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月球竟在地球大气层里面,而且这个发现迟到了二十年

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图片来源:Pixabay

一项研究分析了来自二十年前的观测数据,提出了一个惊人的观点:地球大气层一直延伸到约 63 万千米处,月球也被包裹在大气层中。

撰文|张琪雅

编辑|戚译引

不管你还记不记得地理课本上对大气层的具体定义,你一定会觉得这个定义简直不可思议。不过,地球大气层的定义一向有着诸多争议,没准地理课本只是选了一个好记的(大雾)。

“航空”和“航天”的分界线

根据国际航空联合会(Fédération Aéronautique Internationale)的定义,海拔 100km 高度为卡门线(Kármán line),这是从“航空”过渡到“航天”的界限。当航天器发射后,为了保持飞行状态,飞船需要持续加速,直至切线方向上的速度达到第一宇宙速度后,航天器便可环绕地球飞行。而飞行器达到第一宇宙速度时,所处的高度差不多就是 100km。


极光就产生在卡门线附近,海拔大约在 90~150 km 之间。图片来源:Pixabay

然而,关于卡门线高度的争议却从未停止。有人统计了从 1951 年到 1962 年间出现的大约 30 种关于卡门线高度的不同意见,边界高度的定义范围从海拔 20km 到 400km,其中大部分的值位于75-100km 之间。哈佛-史密森尼天体物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)的天体物理学家 Jonathan McDowell 认为卡门线的高度应该是 80km,在 2018 年发表的一篇论文中,他分析了 43000 颗卫星的超过 9000 万个点坐标轨道数据,发现有 50 颗卫星可在 80km 的高度绕行地球。McDowell 提出的定义也得到了一些研究人员的支持。

卡门线的定义其实不完全是一个科学问题。在这样的空间边界以下,可以说这部分的空域属于在其下方的国家;而在空间边界以上,理论上是允许各国卫星自由飞行的。因此,对卡门线的定义多少会受到政治诉求的影响。

太阳有日冕,地球有地

天文学家试图用更加普适的标准来定义地球大气层,然而地球的大气层实际上比想象中更复杂,远远不是一条线所能界定。

天文学家 Lyman Spitzer 首次提出“散逸层”(exosphere)的概念,他指出,如果不是因为这一层大气温度较高,使得较轻的气体逃逸,那么地球大气中的氦气含量会比现实中要高得多。

这一大气区域也被称为地冕(geocorona)。我们都知道日冕,它是太阳大气的最外层,由很稀薄的完全电离的等离子体所组成,可以分为内冕、中冕和外冕三个层次。而地冕与其相似,它以电中性的氢原子为主要成分,是地球大气逸散层的一部分。也就是说,在地球的大气层与外太空交界的区域,有一片“氢原子云”,我们定义为地冕。


日冕。图片来源:Hinode JAXA/NASA

填充地冕的氢原子来自于地球大气。大气中的水和甲烷通过光解离产生氢原子,它们通过扩散作用向远离地表方向运动;到达逸散层底部时,它们将沿着原运动轨迹向太空发射。根据氢原子的速度不同,这时候可能发生两种情况:速度大于逃逸速度的氢原子在双曲线轨道上发射,永远告别了地球;速度小于逃逸速度的氢原子将返回到逸散层底部。留在地冕中的氢原子也不能无限累积。这些氢原子会通过太阳发出的极紫外辐射发生电离,并与朝地球飞来的太阳风质子进行电荷交换,其“寿命”大约为 20 天左右。

所以,在地冕这个区域,一部分氢原子离开了地球,留下来的氢原子也比较短命;这些因素都限制了地冕的大小,使它无法无限延伸。

冕到底有多大?

