从《流浪地球》的世界设定说起——地球自转停止，大气层会 ...

散粉的火把煌

在《流浪地球》影片设定中，大刘想要将地球推出太阳系，于是第一步将地球停转了！史称刹车纪元！地球停转了！！！这种世界背景设定，合理吗？
既然是科幻片，大可不必斤斤计较，直接接受这种世界设定也是一种选择，如果你是怎么认为的，读到这里就可以止步了。如果你想要多走一步，问个“地球停转这个设定合理吗？”，咱们可以一起讨论一番，也可以让小破球更“硬”些。
地球停转会产生什么？如今网上已经吵翻了天。有人在百度百科上普及说“地球停转，风会把人撕碎，或者什么人要被甩到太空中去”等等。这些一眼就能看破的质疑，我这里就不一一辩驳了。其中有一个质疑是非常有质量，那就是——“地球自转停止，大气层会消失。”
支持这个观点的基本逻辑是这样的：
1. 地球自转形成了地球磁场
2. 地球磁场会避免太阳风剥离大气层，从而保护大气层
为了避免篇幅过长，我先将“地球停转的设定完全可行”的逻辑放在最前面，后面再讲正反两方的观点及原因。
1. 同意正方第一个观点。地球的磁场就是地球的自转所致，就是根源于地球自转。是地球内部跟着地球自转的带电粒子分布的部分有序化，产生了我们地球的磁场。
2. 不同意正方第二个观点。地球磁场会将太阳风中的高能粒子聚集到南北极，然而该过程不能够有效地保护大气层。高能粒子（太阳风）将能量传递给南北极大气层（南北极大气层比赤道大气层更厚），大气中的气体分子获得了极高的能量，产生电离效应（产生极光）。这些高能气体分子脱离地球的引力束缚，沿磁场线方向逃逸到逃逸层外（洛伦兹力为零），被其它未进入地球范围的太阳风捕获并带走。该过程，就是大气层被剥离的过程。2018年天文学界最新观点认为，由于磁场的存在，额外的能量进入了地球的南北极，吸收了比没有磁场更多的外来能量（能量来自太阳风），从而丢失了更多的大气层。每一年，科学界估算，地球大气层每年损失6万吨气体。而对比地球大气层数千万亿吨的气体总重量，丢失所有大气层需要1千亿年。
2018年5月份荷兰诺德韦克市召开的行星学对比研究国际会议摘要：加州大学洛杉矶分校的地球物理学和空间物理学教授克里斯托弗拉塞尔说，“我们经常告诉自己，我们很幸运生活在这个星球上，因为我们有这个强磁场屏蔽保护我们免受各种伤害，比如宇宙射线、太阳耀斑和太阳风的危害。但是事实上地球磁场不能有效地保护大气层。”该观点得到了欧洲宇航局恒星簇计划长期观测数据结果的支持。
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经典观点：地球磁场保护了大气层
    理论上有可能，因为美国宇航局在研究火星大气时就发现，地球同样面临大气被太阳风剥离的可能性。不过至少目前看，地球没有火星那么严重，但太阳风的影响是显著的，再过个几亿年，地球也会面临同样的问题。地球大气层从地表开始，分为5层，分别是对流层、平流层、中间层、热层以及外逸层。


    外逸层下界距地表800公里，而上界距地表2000至3000公里，且在外逸层中气体逸散入空间的情况很严重，在这个高度磁场不能偏转所有的高能粒子和太阳风，因此外逸层的空气常常受到宇宙射线等的作用发生电离。地球大气层的高度基本是由地球的引力决定，如果地球的大气层厚度要增加，需要的引力就更大，如此才能束缚住那么多的气体，否则高层大气就会很快逸散入外层空间。


