将一张A4纸从太空扔下，它会完好地飘落回地球吗？

这似乎是一个很容易回答的问题，我原计划用一个小时的时间解答它。但是当我真正开始动手写这篇文章时，却发现它并不简单，知道吗？为了讲清楚这张纸的太空回归之旅我足足花了两天时间。

飘落的纸

A4纸的飘落

你手头有A4纸吗？没错，就是我们最常见的那种复印纸。找一张平整的纸，站起举高再松手，你会看到它翩然下落，纸落到地面时很轻，只会发出很小的摩擦声音。

我不建议你用手机做这个实验，除非你站在厚厚的床垫上。

不要拿手机来试，你会后悔的

为什么会这样？

我们知道地面上所有物体都受到地球引力影响，在失去支撑时会向下坠落，并且它的重力加速度与物体的质量没有关系。也就是说一张4.4克重的A4纸与一部200克的手机受到的重力加速度是相同的，之所以它们落到地面的速度差异很大，是因为纸受到的空气阻力对它下落的速度影响更大。

现在你已经知道，由于纸本身既轻又薄，受空气阻力的影响，它的下落速度很慢，即便是你将其从10000米的高空扔下，它也只会摇摇摆摆缓慢地往下飘，一直飘落到地面。

那么问题来了：地球大气层的上方空气非常稀薄，三、四百公里的太空几乎没有空气，如果从这样的高度往下扔一张普通A4纸会怎么样？它还会慢慢飘到地面吗？

大气层的边缘在哪里？

与其它许多行星一样，在地球的周围包裹着一层大气层，对于大气层的厚度却有许多不同的说法。有说大气层厚度为100千米的，有的说它的厚度为10000千米，最新的研究结果证明地球的大气层延伸到了60万千米的高空，也就是说月球实际上是在地球的大气中穿行。

地球的大气层

由于气体分子本身有质量，它们互相之间又因电荷力而互相排斥，受地球引力的影响，越靠近地面的空气密度越大，越往上空气越稀薄。在距离海平面100千米的高空，空气的密度仅有海平面的220万分之一。在这个高度，飞机要想依靠机翼来获得升力，它就需要达到一个非常快的向前的速度，而在这个速度下它即使不需要机翼也能通过离心运动保持飞行高度。换句话说，飞机的翅膀变得多余。于是我们将100千米的高度定义为大气层与太空的边界，这就是“卡门线”。

卡门线并不是一条有形的线，也不是一个严格意义的面或者一堵“空气墙”。与我们常见的水面不同，事实上从90千米到110千米高度，空气密度的变化并不大，这是一个平滑过渡的区域。了解这一点非常重要，因为几乎所有的卫星都在卡门线以上飞行，它是一国领空最上方的边界，它也决定了本文中这张A4纸的命运。

从太空扔纸

纸的自由落体运动

自由落体运动的前提是重力和真空环境，在卡门线上方的空间里尽管依然存在空气，由于空气实在过于稀薄，它对物体运动阻力十分轻微，以至于在落体运动中我们常常忽略不计。

所以说，当我们在距离地面大约400千米（国际空间站轨道高度）向下扔一张A4纸，并且假设它的横向初始速度为零时，纸会开始向下做自由落体运动。之所以做这个假设，是因为当你真的从国际空间站上向外扔任何东西，它都会与空间站一起以每小时27600千米的速度绕地球飞行，它每个月只会下落2千米，这意味着纸很难落回地面。近地轨道上许多太空垃圾就是这样的情况。

太空垃圾会很长时间保持轨道高度

由于受空气阻力非常小，纸的下落速度会越来越快，当它接近卡门线时，其向下的速度已经达到2000米/秒。

聪明的朋友可能立刻想到，由于接下来剧烈的空气摩擦，高速下落的纸会很快烧毁！

果真如此吗？

我们在前边已经提到了，卡门线其实是一个非常平滑的过渡带，在长达几十千米的落差里，空气阻力是一点一点缓慢增加的，也就是说我们的复印纸有机会一点一点地减速，它不会像其它的卫星残骸那样因摩擦加热到2000℃，然后在黑障区变成一个火球。

太空垃圾会在大气层中烧毁

所以，我们的A4纸在接近卡门线的地方就已经开始减速，随着空气阻力的逐渐增大，纸的速度也越来越慢。在80千米高度进入黑障区之前，纸的下落速度已经低于300米/秒，它不会被烧毁。

那么，我们可以在地面等到纸的降临吗？

很遗憾，并不能。

纸是由一层薄的植物纤维制成，它的燃点很低，一张干燥的书写纸大约在130℃~180℃时就能燃烧。而在太空中，由于强烈的太阳辐射热，纸的表面温度可以达到120℃，再加上它在下落过程中与空气摩擦而产生的热能，温度是很容易超过130摄氏度的。

物体的燃烧需要具备三个条件：有可燃物，适合的温度，和氧化剂。

纸的燃烧需要满足三个条件

纸是易燃物，它的温度已经超过了燃点，为什么不能燃烧呢？因为在卡门线的附近空气密度很低，氧气更是几乎没有。缺乏氧化剂，纸烧不起来。

在高温缺氧的状态下，纸纤维中的有机物质会发生分解干馏，也就是俗称的碳化现象。纸会变成焦黄色，并且变得很脆，只要遇到强烈的气流扰动，它就会碎裂成小片飘落下来。

太空纸飞机

有没有人从太空扔过纸呢？到目前为止还没有。

2008年时，日本科学家曾经尝试将纸折成飞机的样子，由宇航员从国际空间站向外扔100个，看看它是不是可以安全地返回地面。这个实验的目的是验证通过低速摩擦进行太空返回的可能性，但更多的科学家认为对纸飞机的有效追踪无法实现，并且它下降的时间可能长达几个星期甚至几个月，即便有一架小飞机成功降落也没有意义，实验最终没有做成。

考虑到纸飞机再入大气层的速度比一张纸要快得多，日本科学家们采用了一种耐高温的玻璃纤维纸折成的小飞机，这架纸飞机在东京大学的超高速风洞试验中，它在200℃高温和7马赫的速度下坚持了10秒钟。

日本纸飞机在做风洞实验

回顾和总结：

本文为你简单分析了一张纸的太空旅程，尽管结局并不美好，但我们至少从中了解了一些太空和力学的知识。

首先，纸张的下落与其它物体不同，它的重量轻并且面积很大，因此更容易受到空气阻力的影响。

其次，我们大气层100公里以上的高空，空气极其稀薄，纸张可以以近似自由落体的状态下降，并且达到很高的速度。

纸从太空飘落

同时，大气层边缘空气密度是逐渐增大的，因此纸会在进入稠密大气层之前一点点减速，它不会像其它坠毁的卫星那样烧毁。

太空中受到太阳照射的地方温度很高，纸会被烤焦变脆，它会在对流层稠密空气的扰动下碎裂成焦黄的碎片飘落下来。