2 15:15 行星大气密度：为什么金星浓密而火星稀薄？杨学祥，杨冬红我们在2006年发现，水星、金星、地球、火星的轨道偏心率分别为0.206、0.007、0.017、0.093，大气浓度分别为极其稀薄、浓密、标准、稀薄。两者成反比的原因是，较大的轨道偏心率使行星在接近太阳时像彗星一样丢失一部分大气。地球轨道偏作心率在冰期时增大为0.0607，使大气浓度和二氧化碳浓度变低，降低了对地球表面的保温作用，导致10万年周期致冷用的增强。由于地球轨道偏心率10万年周期项振幅不到近日点进动2万年周期项振幅的一半，其引起10万年冰期周期的作用受到质疑。大气浓度变化、地壳均衡运动和强潮汐变化三种作用能增强10万年周期作用，给出10万年冰期周期的合理解释。参考文献杨冬红, 杨学祥, 刘财. 2004年12月26日印尼地震海啸与全球低温.地球物理学进展.2006,21（3）：1023-1027 http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1098158.html 结论：金星轨道偏心率为0.007,不到地球的二分之一，是金星大气密度最大温度最高的原因，如果它曾经存在生命，那是它曾经拥有一个较大偏心率的缘故。; 个人分类: 学术争论|4550 次阅读|6 个评论

状态空间中的大气-《气象随机场的分布函数及其转移矩阵》-（12）: 热度 1 zhangxw 2014-7-16 12:12; 状态空间中的大气 - 《气象随机场的分布函数及其转移矩阵》 - （之 12 ）张学文，2014.7.16 上一讲我们介绍了统计物理学中的状态空间（相空间）概念以及它在气象问题上的使用。并且指出状态空间即可以表达一个自变量的气象分布函数，也可以表达两个或者更多个自变量的分布函数。这样我们看到气象场的分布函数概念可以理解为大气在状态空间中的存在情况的表达。而话也可以反过来说：在状态空间中，它给出了地球的大气状态是如何分布的。而下面 2007 年我的文章（发表在沙漠与绿洲气象杂志）基本上表达了这些认识。它表达了地球大气在压力、温度、三维的风矢量这 5 个自变量构成的 5 维状态状态空间中的分布密度。该文原标题是广义大气密度函数，现在我们在状态空间中的大气分布标题下转帖其内容。（其中的图2就是前一讲中的附图） -- 张学文， 2014 年 7 月 16 日注。广义大气密度函数张学文乌鲁木齐沙漠气象研究所，中国气象局，乌鲁木齐，830002 摘要本文把大气密度函数的定义从几何空间扩大到相空间（如压力温度等），引入了广义大气密度函数概念、讨论了这个函数的计算方法和积分特点、给出了两个简单的广义大气密度函数实例,还讨论了相空间中的大气方程组问题。关键词：大气密度，相空间 1. 大气密度函数气象学把大气状态用气压 p 温度 T 密度 ρ 和风矢量 V 在各地的数值表示。如以 λ，φ，z，t 分别表示空气所在的经度纬度高度和时间，地球大气状态可以用如下函数表示 p=p(λ,φ,z,t) T=T(λ,φ,z,t) ρ=ρ(λ,φ,z,t) v = v( λ,φ,z,t) 气象观测（预告）的任务就是取得这个函数的当前值（未来值）。由于大气密度可以用气体状态方程的压力与温度计算出来,加之大气密度不是直接的观测量，人们在认识了大气密度的连续方程后就没有再多研究它。文献从最大熵原理推出了关于大气密度的新方程，这提示我们从大气密度的侧面分析大气有其独到的优点。沿着这个思路，本文是把大气密度的定义从几何空间扩展到相空间，并且揭示其某些特点。 2. 广义大气密度函数大气密度函数 ρ （ λ,φ,z,t ）的含义是 t 时刻在地球的 λ,φ,z 处的单位几何空间中的空气质量，它可以回答地球上的空气在高空密还是在地面处密集、在赤道处密集是在极地密集这样一些问题。