牛津通识读本：地球 [2]
地球凭借着自身的磁场，即磁层，来躲避太阳风。太阳风带电，所以是一种电流，无法穿越磁场线。相反，它会压缩地球磁层的向阳一侧，就像是海上行船时的顶头波，并且顺着风向拖出一个长尾，其长度几乎能够触及月球轨道。磁层中捕获的带电粒子在磁场线之间组成粒子带，并被迫旋转，从而产生了辐射。1958年，詹姆斯·范艾伦[4]在美国“探险者”1号卫星上放置了太空中第一个盖革计数器，首次发现了这些辐射带。要想延长航天器的使用寿命，就必须避开这些区域，没有防护设备的宇航员一旦进入这些区域，也会性命难保。
图2 地球磁包层图，太阳风将磁层向后扫进一个彗星式的结构。箭头指示电流的方向
地球的磁场线冲向极地，太阳风中的粒子也会在那里进入大气层，向下射出活跃的原子，产生壮观的极光。在大气层顶部，太阳风自身的氢离子会产生粉红色的薄雾，其下方的氧离子产生红宝石色的辉光，而同温层中的氮离子则产生蓝紫色和红色的极光。偶尔，太阳风中的磁场线会被迫靠近地球的磁场线，使两者重新接合，往往会导致能量的巨大释放，形成更加壮观的极光。
脆弱的面纱
大气层的顶部没有明确的高度；航天飞机所处的近地轨道距地面260公里，那里的气压只有地面的十亿分之一，几乎就处于大气层之外了。但那里每一立方厘米空气中仍有大约十亿个原子，这些热粒子带电，因而对航天器会有腐蚀作用。在太阳活动最剧烈的时期，大气层会轻微膨胀，对近地航天器产生更大的摩擦阻力，所以为了让这些近地航天器保持在轨道之中，必须加大推力。80公里之上的顶部大气层有时被称为热大气层，因为那里非常热，不过那里的空气非常稀薄，不会灼伤皮肤。
大气层的这一区域还会吸收太阳发出的危险的X射线和部分紫外线辐射。因此，很多原子被“离子化”了，也就是说它们会失去一个电子。基于这一原因，热大气层也叫电离层。电离层导电，会反射某些频率的无线电波，这就是为什么全世界的人可以通过设置在地平线上方的发射机传送信号，听到短波无线电的广播。
地面之上仅仅20公里处，在热大气层、中间层和大部分同温层之下，大气中的空气含量仍不足10%。正是在这一高度附近，存在一个稀薄的臭氧层，所谓臭氧，即含有三个氧原子的分子。含有两个原子的普通氧分子被太阳辐射分离时，其中的一些就会重组为三原子的臭氧。对地球而言，臭氧是一种高效的防晒霜。如果地球大气层中所有的臭氧都浓缩在地面，就会形成一层只有约三毫米厚的臭氧层。但它依然能够过滤近乎全部的短波紫外线辐射——这是太阳发出的最危险的辐射——以及大部分中波紫外线。因此，臭氧层让生命免受晒伤和皮肤癌的威胁。由于人类活动所释放的氯氟烃等化学物质的严重破坏，整个臭氧层变得稀薄，而在清寒的春季，极地区域上空特有的臭氧空洞也越来越多。各个国际协定的签署有效放缓了氯氟烃的释放，臭氧层应该会恢复如初，但化学物质会长期存在，臭氧层的复原仍需时间。
循环与周期
对流层位于大气层最接近地面的15公里范围内，是活动最频繁的区域。天气变化就发生在这里。云生云消，风起风止，地球上的温湿转换，都在这里进行。在一个充满生机的星球上，一切看上去都像是能量的循环和流动。在靠近地表的对流层，这些循环都是由太阳能驱动的。随着地球绕自轴旋转，生成明显的昼夜更迭，地面也随之冷热交替；地球绕太阳公转则产生了一年内的季节变换，这是因为两个半球轮换着接收到更多的阳光。但还有比这更长的周期，比如地轴以数十万年为周期来回摆动。
就像地球绕太阳旋转一样，月球也绕着地球旋转。绕行一圈大约需要28天，这正是月份的由来。随着地球绕轴自转，月球的引力拉动地球周围的海水上涨，引发了潮汐。潮汐还能够抑制地球自转，昼夜更迭随之放缓。四亿年前的珊瑚化石上的日增长带表明，当时的昼夜时间要比现在短几个小时。
月球有助于地球的公转轨道保持稳定，从而稳定了气候。不过还有比这长得多的周期在起作用。地球围绕太阳公转的轨道并非标准圆形，而是一个椭圆，太阳位于两个焦点之一。因此，地日距离随着地球的公转而时刻变化着。此外，变化程度本身也会在95800年的周期内发生变化。而地球的自转轴也像失去平衡的陀螺那样，缓慢摇摆或按岁差旋进。在一个21700年的时间周期，地轴的轨迹可以描绘成一个完整的锥形。当前，地球在北半球的冬季距离太阳最近。地球自转轴与其绕太阳公转的轨道间的倾斜度（倾角）也会在41000年的时间周期内发生变化。这些所谓的米兰柯维奇循环[5]经过数万乃至数十万年的累积，就会对气候产生影响。325万年来，地球受到冰川期等现象的影响，都被归咎于米兰柯维奇循环。但事实上原因很可能更加复杂，这些循环的作用往往还会被海洋循环、云量、大气组成、火山气溶胶、岩石的风化、生物生产力等因素放大或缩小。
太阳周期
