临近空间：飞机上不去，卫星下不来

作者：孙建颖 / 中科院空天信息创新研究院临近空间是一片神秘地带，不仅具有奇特的自然现象，还有很多科研价值。然而传统的航空航天飞行器却很少涉足临近空间高度，这究竟是为什么呢？临近空间又有哪些有待探索的科学价值呢？

一、临近空间在哪里？

临近空间处在一个很“尴尬”的高度范围，普通航空飞行器的飞行高度通常在20km以下，天基卫星的飞行高度通常在100km以上，而在20km-100km的空域范围，飞机和卫星难以长时间驻留，可谓“飞机上不去，卫星下不来”。

二、临近空间有哪些特殊现象？

除了大气圈层的划分外，还有电离层的划分。电离层是地球大气的一个电离区域，电离层从离地面约50km-60km开始，一直伸展到约1000km高度的地球高层大气空域，是由太阳电磁辐射、宇宙线和沉降粒子作用于地球高层大气，使之电离而生成的由电子、离子和中性粒子构成的能量很低的准中性等离子体区域。

最典型的如极光，实际上，它是大气粒子受激发光的现象，就像是靠近南北极地带上空的彩色光带。极光的受激激发是临近空间中高空气体分子（或原子）自身能级变化的过程。当粒子从高能级变为低能级的时候就会向外辐射电磁波。如果辐射的电磁波是可见光频率范围，那么气体就发光了。高空分子气体有很多种类，每种的能级都不相同，因此它们产生的极光也是五颜六色，各不相同。

气辉是中高层大气普遍存在的一种微弱发光现象，一般是由中高层大气自身的过程激发的。气辉虽然黯暗，但分布广阔，因此也是中高层大气的示踪物（Tracer，也就是追踪物或标记物），其分布和变化过程蕴含着中高层大气多种参数信息。

临近空间还有一种特殊的云——珠母云。珠母云通常形成于冬季极地(高纬度地区)的平流层，即海拔15km-25km左右的大气层。在“黄昏”期间，也就是当太阳位于地平线以下1°至6°之间，一天中第一道或最后一道光线从下面照射到这些海拔云层上时候。这种光被云中的冰晶折射，这一过程被称为云彩彩虹，产生闪烁的彩虹效果。

（图7 2019年8月瑞士摄影师Roger Spinner在意大利北部拍摄到的红色精灵）

除了红色精灵，还有蓝色喷流，是一种局限在低于40km大气层中的一种发光现象。通常呈细锥形，从积雨云顶端出现后以大约每秒100km的速度向上传播，直到40km-50km的高度开始消散，持续时间约200-300ms。其蓝色可能是来自氮气分子的发射光谱，并且比红色精灵要亮。

三、临近空间还有哪些科学问题？

1. 大气物质交换

临近空间大气圈层的物质交换是一个非常复杂的过程。在青藏高原，存在特殊的“烟囱”效应，就与平流层-对流层间的物质交换过程紧密相关。

（图9青藏高原，图片来源于网络）

青藏高原处在一个特殊的地形，青藏高原的气旋受季风影响。科学家认为，从南亚通过季风输送的水汽、污染物等会进入到这个气旋，而反气旋环流的上升运动，将低层大气中大量物质吹到平流层，形成“烟囱”效应，改变上层大气的成分，引起了额外的气候效应，随后水汽、污染物等就可能会随着大气循环到达全球各个角落。

（图10青藏高原“烟囱”效应，图片来源：鸿鹄专项）

而“烟囱”究竟如何输送？输送了什么？输送了多少？以及其对全球气候的影响是什么？这些理论尚待进一步验证，因此需要通过高空科学气球、球载探测设备、地基探测设备等共同配合，进行临近空间的大气科学研究。

临近空间也可能存在一些生物群落，包括美国和前苏联在内的一些国家曾在20km-77km高度发现了微生物，但他们使用的生物学手段只能探查少量的生物类群。现代分子生物学、基因组学、电子显微学、单细胞同位素等技术进展，为全面深入研究临近空间生物圈提供了契机。

那么，临近空间又对生物有哪些影响呢？科学家们正通过高空科学气球等飞行器将一些生物（如一些常见的微生物、植物）的样本带上临近空间，开展生物暴露实验，再将样本返回地面实验室进一步研究。临近空间的生物研究可帮助科学家认识受到临近空间极端环境影响后，这些生物是如何通过“改变自己”来适应环境的。

（图13中科院鸿鹄先导专项在青海开展的临近空间生物大气载荷综合验证实验，图片来源：鸿鹄专项）

3. 行星观测

受臭氧层的保护，人类才能够在地球表面不被紫外线过度伤害。然而对于行星观测而言，在类地行星大气的关键成分中，其主要的特征辐射在近紫外波段（200-400 nm），然而这些辐射被距离地表0-30km高度范围内稠密大气所吸收，无法在地面展开观测。科学家们计划将高空科学气球升至30km以上，避开臭氧吸收，从而大大提高行星观测数据的质量。这就需要高空气球平台具有极高的稳定性和指向精度，这将是前所未有的挑战。

（图15临近空间行星观测概念图，图片来源：鸿鹄专项）

4. 太阳电池标定

近年来，新型太阳电池有了长足的发展，而太阳电池的应用与太阳电池空间标定技术是密不可分的。在设计空间用太阳电池能源系统时，需要获得太阳电池在标准阳光下的精确的性能参数，常用的空间标定方法包括卫星标定、火箭标定、飞机标定、高山标定等。

利用高空气球平台在临近空间对太阳电池进行标定，是对其他标定的补充，尤其是在35km以上的高度，没有灰尘和水蒸气，没有主要的臭氧带，这里的太阳光（考虑到硅太阳电池的光谱响应波长为0.35-1.1μm）基本就是外层空间的太阳光，因此35km及以上的高空是标定AM0太阳电池合适的空间。临近空间太阳电池标定对全面和准确评价空间光谱条件下太阳电池性能具有重要的意义。

（图17 2018年8月，鸿鹄专项利用高空科学气球进行太阳电池的临近空间标定试验，中国科学院成为全世界第三个能够独立进行35km以上太阳电池高空标定的科研机构，图片来源：鸿鹄专项）

临近空间环境不仅适合太阳电池的空间定标，也适宜开展空间探测各类新型手段的验证试验。

四、结束语

临近空间是地球空间多圈层的重要组成部分，从科学认知角度看，临近空间对下与中低层稠密大气之间存在紧密的相互耦合关系，对上则通过电离层接受太阳活动的驱动，并反过来影响低电离层的形态，对地球大气的整体认知具有重要学术研究价值。

来源：中国科学院北京分院