但如果问：全部地球空气中是在高温处的空气多还是在低温处的空气多、是运动快的空气多还是运动慢的空气多或者处于高压下的空气多还是低压下的空气多？…大气密度函数就不能直接回答。为了研究地球全部空气在例如气压、温度、风矢量所构成的抽象的空间（相空间）中的疏、密程度的分布，本文引入了广义大气密度函数概念。具体地说， t 时刻在全球所有的空气中如果在元相空间（相体积） p→p+Δp T→T+ΔT v → v + ΔV 内的空气元质量为 Δm ，那么 t 时刻广义大气密度 ρ （这里仍借用原表示密度的符号）就是大气元质量 Δm 与元相空间的比值（当每个元量都趋向无穷小时），即 lim( Δm/ ΔpΔT ΔV )= ρ 由于这个比值不可能在相空间中的每个地方（相点）都相等，所以一般地说这个比值应当是相空间的位置和时间 t 的函数，即新定义的广义大气密度应当写成 ρ ( p,T, V )=)=lim( Δm/ ΔpΔT ΔV ) 广义大气密度函数 ρ （ ,t ）是 t 时刻全地球的空气中其压力、温度、风矢量为处的单位相空间中的空气质量（后面对这个函数的定义要放宽）。由于风矢量本身是三维的矢量，所以广义大气密度函数是5维相空间中随时间变化的函数。它描述了全球大气质量于 t 时刻在气象变量构成的相空间中的分布情况。它为认识大气提供了一个新的视角，知道了这个函数就可以回答例如全球空气中是在高温处的空气多还是在低温处的空气多、是运动比较快的空气多还是运动慢的空气多或者处于高压的空气多还是低压下的空气多这些类型的问题。 3. 如何求广义大气密度函数现在全球有统一的气象观测网，如果从这个网上得到 t 0 时刻全球的气象观测数据，利用观测的气压、温度和气体状态方程就可以计算出全球的大气密度函数在空间的分布，即大气密度函数 ρ （ λ,φ,z,t 0 ）。本文提出了广义大气密度函数的概念后又是如何得到这个函数以描述大气在相空间中的分布呢？实际上对全球的气象观测不仅得到了每个空间点的压力温度和风矢量值，也可以进一步统计、换算出不同的压力温度和风矢量下的大气各有多少的。而有了这些数据也就是求得了广义大气密度函数。在文献中用相当的篇幅介绍了求“分布函数的方法”。在本文后面要说明那里讨论的分布函数就是这里的广义大气密度函数。所以可以从该文献中找到具体的换算出广义大气密度函数的方法,这里就不介绍了。明确了广义大气密度函数可以从已知的压力温度和风在全球的分布中换算出来，也就对这个函数有了进一层认识。 4. 广义大气密度函数的积分广义大气密度函数可以从全球气象观测数据中换算出来，但是5维相空间中的函数我们没有办法在两维的平面上表示出来。为了简化问题，讨论它的积分性质是有益的。如果把大气密度函数 ρ （ λ,φ,z,t 0 ）对地球的经度作360度的积分，对纬度从赤道分别积分到南极和北极，对高度从地面积分到大气上界，那么应当得到全球大气的总质量 M 即应当有 M=∫∫∫ ρ=ρ(λ,φ,z,t)dλdφdz 模仿以上做法，但是把广义大气密度函数对压力温度和风矢量作5重积分（风的三个分量对应3重积分）也应当得到地球大气的总质量 M （积分式略）。如果仅对温度和风矢量作积分，就得到了全部地球上的空气质量在压力构成的一维相空间中的分布。 ρ= ∫∫ ρ(p,T, v ,t)dTd v ρ= ρ(p,t) 以上积分遍及地球大气温度和风矢量可能出现的所有区间，积分后得到的是单位压力范围内的大气质量，即包围着地球的两个相间为1（如1hPa）的等压面之间的空气质量。如果仅对风矢量作积分，应当得到在温度压力的两维相空间中的广义大气密度函数，即 ρ= ∫ ρ(p,T, v ,t)d v ρ= ρ(p,T,t) 这个两维的广义大气密度函数（它与状态方程不是一回事）表示了全球大气在由压力温度构成的相空间中的分布的疏密情况（ t 时刻）。