变化周期并不仅限于地球，太阳也会变化。在其50亿年的生命历程中，太阳变得越来越热。然而同一时期，由于温室气体水平下降，地球的表面温度却要恒定得多。这主要是生命体在起作用，植物和藻类消耗了大量二氧化碳，而二氧化碳的作用就像一张毛毯，给年轻的地球保暖。太阳还发生了其他变化。常规的太阳周期为11年，其间太阳黑子活动由盛转衰，继而反映出太阳磁活动的周期，而太阳磁活动产生了太阳暴和太阳风。其他类日恒星似乎有大约三分之一的时间没有太阳黑子，这一状态被称为蒙德极小期[6]。我们的太阳在公元1645-1715年间曾发生过这种情况。太阳能只下降了大约0.5%，却足以让北欧陷入所谓的“小冰川期”，经历一连串极其严酷的冬天。彼时寒冬冰封了伦敦的泰晤士河，也就有了在冰面上举办的集市和霜降会[7]。
炙热的空气
太阳并非普施温暖，赤道地区最暖和。空气受热膨胀，气压升高。为恢复平衡，就有了风和空气流通。在这一切发生的同时，地球继续自转，空气也因而获得了角动量。赤道地区的角动量最大，结果产生了所谓的科里奥利效应。大气层与固体的星球并非紧密耦合，因此，当赤道风起时，风的动量与其下地表的自转无关。也就是说相对于地表，风在北半球弯向右侧，而在南半球则弯向左侧。这形成了高气压和低气压的空气循环体系，也就是给我们带来雨水或阳光的天气系统。
大片陆地和山脉也会影响热循环和水分循环。比如，在喜马拉雅山脉隆起之前是没有印度季风的。最重要的是，海洋在储存热能和环球传输热能方面发挥了重大作用。海洋顶部两米的热容量与整个大气层相当。与此同时，洋流中也进行着热循环。但表层环流并非全部。北大西洋的湾流就很能说明问题。北大西洋湾流携带着来自墨西哥湾的暖水流向北部和东部，这也是欧洲西北部冬季的天气比美国东北部温和得多的原因之一。随着暖水流向北方，其中一部分蒸发到云中，因而即使英国人外出度假，他们头顶上似乎也总是笼罩着这团裹带着水蒸气的云。余下的海洋表层水冷却下来，盐度也与日俱增。如此一来，这些表层水的密度也会上升，最终下沉，向南流到大西洋深处，大洋环流的传送带至此结束。
突然袭来的严寒
大约11000年前，地球结束了最后一次冰川期。冰雪融化，海平面上升，气候普遍变暖。紧接着，不过数年之后，天气突然再次变冷。这一变化在爱尔兰尤为突出，在那里，沉积岩芯中的花粉显示，植被突然从温带疏林恢复成苔原，后者主要是一种仙女木属植物。拉蒙特—多尔蒂地质观测所的沃利·布勒克尔对当时可能的情况进行了研究。随着北美地区的冰原后退，融化的淡水在加拿大中部形成了一个巨大的湖，其规模远比如今的北美五大湖地区要大得多。起初，湖水沿着一条大岩脊的方向流入密西西比河。随着冰层后退，东面突然出现了一条流向圣劳伦斯河的水路，海拔低得多。这个巨大冰冷的淡水湖几乎立即流向了北大西洋。入海的水量如此之大，海平面随即上升了30米之高。入海的淡水稀释了北大西洋表层水的盐分，事实上制止了大洋环流的传送带。因此，再也没有流向北大西洋的暖流，极寒天气卷土重来。1000年后，就像此前突然消失一样，大洋环流突然又重新开始，温暖的气候也回来了。
北大西洋的深水与南极地区冰冷的底层水一起，在远至印度洋和太平洋的深处找到了归宿。深层流持续汇入北太平洋，在其再次上升到表面之前，慢慢积累了各种养分。
全球温室
地球大气层中某些气体的作用就像温室的玻璃一样，把阳光放进来加热地表，却也能阻止所产生的红外热辐射逸出。如果不是温室效应的作用，全球平均气温会比现在低15℃左右，生命几乎无法维系。温室气体主要是二氧化碳，但包括甲烷在内的其他气体也起着重要作用。水蒸气也一样，人们有时会忘记它在这方面的贡献。在数亿年时间里，植物通过光合作用从大气中消除二氧化碳，动物通过呼吸产生二氧化碳，已经形成了一个大致的平衡。大量的碳埋藏在石灰岩、白垩和煤炭等沉积物中，火山爆发则将碳从地球内部释放出来。
近年来，人们越来越关注所谓的温室效应加剧，即人类活动引起大气层中的温室气体水平显著上升。煤炭和石油等化石燃料的燃烧是罪魁祸首，但农业活动会产生甲烷，砍伐森林会从木材和土壤中释放二氧化碳，植被减少使得二氧化碳无法被再次吸收等，也难辞其咎。气候模型显示，这些活动可能会导致全球气温在下个世纪上升若干度，同时伴随着更为剧烈的极端气候，并有可能导致海平面上升。
气候变化
1958年以来，有人仔细记录了夏威夷某座孤峰上二氧化碳水平持续的年增长率。全世界连续130多年的精确气候数据证实，全球平均气温升高了半度左右，最近30年的影响尤为显著。但自然界的气候记录可以追溯到很久以前的远古时期。树木的年轮载列出在它们存活期间干旱和严霜的发生以及野火的频率。从现今保存的木材的重叠层序向前推测，可以显示5万年前的气候状况。珊瑚的生长轮可揭示同一时段的海表温度。沉积物中的花粉粒记录了700万年间植被格局的变迁。地形展现了过去的冰川作用和数十亿年间的海平面变化。但某些最为精确的