    除了引力，磁场对大气层的厚度也有很大影响，而磁场又与行星自转速度等因素有关，比如金星和火星，火星磁场较弱，无法保护其大气免遭太阳风的冲击，大量火星大气逸散入外层空间，最终造成火星上稀薄的大气层。所以地球的大气层至少要引力与磁场都加强才会变得更厚，单个加强并不会起到太大的作用。
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2018年5月份最新观点：地球磁场没有保护大气层
地球大气在太阳风的影响下每年能“丢失”多少气体？
    科研人员震惊地发现，地球大气层每年损失6万吨气体流失速度超过火星和金星。
    科学家通常认为对地球具有防护屏作用的磁气圈能够保护地球大气层，但最新研究显示，磁气圈和太阳风发生相互作用，导致大气层气体流失。地球的磁场区域被称为磁气圈，起到保护地球生物的作用，它可以阻挡来自太阳的带电粒子流，有效地阻挡着太阳风的侵袭，可避免带电粒子流将能量传输至大气层中的气体分子，从而使气体分子无法逃离地球的重力牵引。因为地球磁场较强，而火星和金星磁场弱到几乎可以忽略，因此按照原先的观点，地球大气应该比金星和火星大气受到更多防护。这可能意味着地球磁场屏蔽不但不能防护大气层，还是导致大气流失的“帮凶”。
    加州大学洛杉矶分校的地球物理学和空间物理学教授克里斯托弗拉塞尔说，“我们经常告诉自己，我们很幸运生活在这个星球上，因为我们有这个强磁场屏蔽保护我们免受各种伤害，比如宇宙射线、太阳耀斑和太阳风的危害。但是事实上地球磁场不能有效地保护大气层。”
    在2018年5月份荷兰诺德韦克市召开的行星学对比研究国际会议上，拉塞尔和其他科学家共同认识到了这一点。三名分别进行地球、火星、金星研究的科学家将各自的研究成果进行了对比，结果有了这令人震惊的发现。
    造成这种情况出现的“肇事者”是太阳风爆发时所释放出的带电粒子流。
    “太阳风对金星和火星几乎不会产生什么作用”，拉塞尔说：“而地球磁场和太阳风发生相互作用，地球的磁气圈要远大于地球大气层，这意味着带有磁场的行星将从太阳风中吸引更多的能量，这些额外能量将呈现漏斗状朝向地球磁极，因此在地球极地上空电离层的分子能够加速逃逸。太阳风不仅会产生极光现象，而且能使地球大气层温度升高至导致大气层气体沿磁场线逃逸的程度，逃逸的气体会被太阳风捕获。”
    在此之前也有研究发现到这一点，欧洲宇航局恒星簇计划中显示地球极地每年逃逸的离子数量是其他太阳行星的两倍。当我们承受于低太阳活动状态下，强烈的太阳风对于年轻的地球和火星形成早期大气层扮演着重要角色。瑞典基律纳市瑞典太空物理研究中心的斯塔斯-芭拉芭什(Stas Barabash)计算显示，受磁气圈影响，地球大气层每年损失6万吨气体，而对比地球大气层数千万亿吨的气体总重量，这一损失量并不会对大气层构成损害，所以我们并不用对此太过担心。




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背景介绍
什么是太阳风：
    太阳风是从太阳上层大气射出的超声速等离子体带电粒子流。在不是太阳的情况下，这种带电粒子流也常称为“恒星风”。太阳风是一种连续存在，来自太阳并以200-800km/s的速度运动的高速带电粒子流。这种物质虽然与地球上的空气不同，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，但它们流动时所产生的效应与空气流动十分相似，所以称它为太阳风。2012年3月，5年来最强的一次太阳风暴在7日上午喷发，无线通讯受到影响。
    太阳风（solar wind）的密度与地球上风密度相比是非常稀薄而微不足道的。一般情况下，在地球附近的行星际空间中，每立方厘米有几个到几十个粒子，而地球上风的密度则为每立方厘米有2687亿亿个分子。然而太阳风虽十分稀薄，但它刮起来的猛烈劲，却远远胜过地球上的风。在地球上，12级台风的风速是每秒32.5米以上，而太阳风的风速，在地球附近却经常保持在每秒350～450千米  ，是地球风速的上万倍，最猛烈时可达每秒800千米以上。
    由于日冕具有高温，气体的动能较大，因此可克服太阳的引力向星际空间膨胀，形成不断发射的一种较稳定的粒子流，这就是太阳风。太阳风的主要成分是质子和电子，还有少数是氢原子核等，这些挣脱了太阳引力的粒子沿着日冕的磁力线，飞向星际空间。在太阳附近，太阳风基本沿径向行进; 在远离太阳的区域，太阳光线由于受太阳自转的影响，形成阿基米德螺线，太阳风就伴随此螺线射向太空。