地球大气层在哪里结束,外太空又在何处开始

2022/5/5 10:30:55 来源:新浪科技 作者:任天 责编:长河

北京时间 5 月 5 日消息,据国外媒体报道,当登山者攀登珠穆朗玛峰时,通常都必须携带氧气瓶,这是让他们能在高海拔地区自由呼吸的必要设备。当我们越接近地球大气层的边缘,可获得的氧气就越少,相比之下,海平面的氧气就十分丰富。

地球大气层的不同层次都各有特点

▲ 地球大气层的不同层次都各有特点

这只是地球大气层随高度而变化的一个例子。从海平面附近的对流层,到最外部的散逸层,地球大气层的各个层次都有不同的基本组成。根据美国国家气象局的介绍,每一层大气的开始和结束都由 4 个关键特征决定,即温度变化、化学成分、密度和内部气体的运动。

那么,考虑到这 4 个特征,地球的大气层到底在哪里结束?外太空又在何处开始?地球大气层的每一层都发挥着各自的作用,包括阻止致癌的宇宙辐射,以及提供形成液态水所需的压力,从而确保了这颗蓝色星球能够容纳各种各样的生命形式。

距离地球表面越远,大气的密度就越小,其成分也发生了变化,较轻的原子和分子开始占主导地位,而较重的分子仍然停留在地球表面附近。当你在大气中上升时,你上方大气的压力或重量会迅速减弱。尽管商用飞机有增压舱,但高度的快速变化仍会影响连接耳朵、鼻子和喉咙的细长咽鼓管。这就是我们的耳朵在飞机起飞时可能会出现耳鸣的原因。

最终,空气会变得过于稀薄,使得传统飞机无法产生足够的升力,进而无法飞行。此处便是科学家划定的区域,标志着大气层的终结,外太空的开始。这条界线被称为卡门线(Kármán line),以匈牙利裔美国工程师和物理学家西奥多・冯・卡门命名。卡门在 1957 年成为第一个试图定义地球和外太空边界的人

地球大气层的垂直结构示意图,可大致分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层

▲ 地球大气层的垂直结构示意图,可大致分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层

卡门线标志着地球和太空的边界,不仅表明了航空飞行的高度极限,而且对于航天器和卫星成功围绕地球运行也至关重要。卡门线是一个大致的区域,表示卫星在该高度以上将能够绕地球运行至少一次,不会燃烧或脱离轨道

这条界线通常被定义为距地球表面约 100 公里,作为大气层与太空的界线(不过,这一定义并不被所有组织接受,例如美国空军和美国国家航空航天局就将大气层与太空的界线定义为 80 公里,目前国际法上也没有任何有关该界线的规定)。一个物体在卡门线以下的高度绕地球运行是可能的,但它需要极高的轨道速度,由于摩擦力的存在,这种速度将很难保持。许多人对卡门线可能有这样的感觉,认为这是空中旅行和太空旅行之间的一个假想的,但又实际存在的门槛。

对于卫星,其大小和形状等多种因素将决定其会遇到多少空气阻力,从而决定其成功绕地球轨道运行的能力。由于地球最外层大气的阻力,近地轨道卫星会逐渐减慢速度,并通常在运行几年后脱离轨道。据欧洲空间局介绍,近地轨道卫星的海拔高度通常在 1000 公里以下,但有时会低至 160 公里。

然而,这并不意味着地球大气层在 1000 公里以外就无法被探测到。在人造卫星运行的区域,大气并没有消失。需要再经过成千上万公里的距离,地球大气层的证据才会消失不见。地球大气层的最外层原子,即构成地冕(散逸层的发光部分)的氢原子,甚至可以延伸到月球轨道以外(换言之,如果我们把散逸层作为大气层的一部分而非外层空间的一部分,那大气层就可以延伸到海拔高度约 10000 公里的天空)。

那么,如果我们能够经过卡门线,会观察到什么吗?我们会意识到自己正在跨越地球和太空的边界吗?答案是否定的,我们不会观察到什么特别的变化。总体而言,对大气的分层基本上是基于大气自身的物理性质,但卡门线在本质上并不是物理上的界线,而是一条相对突兀的、基于航空航天领域的一些因素而定义的界线;因此,人们不会注意到越过这条界线的过程,它也没有任何厚度。不过,由于大气层的气体对蓝色可见光的散射比其他颜色的可见光更强,因此大气层的边缘会出现一圈蓝色的光晕;随着海拔升高,大气越来越稀薄,蓝色光晕也会逐渐消失,仅留下作为背景的黑色太空。

随着飞机的飞行高度上升,空气越发稀薄,其提供的升力会越来越少。为保证能够继续在空中飞行,飞机就需要越来越高的速度。按此趋势,保证飞机能够飞行在空中所需的速度将在某一高度达到该高度的轨道速度。在这个高度以上,空气动力学就失效了,太空开始发挥作用。事实上,对卡门线高度的计算结果并非恰好是 100 公里,但卡门仍建议将海拔 100 公里作为外太空与地球大气层的界线。另一方面,大气层也在时刻变化,各种参数也因时因地而异,计算结果并非恒定不变。因此,尽管数值是 100 公里,但卡门线并不是一个绝对精确的严格定义。在被国际航空联合会采用之后,卡门线才成为在各个相关领域被广泛接受的界线。

如果有人能够到达卡门线,即使是很短的一段时间,是否可能存活下来?如果你身处卡门线附近,但没有定制的宇航服或登山用的氧气罐,又该怎么办?我们能在这么高的海拔上呼吸吗?鸟类能达到这样的高度吗?

科学家表示,鸟类一直飞到卡门线在原理上是可能的,但在现实中,动物无法在超过“阿姆斯特朗极限”的高度生存。阿姆斯特朗极限位于距离地面约 20 公里的高度,那里的压力非常低,会导致肺部的液体沸腾。

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关键词:地球大气层

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