即地球上不同压力和温度下的空气各有多少。综合以上讨论可以看出对广义大气密度函数的积分如果遍及每个变量，积分后就得到地球大气的总质量，如果留有某个变量没有作积分而仅对其他变量积分，就得到一个新的维数比较低的一种广义大气密度函数。有鉴于积分后的结果可能仍然是有广义大气密度函数的含义（仅是维数低了），我们没有必要限定仅有5维的相空间中的大气密度是广义大气密度函数。看来可以放宽对维数的限制，而且还可以放宽对变量的限制。据此把地球上的广义大气密度 ρ 的定义改为大气状态的变量（矢量，如压力温度或者经纬度等）有单位增量（单位相空间）时全地球大气质量的对应的增加量。这里的理解为一个描述大气状态的多维矢量（也可以是一维的），它可以代表3维的几何空间中的坐标，也可以代表压力温度风或者位温比湿等等。而广义大气密度的值在不同的位置上并不相同（地球大气处于物理学意义下的非平衡态，物理学意义下的平衡态则是各处的密度相同）。 5. 广义大气密度函数示例前面的讨论比较抽象，但是当定义放宽后就可以在平面上用图表示低维的广义大气密度函数了。这里给出两张贴图，一个表示两种一维的广义大气密度函数，另一个表示在气压温度（两维）的相空间中的广义大气密度函数。图（1A）是早已熟悉的大气密度在高度上的分布的示意图。它清楚地显示了底层大气密集而高层大气稀薄的特点，它对应的大气密度函数是 ρ=ρ(z) 。图（1B）表示的是大气密度在气压上的分布情况。它最突出的特点是无论气压高的地方还是气压低的地方大气密度（指气压的相空间中的大气密度）都是相同的。或者说在气压张开的相空间中地球上的大气质量呈现均匀分布。即夹在任何两个压力差相同的两个薄层间的空气的质量都是相等的。　为了证明以上认识现计算两个等压面 ΔP 之间的地球大气的质量：依文献的30~31页，设夹在 p→p+Δp 两个等压面间的大气质量为 ΔM ，而这两层之间的平均的大气密度（指几何空间中的密度）为 ρ ，大气质量 ΔM 为大气密度与体积 Δv 的乘积，即有 ΔM=ρΔv 体积 Δv 显然是等压面间的高度差 Δz 与地球表面积 s 的乘积 ΔM=ρΔv ΔM=ρsΔz 将精度很高的静力方程 Δp=-ρgΔz 代入，并注意到我们仅关心压力差的绝对值，就有 ΔM=（s/g）Δp 上式中 g 是重力加速度，它与 s 都是常数，所以上式说明夹在两个等压面之间的大气质量与等压面之间的压力差成正比。即相同的压力差之间的大气质量都相等而与气压的绝对值无关。这就证明了图(1B)是正确的。图(2)是根据文献计算的全球大气在气压和温度构成的相空间中的分布密度图（年平均）。图中每个黑点都代表相同的大气质量。任何部位如果黑点比较多，说明处于该压力温度区间的空气就越多。图中黑点几乎集中在一个倾斜的狭长地带，说明在全部地球大气中处于气压高地方而且温度也高的状态的空气多。而气压低的地方，空气都以低温状态出现。（图2就是前一讲，之11，中的附图）熵气象学（如文献）过去揭示的一些面对全球大气的分布函数（如大气位温的分布函数）实际上都是这里介绍的广义大气密度函数。在熵气象学里可以找到更多的广义大气密度函数的实例。 6. 讨论广义大气密度函数概念开阔了认识大气分布规律的视野。促使我们考虑如下四方面的问题：从资料中分析在不同的相空间中大气密度的分布规律、给出不同空间中大气密度的普遍的换算公式、从理论上寻找在相空间中的大气方程组、把最大熵原理用到各种大气密度分布函数上去。 l 揭示大气在相空间中的分布把广义的大气密度函数的含义放宽后，图（1）、图（2）仅是它们的个别的事例。现在这个函数中的自变量可以是几何空间（如过去），可以是本文介绍的压力温度和风矢量，也可以是其它的变量例如单位质量大气的能量（位能、内能、动能）、比湿、位温、涡度等等。它可以是这些变量构成的多维空间也可以是某个变量对应的一维相空间。