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一項研究分析了來自二十年前的觀測數據，提出了一個(ge) 驚人的觀點：地球大氣層一直延伸到約 63 萬(wan) 千米處，月球也被包裹在大氣層中。

圖片來源：Pixabay

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(ti) 定義(yi) ，你一定會(hui) 覺得這個(ge) 定義(yi) 簡直不可思議。不過，地球大氣層的定義(yi) 一向有著諸多爭(zheng) 議，沒準地理課本隻是選了一個(ge) 好記的（大霧）。

“航空”和“航天”的分界線

根據國際航空聯合會(hui) （Fédération Aéronautique Internationale）的定義(yi) ，海拔 100km 高度為(wei) 卡門線（Kármán line），這是從(cong) “航空”過渡到“航天”的界線。當航天器發射後，為(wei) 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。

極光就產(chan) 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(guan) 於(yu) 卡門線高度的爭(zheng) 議卻從(cong) 未停止。有人統計了從(cong) 1951 年到 1962 年間出現的大約 30 種關(guan) 於(yu) 卡門線高度的不同意見，邊界高度的定義(yi) 範圍從(cong) 海拔 20km 到 400km，其中大部分的值位於(yu)  75-100km 之間。哈佛-史密森尼天體(ti) 物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的天體(ti) 物理學家 Jonathan McDowell 認為(wei) 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(wan) 個(ge) 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(yi) 也得到了一些研究人員的支持。

卡門線的定義(yi) 其實不完全是一個(ge) 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(yu) 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(yi) 多少會(hui) 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(yi) 地球大氣層，然而地球的大氣層實際上比想象中更複雜，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(wei) 這一層大氣溫度較高，使得較輕的氣體(ti) 逃逸，那麽(me) 地球大氣中的氦氣含量會(hui) 比現實中要高得多。

這一大氣區域也被稱為(wei) 地冕（geocorona）。我們(men) 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(ti) 所組成，可以分為(wei) 內(nei) 冕、中冕和外冕三個(ge) 層次。而地冕與(yu) 其相似，它以電中性的氫原子為(wei) 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(yu) 外太空交界的區域，有一片“氫原子雲(yun) ”，我們(men) 定義(yi) 為(wei) 地冕。

日冕。圖片來源：Hinode JAXA/NASA

填充地冕的氫原子來自於(yu) 地球大氣。大氣中的水和甲烷通過光解離產(chan) 生氫原子，它們(men) 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(men) 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(liang) 種情況：速度大於(yu) 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(yu) 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(hui) 通過太陽發出的極紫外輻射發生電離，並與(yu) 朝地球飛來的太陽風質子進行電荷交換，其“壽命”大約為(wei) 20 天左右。

所以，在地冕這個(ge) 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；這些因素都限製了地冕的大小，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(cong) 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。

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(hui) 與(yu) 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(cong) 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(yu) 太陽和太陽風層探測器（Solar and Heliosespheric 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(yi) 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(liang) 個(ge) 傳(chuan) 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(nei) 即可獲得整個(ge) 天空的圖像。

研究發現，地冕的範圍差不多延伸到63萬(wan) 千米之外，相當於(yu) 100個(ge) 地球半徑；而月球軌道相當於(yu) 60個(ge) 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(yu) 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(ce) ，地冕層氫原子被陽光“壓縮”，在距離地表 6 萬(wan) 公裏處每立方厘米大約有 70 個(ge) 原子；而到月球軌道空間，每立方厘米平均僅(jin) 有 0.2 個(ge) 原子，基本上可以認為(wei) 是真空。在背對太陽的一側(ce) ，氫原子的密度整體(ti) 上要更大一些。

地冕觀測示意圖（未按比例繪製），圖中地球周圍的淺色區域為(wei) 地冕。圖片來源：ESA

令人驚訝的是，這項最新研究的數據來自 1996～98 年間。SOHO 於(yu) 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(ge) 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麽(me) 影響。不過，處於(yu) 地冕內(nei) 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，研究恒星和星係化學成分的空間望遠鏡都要考慮到這一點。”並且，由於(yu) 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(wei) 未來研究中更加受關(guan) 注的主題。

當然，研究發現也表明，直到今天還沒有一個(ge) 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. 

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 

本文來自微信公眾(zhong) 號“科研圈”。

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