天有多高?这问题还真有答案

来源:科普中国发布时间:2019-03-13

是不是孩提时就有的疑问?

  我们天天生活在大气层中,大家有没有想过,我们的大气层到底有多厚呢? 

  我们会在教科书上或者其他有关的文献上读到大气层的厚度约为1000千米左右,但是有的文献又会说大气层的厚度是20003000千米左右。那么孰是孰非呢?他们给出的厚度又是如何测量得到的呢? 

  另外,我们会在新闻里会听到,某某航天器距离地球表面200-300千米高,已经成功进入了太空,为什么仍然在大气层里的航天器却算是进入了太空?下面我们来一探究竟。 

大气层(图片来自维基百科https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Earth)     

  按照温度的变化规律,大气层一共分为五层,包括对流层,平流层,中间层,热层,散逸层。我们先来说说不同高度的大气层是如何测量的。由于测量不同高度的大气层,需要人类或者飞行器能达到相应的高度,因此测量不同高度的大气层和人类航空航天器的发展是紧密相连的。 

  在18世纪发明热气球之前,通过爬山,科学家们发现大气的温度会随着高度的上升一直减小,于是有的科学家就根据高度和温度的关系计算出大气层高度的极限是30KM,因为超过30KM大气的温度就会低于绝对零度,是不符合物理定理的。爬山所能上升的高度十分有限,最高也不过几千米,因此在发明了热气球之后不久,就有科学家乘坐热气球去实际测量大气的温度,然后发现直到10km左右的高空大气的温度都是随着高度的升高而降低的。10km以上的高空,氧气过于稀薄,气温也十分低,在当时没有任何的保护措施下,科学家已无法乘坐热气球前往更高的高度了。 

科学家用热气球进行高度和温度的测量(图片来自维基百科https://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_aviation_–_19th_century 

    

  到了20世纪初,探空气球的发明给科学家们的科研活动提供了新的可能。1902年,法国和德国的科学家利用探空气球几乎同时发现,在超过10km的高空后不久,大气的温度并没有一直降低,反而会有上升,这就是平流层的发现。 

  平流层最高可达50km左右。20世纪初发明的探空气球都不可能达到这么高的高度。因此关于更高气层的研究一直无法进行。 

探空气球会带着一系列的探测仪器升空,然后在一定高度气球爆炸后,探测仪器会随着降落伞降落(图片来自https://www.forbes.com/sites/marshallshepherd 

    

  直到二战期间德国发明V2火箭之后,科学家们才在战后有机会继续借助基于V2火箭的高空火箭技术来研究平流层以上的中间层的大气的性质。也就是在这个时候,科学家们发现在中间层,大气层的温度又会随着高度的增加而减小,因此这一层是和平流层不同的大气层。 

  中间层的高度一直持续到80-90km左右,这个高度也就仅仅比V2火箭的最大飞行高度低一点,因此中间层后面的热层以及散逸层的发现都是航空火箭和人造卫星之后的事了。因此大气层的高度,或者说厚度其实是人类通过不同的航天器给出的测量数据来估算出来的。 


V2 火箭(图片来自https://rarehistoricalphotos.com/v2-rocket-in-pictures/ 

    

  总的来说根据不同高度温度的变化,科学家把大气层一共分为五层,包括对流层(0-10km左右),平流层(10-50km左右),中间层(50-85km左右),热层(80-800km左右),散逸层(800-2000或者3000km左右)。 温度在不同区域的变化示意图如下图所示: 

    

不同高度的大气层的温度变化以及相关天文现象(图片来自http://baike.anymetre.com/ 

    

  一般飞机的巡航高度就在对流层和平流层的交界处附近,温度比较低,但是如果再往高处飞的话,会进入平流层。由于平流层存在大量的臭氧,因此会吸收大量的紫外线辐射,温度就会逐渐升高而不是下降。另外,不同层面的分界并不是很明显,会受不同的经纬度的影响,因此给出的数值也是一个估计,不同文献上也可能会有一些差别,但是总体不会差很多。因此说地球大气层的厚度在1000-3000千米之间都是可以接受的。 

  我们地球的大气层外界并没有一个明确的边界,我们并不会在到达某个高度之后突然进入太空大气层的密度是随着高度的增加而不断减少,最后变得非常低,但不会是零。例如在100km的高大气密度约为地面的200万分之一,在200km的高空上大气的密度就只有地面的百亿分之一了,超过300千米之后,大气的密度会低于地面密度的千亿分之一。在超过300千米的高空当然也能检测到大气层,只是密度非常低,甚至在10000千米的高空也是能检测到大气分子的,只是在那个高度大气分子和太阳风吹出的粒子已经融为一体很难区分了。 

  因为大气层的密度随着高度的增加而减小,大气层的质量也并不是均匀分布的,它绝大部分质量都位于很低的高空。根据美国国家大气研究中心的数据,大气层的总质量约为5000万亿吨到6000万亿吨。这其中约有50%的大气位于5.6km以下的高空,约有90%的大气位于16km以下的高空,约有99.99997%的大气位于100km以下的高空。因此处于100km的高空以上以后,大气的密度大为减少,和太空几乎没有什么不同。实际上国际航空联合会给出的太空和内层大气空间的高度约为100km,这也就是著名的卡门线。任何超过卡门线的飞行器都可以认为是进入了太空,可以称之为航天器。在低于卡门线的高空进行活动的飞行器,称之为航空器 

  总之,我们可以看到,大气层的厚度的确定并不是一蹴而就的,而是一个渐进的过程。这其实和大多数的科学研究是一样的,要想取得大的研究成果,就必须不断的学习前人积累的知识和经验,然后才有可能最终在前人的基础上更上一层楼。 

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