无论是一维空间的，还是多维空间的大气密度分布函数，用实际资料计算它的时候都要求用全球的同一时刻的全层大气资料（也可以用多时刻的资料计算年平均、月平均）。其计算方法见文献。实际上从广义大气密度函数的定义不难看出文献中介绍的全球大气中分布函数就是本文中介绍的广义大气密度函数。文献中计算出来的面对全球大气的一维分布函数约有近10种，现在看来它们都是一维的广义大气密度函数的事例（那里也有一个三维相空间的例子）。气象部门要得到每天的全球大气的全层资料并不难，要参照文献计算广义大气密度每天的函数值也不难。现在应当有更多的这方面的实例揭示出来并且进一步寻找其规律性。 l 导出不同相空间中广义大气密度函数的普遍的换算公式明确了广义大气密度函数的含义又知道了从实际气象观测数据中可以换算出这个函数来，估计可以找到一种通用的公式把一种（广义）大气密度函数换算出另外一种广义大气密度函数来。我们已经指出了大气密度与概率密度有等价关系，而在概率密度问题里对一一变换下的变量转换已经给出了变换公式，余下的任务是把它结合气象问题具体化。 l 揭示大气在相空间中的运动规律空气确实在几何空间中运动，而这种运动也伴随着它在相空间中作对应的运动。空气在几何空间中的运动规律我们已经有了一个方程组了，空气在相空间中也应当有对应的方程组。过去的连续方程实际是几何空间中的大气密度方程。现在有了相空间中的广义大气密度函数，当然也应当存在相空间的大气连续方程。过去我们使用几何空间里的运动方程组。当把自变量改为温度、压力和风矢量以后，我们要寻找出地球大气在这些变量组成的相空间的对应的方程组。得到大气在相空间中的运动方程组就为认识大气运动提供了新的视角，也许它们使大气的规律体现得更鲜明。 l 在相空间里把最大熵原理和大气基本方程组联合起来文献指出对大气密度函数的一种积分具有熵的意义。由于大气运动本身就具有内在的随机性，熵是随机性导致的物质状态的复杂程度的度量，所以大气总体状态所对应的熵应当自动达到它力所能及的最大值。研究广义大气密度函数对于把最大熵原理与大气连续方程、运动方程、热力学第一定律在数值预报中协同处理、计算大气的变化自然要方便很多。可以想象多了一个方程，我们对大气运动的认识就提高一大步。 7. 小结 l 本文把大气密度的含义从单位体积有多少空气扩大到单位相空间（如单位压力、单位温度等）里有多少空气。相空间里的大气密度是相空间位置和时间的函数（如图2）。它是广义的大气密度函数。 l 本文讨论了这个函数的积分性质、指出了它们与熵气象研究中引入的大气分布函数本质上是相同的。本文还提出了寻找不同的大气密度函数的换算公式和寻找在新空间里大气的基本方程组问题。参考文献 1. 张学文.大气密度方程 .气象学报,1998,56卷，3期：377~382 2. 张学文，马力.熵气象学.北京:气象出版社,1992,17~67 3. 马力、张学文.全球大气位温的两个不等价约束及其服从GAMMA分布的证明大气科学 1996，20卷，6期，713-719页 4. F M Reza. An Introduction to Information Theory . New York: McGraw-Hill BOOK COMPANY INC. 1961,208-215 5. S Chapman, T G Cowling. 非均匀气体的数学理论 . 刘大有等.北京：科学出版社，1985年，26-28 --------------; 个人分类: （熵+统计）气象学|3968 次阅读|3 个评论

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标签: 大气密度

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