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月球竟在地球大氣層里面,而且這個發(fā)現(xiàn)遲到了二十年

        【每日科技網(wǎng)】
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  來源:科研圈(ID:keyanquan)

  一項研究分析了來自二十年前的觀測數(shù)據(jù),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。

  最近的一項研究提出,地球的大氣層延伸到至少 100 個地球半徑,約 630000 千米(km)處,這也意味著月球其實也在大氣層中。這項研究結(jié)果發(fā)表在 Journal of Geophysical Research : Space Physics 上。

  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(jù)國際航空聯(lián)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(fā)射后,為了保持飛行狀態(tài),飛船需要持續(xù)加速,直至切線方向上的速度達到第一宇宙速度后,航天器便可環(huán)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。

  極光就產(chǎn)生在卡門線附近,海拔大約在 90~150 km 之間。圖片來源:Pixabay  然而,關(guān)于卡門線高度的爭議卻從未停止。有人統(tǒng)計了從 1951 年到 1962 年間出現(xiàn)的大約 30 種關(guān)于卡門線高度的不同意見,邊界高度的定義范圍從海拔 20km 到 400km,其中大部分的值位于 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(xué)家 Jonathan McDowell 認為卡門線的高度應(yīng)該是 80km,在 2018 年發(fā)表的一篇論文中,他分析了 43000 顆衛(wèi)星的超過 9000 萬個點坐標軌道數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)有 50 顆衛(wèi)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持。

  卡門線的定義其實不完全是一個科學(xué)問題。在這樣的空間邊界以下,可以說這部分的空域?qū)儆谠谄湎路降膰?而在空間邊界以上,理論上是允許各國衛(wèi)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(xué)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象中更復(fù)雜,遠遠不是一條線所能界定。

  天文學(xué)家 Lyman Spitzer 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,那么地球大氣中的氦氣含量會比現(xiàn)實中要高得多。

  這一大氣區(qū)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(nèi)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(qū)域,有一片“氫原子云”,我們定義為地冕。

  日冕。圖片來源:Hinode JAXA/NASA  填充地冕的氫原子來自于地球大氣。大氣中的水和甲烷通過光解離產(chǎn)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(fā)射。根據(jù)氫原子的速度不同,這時候可能發(fā)生兩種情況:速度大于逃逸速度的氫原子在雙曲線軌道上發(fā)射,永遠告別了地球;速度小于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(fā)出的極紫外輻射發(fā)生電離,并與朝地球飛來的太陽風質(zhì)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(qū)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(fā)出的光。在 1972 年的阿波羅 16 號任務(wù)中,宇航員曾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,當時的宇航員可能并不知道其實自己并沒有飛出地冕。

  阿波羅 16 號上的宇航員拍攝的地冕。圖片來源:NASA  地冕中的氫元素會與來自太陽的遠紫外線輻射發(fā)生散射而發(fā)光。地冕發(fā)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(shù) n = 2 躍遷至 n = 1 時發(fā)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(shù)據(jù)來自于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)共同研制,繞太陽公轉(zhuǎn),并對太陽進行研究。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,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(nèi)即可獲得整個天空的圖像。

  研究發(fā)現(xiàn),地冕的范圍差不多延伸到63萬千米之外,相當于100個地球半徑;而月球軌道相當于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(fā)現(xiàn),由于太陽光壓的影響,地冕的形狀看起來有點像彗星的尾巴。在朝著太陽的一側(cè),地冕層氫原子被陽光“壓縮”,在距離地表 6 萬公里處每立方厘米大約有 70 個原子;而到月球軌道空間,每立方厘米平均僅有 0.2 個原子,基本上可以認為是真空。在背對太陽的一側(cè),氫原子的密度整體上要更大一些。

  地冕觀測示意圖(未按比例繪制),圖中地球周圍的淺色區(qū)域為地冕。圖片來源:ESA  令人驚訝的是,這項研究的數(shù)據(jù)來自 1996~98 年間。SOHO 于 1995 年發(fā)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,并且仍在運行。它收集的許多數(shù)據(jù)還未得到分析,比如這次的日冕數(shù)據(jù)。

  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(fā)出的輻射微乎其微,對普通人或月球軌道的宇航員沒什么影響。不過,處于地冕內(nèi)部的太空望遠鏡可能需要調(diào)整它的基準,以便更精準地進行深空觀測。法國國家科學(xué)研究中心(French National Centre for Scientific Research)的天文學(xué)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(xué)成分的空間望遠鏡都要考慮到這一點。”并且,由于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(guān)注的主題。

  當然,研究發(fā)現(xiàn)也表明,直到今天還沒有一個人類能夠真正離開地球。

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