月球竟然在地球大氣層裡面,而且這個發現遲到了二十年

2021年09月23日09:10

  一項研究分析了來自二十年前的觀測數據,提出了一個驚人的觀點:地球大氣層一直延伸到約 63 萬千米處,月球也被包裹在大氣層中。

  撰文|張琪雅

  編輯|戚譯引

  不管你還記不記得地理課本上對大氣層的具體定義,你一定會覺得這個定義簡直不可思議。不過,地球大氣層的定義一向有著諸多爭議,沒準地理課本只是選了一個好記的(大霧)。

  “航空”和“航天”的分界線

  根據國際航空聯合會(Fédération Aéronautique Internationale)的定義,海拔 100km 高度為卡門線(Kármán line),這是從“航空”過渡到“航天”的界線。當航天器發射後,為了保持飛行狀態,飛船需要持續加速,直至切線方向上的速度達到第一宇宙速度後,航天器便可環繞地球飛行。而飛行器達到第一宇宙速度時,所處的高度差不多就是 100km。

  然而,關於卡門線高度的爭議卻從未停止。有人統計了從 1951 年到 1962 年間出現的大約 30 種關於卡門線高度的不同意見,邊界高度的定義範圍從海拔 20km 到 400km,其中大部分的值位於 75-100km 之間。哈佛-史密森尼天體物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)的天體物理學家 Jonathan McDowell 認為卡門線的高度應該是 80km,在 2018 年發表的一篇論文中,他分析了 43000 顆衛星的超過 9000 萬個點坐標軌道數據,發現有 50 顆衛星可在 80km 的高度繞行地球。McDowell 提出的定義也得到了一些研究人員的支援。

  卡門線的定義其實不完全是一個科學問題。在這樣的空間邊界以下,可以說這部分的空域屬於在其下方的國家;而在空間邊界以上,理論上是允許各國衛星自由飛行的。因此,對卡門線的定義多少會受到政治訴求的影響。

  太陽有日冕,地球有地冕

  天文學家試圖用更加普適的標準來定義地球大氣層,然而地球的大氣層實際上比想像中更複雜,遠遠不是一條線所能界定。

  天文學家 Lyman Spitzer 首次提出“散逸層”(exosphere)的概念,他指出,如果不是因為這一層大氣溫度較高,使得較輕的氣體逃逸,那麼地球大氣中的氦氣含量會比現實中要高得多。

  這一大氣區域也被稱為地冕(geocorona)。我們都知道日冕,它是太陽大氣的最外層,由很稀薄的完全電離的等離子體所組成,可以分為內冕、中冕和外冕三個層次。而地冕與其相似,它以電中性的氫原子為主要成分,是地球大氣逸散層的一部分。也就說是,在地球的大氣層與外太空交界的區域,有一片“氫原子雲”,我們定義為地冕。

  填充地冕的氫原子來自於地球大氣。大氣中的水和甲烷通過光解離產生氫原子,它們通過擴散作用向遠離地表方向運動;到達逸散層底部時,它們將沿著原運動軌跡向太空發射。根據氫原子的速度不同,這時候可能發生兩種情況:速度大於逃逸速度的氫原子在雙曲線軌道上發射,永遠告別了地球;速度小於逃逸速度的氫原子將返回到逸散層底部。留在地冕中的氫原子也不能無限累積。這些氫原子會通過太陽發出的極紫外輻射發生電離,並與朝地球飛來的太陽風質子進行電荷交換,其“壽命”大約為 20 天左右。

  所以,在地冕這個區域,一部分氫原子離開了地球,留下來的氫原子也比較短命;這些因素都限制了地冕的大小,使它無法無限延伸。

  地冕到底有多大?

  要想測量地冕的大小,最直觀的方法是在外太空中用航天器觀測地冕發出的光。在 1972 年的阿波羅 16 號任務中,宇航員曾首次拍攝到地冕層的圖像,但那一次是從月球軌道角度進行拍攝的,當時的宇航員可能並不知道其實自己並沒有飛出地冕。

  地冕中的氫元素會與來自太陽的遠紫外線輻射發生散射而發光。地冕發射的譜線有好幾種,其中最強的譜線是萊曼阿爾法輻射,這是氫原子的電子從主量子數 n = 2 躍遷至 n = 1 時發出的譜線。研究人員主要通過它來檢測地冕。

  這次研究所獲得的地冕數據來自於太陽和太陽風層探測器(Solar and Heliospheric Observatory,SOHO),它由歐洲航天局(ESA)及美國國家航空航天局(NASA)共同研製,繞太陽公轉,並對太陽進行研究。SOHO上的儀器可以過濾掉來自更遠的外太空的萊曼阿爾法輻射,精確地測量來自地冕的光線。兩個傳感器不間斷地對地球進行觀測,隨著探測器的移動,大約 20 小時內即可獲得整個天空的圖像。

  研究發現,地冕的範圍差不多延伸到63萬千米之外,相當於100個地球半徑;而月球軌道相當於60個地球半徑,也就是說,月球也被包含在地冕之中。

  研究人員還發現,由於太陽光壓的影響,地冕的形狀看起來有點像彗星的尾巴。在朝著太陽的一側,地冕層氫原子被陽光“壓縮”,在距離地表 6 萬公里處每立方釐米大約有 70 個原子;而到月球軌道空間,每立方釐米平均僅有 0.2 個原子,基本上可以認為是真空。在背對太陽的一側,氫原子的密度整體上要更大一些。

  令人驚訝的是,這項最新研究的數據來自 1996~98 年間。SOHO 於 1995 年發射升空,原計劃使用壽命是 3 年,但它目前已在太空中工作了 20 多年,並且仍在運行。它收集的許多數據還未得到分析,比如這次的日冕數據。

  這項研究說明地冕層也是一個紫外線輻射源,但是同太陽輻射源相比,地冕層發出的輻射微乎其微,對普通人或月球軌道的宇航員沒什麼影響。不過,處於地冕內部的太空望遠鏡可能需要調整它的基準,以便更精準地進行深空觀測。法國國家科學研究中心(French National Centre for Scientific Research)的天文學家、前 SWAN 項目首席研究員 Jean-Loup Bertaux 說:“那些在紫外波段觀測天空,研究恒星和星系化學成分的空間望遠鏡都要考慮到這一點。”並且,由於行星外層的氫原子層反映了低大氣層(火星,金星和地球)中水和(或)甲烷的存在,它也將成為未來研究中更加受關注的主題。

  當然,研究發現也表明,直到今天還沒有一個人類能夠真正離開地球。

  論文信息:

  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 of Geophysical Research: Space Physics, 124, 861– 885。 https://doi.org/10.1029/2018JA026136

  參考文獻及網頁:

  [1] Mcdowell J C 。 The edge of space: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 Geophysical Research: Space Physics, 2019。

  [3] Koutroumpa D,Lallement R,Bertaux J L,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 

  本文轉載自公眾號“科研圈”(ID: keyanquan)

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