地冕到底有多大?

文章作者:管理一号 | 2019-03-27
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图片来历:NASA Earth Observatory

来历:科研圈(ID:keyanquan)

一项研讨剖析了来自二十年前的观测数据,提出了一个惊人的观念:地球大气层一贯延伸到约 63 万千米处,月球也被包裹在大气层中。

最近的一项研讨提出,地球的大气层延伸到至少 100 个地球半径,约 630000 千米(km)处,这也意味着月球其实也在大气层中。这项研讨结果宣布在 Journal of Geophysical Research : Space Physics 上。

不论你还记不记得地舆讲义上对大气层的详细界说,你一定会觉得这个界说几乎难以幻想。不过,地球大气层的界说一贯有着许多争议,没准地舆讲义仅仅选了一个好记的(大雾)。

“航空”和“航天”的分界限

依据国际航空联合会(Fédération Aéronautique Internationale)的界说,海拔 100km 高度为卡门线(Kármán line),这是从“航空”过渡到“航天”的界限。当航天器发射后,为了坚持飞翔状况,飞船需求继续加快,直至切线方向上的速度抵达第一宇宙速度后,航天器便可盘绕地球飞翔。而飞翔器抵达第一宇宙速度时,所在的高度差不多便是 100km。

极光就发作在卡门线邻近,海拔大约在 90~150 km 之间。图片来历:Pixabay

可是,关于卡门线高度的争议却从未中止。有人计算了从 1951 年到 1962 年间呈现的大约 30 种关于卡门线高度的不同定见,鸿沟高度的界说规模从海拔 20km 到 400km,其间大部分的值坐落 75-100km 之间。哈佛-史密森尼天体物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)的天体物理学家 Jonathan McDowell 以为卡门线的高度应该是 80km,在 2018 年宣布的一篇论文中,他剖析了 43000 颗卫星的超越 9000 万个点坐标轨迹数据,发现有 50 颗卫星可在 80km 的高度绕行地球。McDowell 提出的界说也得到了一些研讨人员的支撑。

卡门线的界说其实不完满是一个科学问题。在这样的空间鸿沟以下,可以说这部分的空域归于在其下方的国家;而在空间鸿沟以上,理论上是答应各国卫星自在飞翔的。因而,对卡门线的界说多少会遭到政治诉求的影响。

太阳有日冕,地球有地冕

天文学家试图用愈加普适的规范来界说地球大气层,可是地球的大气层实际上比幻想中更杂乱,远远不是一条线所能界定。

天文学家 Lyman Spitzer 初次提出“散逸层”(exosphere)的概念,他指出,假如不是因为这一层大气温度较高,使得较轻的气体逃逸,那么地球大气中的氦气含量会比实际中要高得多。

这一大气区域也被称为地冕(geocorona)。咱们都知道日冕,它是太阳大气的最外层,由很淡薄的彻底电离的等离子体所组成,可以分为内冕、中冕和外冕三个层次。而地冕与其类似,它以电中性的氢原子为首要成分,是地球大气逸散层的一部分。也就说是,在地球的大气层与外太空接壤的区域,有一片“氢原子云”,咱们界说为地冕。

日冕。图片来历:Hinode JAXA/NASA

填充地冕的氢原子来自于地球大气。大气中的水和甲烷经过光解离发作氢原子,它们经过扩散作用向远离地表方向运动;抵达逸散层底部时,它们将沿着原运动轨迹向太空发射。依据氢原子的速度不同,这时候或许发作两种状况:速度大于逃逸速度的氢原子在双曲线轨迹上发射,永久告别了地球;速度小于逃逸速度的氢原子将返回到逸散层底部。留在地冕中的氢原子也不能无限累积。这些氢原子会经过太阳宣布的极紫外辐射发作电离,并与朝地球飞来的太阳风质子进行电荷交流,其“寿数”大约为 20 天左右。

所以,在地冕这个区域,一部分氢原子脱离了地球,留下来的氢原子也比较短寿;这些要素都约束了地冕的巨细,使它无法无限延伸。

地冕到底有多大?

要想丈量地冕的巨细,最直观的办法是在外太空顶用航天器观测地冕宣布的光。在 1972 年的阿波罗 16 号使命中,宇航员曾初次拍照到地冕层的图画,但那一次是从月球轨迹视点进行拍照的,其时的宇航员或许并不知道其实自己并没有飞出地冕。

 阿波罗 16 号上的宇航员拍照的地冕。图片来历:NASA 

地冕中的氢元素会与来自太阳的远紫外线辐射发作散射而发光。地冕发射的谱线有好几种,其间最强的谱线是莱曼阿尔法辐射,这是氢原子的电子从主量子数 n = 2 跃迁至 n = 1 时宣布的谱线。研讨人员首要经过它来检测地冕。

这次研讨所取得的地冕数据来自于太阳和太阳风层探测器(Solar and Heliospheric Observatory,SOHO),它由欧洲航天局(ESA)及美国国家航空航天局(NASA)一起研发,绕太阳公转,并对太阳进行研讨。SOHO上的仪器可以过滤掉来自更远的外太空的莱曼阿尔法辐射,精确地丈量来自地冕的光线。两个传感器不间断地对地球进行观测,跟着探测器的移动,大约 20 小时内即可取得整个天空的图画。

研讨发现,地冕的规模差不多延伸到63万千米之外,相当于100个地球半径;而月球轨迹相当于60个地球半径,也便是说,月球也被包含在地冕之中。

研讨人员还发现,因为太阳光压的影响,地冕的形状看起来有点像彗星的尾巴。在朝着太阳的一侧,地冕层氢原子被阳光“紧缩”,在间隔地表 6 万公里处每立方厘米大约有 70 个原子;而到月球轨迹空间,每立方厘米均匀仅有 0.2 个原子,基本上可以以为是真空。在背对太阳的一侧,氢原子的密度全体上要更大一些。

地冕观测示意图(未按份额制作),图中地球周围的淡色区域为地冕。图片来历:ESA

令人惊奇的是,这项最新研讨的数据来自 1996~98 年间。SOHO 于 1995 年发射升空,原计划使用寿数是 3 年,但它现在已在太空中工作了 20 多年,而且仍在运转。它搜集的许多数据还未得到剖析,比方这次的日冕数据。

这项研讨阐明地冕层也是一个紫外线辐射源,可是同太阳辐射源比较,地冕层宣布的辐射微乎其微,对普通人或月球轨迹的宇航员没什么影响。不过,处于地冕内部的太空望远镜或许需求调整它的基准,以便更精准地进行深空观测。法国国家科学研讨中心(French National Centre for Scientific Research)的天文学家、前 SWAN 项目首席研讨员 Jean-Loup Bertaux 说:“那些在紫外波段观测天空,研讨恒星和星系化学成分的空间望远镜都要考虑到这一点。”而且,因为行星外层的氢原子层反映了低大气层(火星,金星和地球)中水和(或)甲烷的存在,它也将成为未来研讨中愈加受重视的主题。

当然,研讨发现也标明,直到今日还没有一个人类可以真实脱离地球。

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