月球竟然在地球大气层里面,而且这个发现迟到

2019-05-28 作者:科学研究   |   浏览(182)

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来源 | 科研圈

图片来源:NASA Earth Observatory

作者 | 张琪雅

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。

最近的一项研究提出,地球的大气层延伸到至少 100 个地球半径,约 630000 千米处,这也意味着月球其实也在大气层中。这项研究结果发表在Journal of Geophysical Research : Space Physics上。

撰文 丨张琪雅

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。

编辑 丨戚译引

“航空”和“航天”的分界线

来源 丨科研圈

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”的界线。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。

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一项研究

极光就产生在卡门线附近,海拔大约在 90~150 km 之间 | Pixabay

提出,地球的大气层延伸到至少 100 个地球半径,约 630000 千米处,这也意味着月球其实也在大气层中。这项研究结果发表在Journal of Geophysical Research : Space Physics上。

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75-100千米之间。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。

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。

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。

“航空”和“航天”的分界线

太阳有日冕,地球有地冕

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”的界线。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。

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。

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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。

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

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。也就说是,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。

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。

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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。

日冕 | Hinode JAXA/NASA

太阳有日冕,地球有地冕

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。

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。

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。

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。

地冕到底有多大?

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