地球大氣層在哪裡結束,外太空又在何處開始?

2022年05月05日10:22
地球大氣層的不同層次都各有特點
地球大氣層的不同層次都各有特點

  5月5日消息,據國外媒體報導,當登山者攀登珠穆朗瑪峰時,通常都必須攜帶氧氣瓶,這是讓他們能在高海拔地區自由呼吸的必要設備。當我們越接近地球大氣層的邊緣,可獲得的氧氣就越少,相比之下,海平面的氧氣就十分豐富。

  這隻是地球大氣層隨高度而變化的一個例子。從海平面附近的對流層,到最外部的散逸層,地球大氣層的各個層次都有不同的基本組成。根據美國國家氣象局的介紹,每一層大氣的開始和結束都由4個關鍵特徵決定,即溫度變化、化學成分、密度和內部氣體的運動。

  那麼,考慮到這4個特徵,地球的大氣層到底在哪裡結束?外太空又在何處開始?地球大氣層的每一層都發揮著各自的作用,包括阻止致癌的宇宙輻射,以及提供形成液態水所需的壓力,從而確保了這顆藍色星球能夠容納各種各樣的生命形式。

  距離地球表面越遠,大氣的密度就越小,其成分也發生了變化,較輕的原子和分子開始占主導地位,而較重的分子仍然停留在地球表面附近。當你在大氣中上升時,你上方大氣的壓力或重量會迅速減弱。儘管商用飛機有增壓艙,但高度的快速變化仍會影響連接耳朵、鼻子和喉嚨的細長咽鼓管。這就是我們的耳朵在飛機起飛時可能會出現耳鳴的原因。

  最終,空氣會變得過於稀薄,使得傳統飛機無法產生足夠的升力,進而無法飛行。此處便是科學家劃定的區域,標誌著大氣層的終結,外太空的開始。這條界線被稱為卡門線(Kármán line),以匈牙利裔美國工程師和物理學家西奧多·馮·卡門命名。卡門在1957年成為第一個試圖定義地球和外太空邊界的人。

地球大氣層的垂直結構示意圖,可大致分為對流層、平流層、中間層、熱層和散逸層
地球大氣層的垂直結構示意圖,可大致分為對流層、平流層、中間層、熱層和散逸層

  卡門線標誌著地球和太空的邊界,不僅表明了航空飛行的高度極限,而且對於航天器和衛星成功圍繞地球運行也至關重要。卡門線是一個大致的區域,表示衛星在該高度以上將能夠繞地球運行至少一次,不會燃燒或脫離軌道。

  這條界線通常被定義為距地球表面約100公里,作為大氣層與太空的界線(不過,這一定義並不被所有組織接受,例如美國空軍和美國國家航空航天局就將大氣層與太空的界線定義為80公里,目前國際法上也沒有任何有關該界線的規定)。一個物體在卡門線以下的高度繞地球運行是可能的,但它需要極高的軌道速度,由於摩擦力的存在,這種速度將很難保持。許多人對卡門線可能有這樣的感覺,認為這是空中旅行和太空旅行之間的一個假想的,但又實際存在的門檻。

  對於衛星,其大小和形狀等多種因素將決定其會遇到多少空氣阻力,從而決定其成功繞地球軌道運行的能力。由於地球最外層大氣的阻力,近地軌道衛星會逐漸減慢速度,並通常在運行幾年後脫離軌道。據歐洲空間局介紹,近地軌道衛星的海拔高度通常在1000公里以下,但有時會低至160公里。

  然而,這並不意味著地球大氣層在1000公里以外就無法被探測到。在人造衛星運行的區域,大氣並沒有消失。需要再經過成千上萬公里的距離,地球大氣層的證據才會消失不見。地球大氣層的最外層原子,即構成地冕(散逸層的發光部分)的氫原子,甚至可以延伸到月球軌道以外(換言之,如果我們把散逸層作為大氣層的一部分而非外層空間的一部分,那大氣層就可以延伸到海拔高度約10000公里的天空)。

  那麼,如果我們能夠經過卡門線,會觀察到什麼嗎?我們會意識到自己正在跨越地球和太空的邊界嗎?答案是否定的,我們不會觀察到什麼特別的變化。總體而言,對大氣的分層基本上是基於大氣自身的物理性質,但卡門線在本質上並不是物理上的界線,而是一條相對突兀的、基於航空航天領域的一些因素而定義的界線;因此,人們不會注意到越過這條界線的過程,它也沒有任何厚度。不過,由於大氣層的氣體對藍色可見光的散射比其他顏色的可見光更強,因此大氣層的邊緣會出現一圈藍色的光暈;隨著海拔升高,大氣越來越稀薄,藍色光暈也會逐漸消失,僅留下作為背景的黑色太空。

  隨著飛機的飛行高度上升,空氣越發稀薄,其提供的升力會越來越少。為保證能夠繼續在空中飛行,飛機就需要越來越高的速度。按此趨勢,保證飛機能夠飛行在空中所需的速度將在某一高度達到該高度的軌道速度。在這個高度以上,空氣動力學就失效了,太空開始發揮作用。事實上,對卡門線高度的計算結果並非恰好是100公里,但卡門仍建議將海拔100公里作為外太空與地球大氣層的界線。另一方面,大氣層也在時刻變化,各種參數也因時因地而異,計算結果並非恒定不變。因此,儘管數值是100公里,但卡門線並不是一個絕對精確的嚴格定義。在被國際航空聯合會採用之後,卡門線才成為在各個相關領域被廣泛接受的界線。

  如果有人能夠到達卡門線,即使是很短的一段時間,是否可能存活下來?如果你身處卡門線附近,但沒有定製的宇航服或登山用的氧氣罐,又該怎麼辦?我們能在這麼高的海拔上呼吸嗎?鳥類能達到這樣的高度嗎?

  科學家表示,鳥類一直飛到卡門線在原理上是可能的,但在現實中,動物無法在超過“阿姆斯特朗極限”的高度生存。阿姆斯特朗極限位於距離地面約20公里的高度,那裡的壓力非常低,會導致肺部的液體沸騰。(任天)

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