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地球的大氣層有多厚?這個問題看似簡單,但即使是科學家也無法準確回答。地球大氣層的定義壹直有爭議。在對地球大氣層的研究中,科學家甚至發現月球其實就在地球的大氣層中。這個發現可以說是徹底顛覆了人們的認知。壹直被公認為外太空的遙遠月球,怎麽可能還在地球大氣層裏?

在航天領域,了解大氣層的厚度非常重要,因為對於航天器來說,只有突破地球大氣層,擺脫地球的空氣阻力,才算真正進入地球以外的太空。這種飛行活動也叫航天。

航空器在地球大氣層(空氣空間)的飛行(導航)活動稱為航空。

根據國際航空聯合會的定義,從“航空”到“航天”的邊界線稱為“卡門線”,這個高度是100KM。任何航天器要想連續飛行,都必須突破卡門線,當卡門線切線方向的速度達到第壹宇宙速度以上時,才能繞地球連續飛行。

雖然國際航空聯合會已經定義了卡門線的高度,但是科學家們對於卡門線高度的確定仍然存在很大的爭議。從1951到1962,關於卡門線的高度有30多種不同意見。這些邊界高度的定義範圍從海拔20公裏到400公裏,但大多數都在75-100公裏之間。

事實上,從人類的各種航天活動中可以看出,地球大氣層的厚度可以遠遠超過100KM。例如,國際空間站的飛行高度約為400公裏,但在繞地球飛行過程中,空間站的高度會不斷下降。這是因為在400公裏的高空,稀薄的大氣與空間站之間仍然存在摩擦,導致空間站的速度逐漸降低,軌道高度降低。所以空間站裏會有螺旋槳定期給空間站加速,以維持軌道高度。

地球的大氣層有多厚?科學家們試圖用更普遍的標準來定義地球的大氣層,但地球的大氣層其實比想象的要復雜得多,遠不是壹條線就能定義的。

天文學家萊曼·斯必澤定義了“逃逸層”的概念,也稱為“外層”和“逃逸層”,即熱層(暖層)之上的大氣,是地球大氣的最外層。在太陽紫外線和宇宙射線的作用下,這層空氣中大部分分子被電離;質子和氦核的含量大大超過中性氫原子。逃逸層中的空氣極其稀薄,其密度與太空中的密度幾乎相同,因此常被稱為外層大氣。這個大氣區域也被稱為地球日冕。

因為日冕位於大氣的最外層,如果我們能知道日冕的外邊界在哪裏,那麽我們就能知道地球大氣的厚度。科學家所做的是利用航天器在外太空觀測日冕發出的光來探測日冕的面積。

這種方法的原理是地球日冕中的氫會隨著太陽的遠紫外輻射而散射,發出光。地球日冕發出的譜線有幾種,其中最強的譜線是萊曼α輻射,它是氫原子的電子從主量子數n = 2躍遷到n = 1時發出的譜線。研究人員主要用它來探測日冕。科學家使用的設備是太陽和日光層觀測臺(SOHO)。該設備由歐洲航天局(歐空局)和美國國家航空航天局(美國國家航空航天局)聯合開發。SOHO上的儀器可以過濾掉來自更外層空間的萊曼阿爾法輻射,並精確測量來自地球日冕的光線。

研究發現,地球日冕的周長遠遠超出了人們的預期,最外層高度達到了近63萬公裏,而地球與月球的平均距離為38萬公裏,這相當於月球仍然在地球日冕內,換句話說,月球仍然在地球的大氣層內。

此外,日冕區域也會受到太陽光的影響。在太陽光壓的作用下,日冕呈彗尾狀分布,朝向太陽的壹面光壓相對較高,使得日冕層中的氫原子受到太陽光的“壓縮”。通過分析探測結果發現,在距離地表6萬公裏處,每立方厘米約有70個原子,而在38萬公裏(約為月球軌道高度)處,平均每立方厘米只有0.2個原子。背對太陽的壹面,氫原子的密度整體較大,日冕範圍也會較大。

通過觀測地球的日冕,科學家們獲得了更精確的地球大氣數據。雖然在月球的高度,地球大氣層的含量可以忽略不計,但科學家們對地球大氣層有了更準確的了解。

參考數據

[1]SWAN/SOHO Lyman‐α繪圖:氫地球冕遠遠超出了月球[J]。地球物理研究學報:空間物理,2019,124(2):861-885。