一项研究分析了20年前的观测数据，提出了一个惊人的观点：地球大气层延伸至约63万公里，月球也包裹在大气层中。


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张启亚撰

编辑齐依音

还记得地理课本里对大气的具体定义，你一定会觉得这个定义简直不可思议。然而，地球大气层的定义一直存在争议。可能地理课本就选了一个难忘的（雾）。

“航空”与“航天”的分界线

根据Fédération Aéronautique Internationale 的定义，海拔100km 就是卡门线（Kármán line），这是“航空”向“航空”过渡的边界。飞船发射后，为了保持飞行状态，飞船需要继续加速，直到切线方向的速度达到第一宇宙速度，飞船才能绕地球飞行。当飞机达到第一宇宙速度时，高度几乎是100公里。


极光出现在海拔约 90-150 公里的卡门线附近。图片来源：Pixabay

然而，关于卡门线高度的争论从未停止。 1951年至1962年间，有人对卡门线的高度统计了大约30种不同意见，边界高度的定义范围为海拔20公里至400公里，大部分在75-100公里之间。哈佛-史密森天体物理中心的天体物理学家乔纳森·麦克道威尔认为，卡门线的高度应该是 80 公里。在 2018 年发表的一篇论文中，他分析了 43,000 颗卫星的高度。拥有超过9000万个点坐标轨道数据，发现50颗卫星可以在80公里的高度绕地球运行。 McDowell提出的定义也得到了一些研究人员的支持。

卡门线的定义实际上并不完全是一个科学问题。在这样的空间边界之下，可以说，这部分空域是属于它下面的国家的；而在空间边界之上，理论上，各国的卫星是可以自由飞行的。因此，卡门线的定义会受到政治诉求的影响。

太阳有日冕，地球有日冕

天文学家试图用更普遍的标准来定义地球的大气层，但地球的大气层实际上比想象的要复杂得多，远不是一条线来定义的。

天文学家莱曼·斯皮策首先提出了“散逸层”的概念。他指出，如果不是因为较高的大气温度让较轻的气体逸出，那么地球大气中的氦含量将远高于现实。

大气的这个区域也被称为地冕。我们都知道日冕，它是太阳大气的最外层。它由非常薄的、完全电离的等离子体组成。可分为三个层次：内电晕、中电晕和外电晕。地冕与它相似。它主要由电中性的氢原子组成，是地球大气层的一部分。换句话说，在地球大气层和外层空间交界的区域，有一个“氢原子云”，我们将其定义为地冕。


图片来源：日之出JAXA/NASA

充满地球日冕的氢原子来自地球的大气层。大气中的水和甲烷通过光解产生氢原子。它们通过扩散远离表面；当它们到达逃逸层的底部时，它们将沿着原来的轨迹发射到太空中。根据氢原子的速度，此时可能会出现两种情况：速度大于逃逸速度的氢原子被发射到双曲线轨道上，永远告别地球；速度小于逃逸速度的氢原子将返回逃逸层的底部。留在地球日冕中的氢原子不能无限地积累。这些氢原子被太阳发出的极紫外辐射电离，并与飞向地球的太阳风质子交换电荷。它们的“寿命”大约是 20 天。

所以，在日冕的这个区域，一部分氢原子离开了地球，剩下的氢原子也比较短命；这些因素限制了日冕的大小并防止它无限期地延伸。

地球日冕有多大？

要测量日冕的大小，最直观的方法是使用外太空的航天器来观察日冕发出的光。在 1972 年的阿波罗 16 号任务期间，于宇航员第一次拍摄了日冕层的图像，但那一次是从月球轨道的角度拍摄的。当时的宇航员可能不知道，他们并没有飞出日冕。


宇航员在阿波罗 16 号上拍摄的日冕。图片来源：美国宇航局

地球日冕中的氢元素与来自太阳的远紫外线辐射散射并发光。地冕会发出几条光谱线。最强的谱线是莱曼α辐射，是氢原子的电子从主量子数n=2跃迁到n=1时发出的谱线。研究人员主要用它来探测日冕。

本次研究中获得的地冕数据来自欧洲航天局（ESA）和美国国家航空航天局（NASA）开发的太阳和日光层天文台（SOHO）。 ) 联合开发，围绕太阳旋转，对太阳进行研究。 SOHO 上的仪器可以滤除来自更远外太空的莱曼阿尔法辐射，并准确测量来自地球日冕的光。两个传感器连续观测地球，随着探测器的移动，大约20小时就能获得整个天空的图像。

研究发现，地冕的范围几乎延伸到63万公里之外，相当于地球的100个半径；而月球的轨道相当于地球的60个半径，也就是说，月球也包含在地冠中。

研究人员还发现，由于阳光压力的影响，地球日冕的形状看起来有点像彗星的尾巴。在面向太阳的一侧，日冕层中的氢原子被阳光“压缩”，在距离地球表面6万公里的地方，每立方厘米大约有70个原子；而在月球轨道空间，平均每立方厘米只有0.2个原子。 ，基本上可以认为是真空。在背离太阳的一侧，氢原子的密度总体上更大。


日冕观测示意图（未按比例绘制）。图中地球周围的浅色区域是日冕。图片来源：欧空局

令人惊讶的是，这项最新研究的数据来自 1996-98 年。 SOHO于1995年发射升空，原计划使用寿命为3年，但已在太空工作20多年，至今仍在运行。它收集的很多数据都没有经过分析，比如这次的电晕数根据。

这项研究表明，日冕层也是紫外线辐射源，但与太阳辐射源相比，日冕层发出的辐射非常小，对普通人或月球轨道上的宇航员没有影响。然而，地球日冕内的太空望远镜可能需要调整其基准面，以便更准确地进行深空观测。法国国家科学研究中心的天文学家、SWAN 项目前首席研究员让-卢普·贝尔托 (Jean-Loup Bertaux) 说：“在紫外线范围内观察天空并研究恒星和星系化学成分的太空望远镜必须考虑到这一点。帐户。一点。”而且，由于外行星上的氢原子层反映了低层大气（火星、金星和地球）中水和/或甲烷的存在，因此它也将成为未来研究中更感兴趣的主题。

当然，研究结果也表明，直到今天，还没有人类能够真正离开地球。