要想测量地冕的大小,最直观的方法是在外太空中用航天器观测地冕发出的光。在 1972 年的阿波罗 16 号任务中,宇航员曾首次拍摄到地冕层的图像,但那一次是从月球轨道角度进行拍摄的,当时的宇航员可能并不知道其实自己并没有飞出地冕层。


阿波罗 16 号上的宇航员拍摄的地冕。图片来源:NASA

地冕中的氢元素会与来自太阳的远紫外线辐射发生散射而发光。地冕发射的谱线有好几种,其中最强的谱线是莱曼阿尔法辐射,这是氢原子的电子从主量子数 n = 2 跃迁至 n = 1 时发出的谱线。研究人员主要通过它来检测地冕。

这次研究所获得的地冕数据来自于太阳和太阳风层探测器(Solar and Heliospheric Observatory,SOHO),它由欧洲航天局(ESA)及美国国家航空航天局(NASA)共同研制,绕太阳公转,并对太阳进行研究。SOHO上的仪器可以过滤掉来自更远的外太空的莱曼阿尔法辐射,精确地测量来自地冕的光线。两个传感器不间断地对地球进行观测,随着探测器的移动,大约 20 小时内即可获得整个天空的图像。

研究发现,地冕的范围差不多延伸到63万千米之外,相当于100个地球半径;而月球轨道相当于60个地球半径,也就是说,月球也被包含在地冕之中。

研究人员还发现,由于太阳光压的影响,地冕的形状看起来有点像彗星的尾巴。在朝着太阳的一侧,地冕层氢原子被阳光“压缩”,在距离地表 6 万公里处每立方厘米大约有 70 个原子;而到月球轨道空间,每立方厘米平均仅有 0.2 个原子,基本上可以认为是真空。在背对太阳的一侧,氢原子的密度整体上要更大一些。


地冕观测示意图(未按比例绘制),图中地球周围的浅色区域为地冕。图片来源:ESA

令人惊讶的是,这项最新研究的数据来自 1996~1998 年间。SOHO 于 1995 年发射升空,原计划使用寿命是 3 年,但它目前已在太空中工作了 20 多年,并且仍在运行。它收集的许多数据还未得到分析,比如这次的日冕数据。

这项研究说明地冕层也是一个紫外线辐射源,但是同太阳辐射源相比,地冕层发出的辐射微乎其微,对普通人或月球轨道的宇航员没什么影响。不过,处于地冕内部的太空望远镜可能需要调整它的基准,以便更精准地进行深空观测。法国国家科学研究中心(French National Centre for Scientific Research)的天文学家、前 SWAN 项目首席研究员 Jean-Loup Bertaux 说:“那些在紫外波段观测天空,研究恒星和星系化学成分的空间望远镜都要考虑到这一点。”并且,由于行星外层的氢原子层反映了低大气层(火星,金星和地球)中水和(或)甲烷的存在,它也将成为未来研究中更加受关注的主题。

当然,研究发现也表明,直到今天还没有一个人类能够真正离开地球。

来源:科研圈

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论文信息:

Baliukin, I., Bertaux, J.-L., Quémerais, E., Izmodenov, V., & Schmidt,W. (2019). SWAN/SOHO Lyman-α mapping:The hydrogen geocorona extends well beyond the Moon. Journal ofGeophysical Research: Space Physics, 124, 861– 885. https://doi.org/10.1029/2018JA026136

参考文献及网页:

[1] Mcdowell J C . The edge ofspace:Revisiting the Karman Line[J]. Acta Astronautica,2018:S0094576518308221-.

[2] Baliukin I I,Bertaux J L,Quémerais E,etal. SWAN/SOHO Lyman‐α mapping:the Hydrogen Geocorona Extends Well Beyond TheMoon[J]. Journal of GeophysicalResearch: Space Physics, 2019.

[3] Koutroumpa D,Lallement R,Bertaux JL,etal. SOHO-SWAN Hydrogen Cell Data Analysis:Method Description.

[4] https://www.sciencealert.com/earth-s-atmosphere-is-so-big-that-it-actually-engulfs-the-moon

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