38万公里外的月亮，其实还处在地球的大气层中

doco2012

地球的大气层有多厚？这个问题看似很简单，但其实连科学家们都无法准确回答。地球大气层的定义一向有着诸多争议，在对地球大气层的研究中，科学家们甚至发现：月球竟然处于地球的大气层中。这个发现可以说完全颠覆了人们的认知，一向认知为外太空的遥远月球，怎么还会在地球的大气层中呢？


航空与航天的分界线——卡门线

在航天领域，了解大气层的厚度十分重要，因为对于航天器来说，当突破了地球大气层，摆脱地球的空气阻力，才算是真正地进入地球以外的太空，这种飞行活动也被称为航天。

而飞行器在地球大气层（空气空间）中的飞行（航行）活动，则被称为航空。

根据国际航空联合会的定义，从“航空”过渡到“航天”的界线被称为“卡门线”，而这个海拔高度为100KM。任何航天器想要持续飞行，必须要突破卡门线，并且当在卡门线切线方向上的速度达到第一宇宙速度以上，便能够围绕地球持续飞行。


虽说国际航空联合会对卡门线高度进行了定义，但科学家们对于卡门线高度的确定依旧存在着很大的争议。从 1951 年到 1962 年间，就有30多种对卡门线高度的不同意见，这些边界高度的定义范围从海拔 20km 到 400km不等，但大部分的值处于 75-100km 之间。


其实从人类的各种航天活动中就可以看出，地球大气的厚度可远不止100KM。例如国际空间站的飞行高度为400公里左右，但该空间站在绕地飞行过程中高度会不断地下降。这是因为在400公里的高度，依旧存在稀薄的大气与空间站摩擦，造成空间站速度逐渐降低，轨道高度下降，因此空间站中会有推进器定时给空间站加速以保持轨道高度。


通过地冕准确定义地球大气层厚度

地球的大气层到底有多厚？科学家试图用更加普适的标准来定义地球大气层，但地球的大气层实际上比想象中更复杂，远远不是一条线所能界定。

天文学家 Lyman Spitzer 对此定义了“散逸层”的概念，散逸层又称“外层”、“逃逸层”，是热层（暖层）以上的大气层，也是地球大气的最外层。这层空气在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，大部分分子发生电离；使质子和氦核的含量大大超过中性氢原子的含量。逃逸层空气极为稀薄，其密度几乎与太空密度相同，故又常称为外大气层。这一大气区域也被称为地冕。

由于地冕位于大气最外层，那么如果能知道地冕区的外边界在哪，那么就可以知道地球大气层的厚度了。对此科学家们的做法是在外太空中用航天器观测地冕发出的光来探测地冕的区域。


阿波罗 16 号上的宇航员拍摄的地冕
这个方法的原理是地冕中的氢元素会与来自太阳的远紫外线辐射发生散射而发光。地冕发射的谱线有好几种，其中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 时发出的谱线。研究人员主要通过它来检测地冕。科学家所使用的设备为太阳和太阳风层探测器（Solar and Heliospheric Observatory，SOHO）。该设备由欧洲航天局（ESA）及美国国家航空航天局（NASA）共同研制。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，精确地测量来自地冕的光线。


SOHO探测器
该项研究发现，地球地冕的范围远超出了人们的预期，最外侧高度可以达到近63万公里，而地月的平均距离也就38万公里，相当于月球还在地球的地冕范围内，换句话说就是月球还在地球的大气层当中。


SOHO探测器探测地冕范围，图源：文献【1】
另外，地冕区域还受太阳光的影响，在太阳光压的作用下，地冕的分布就像是彗星的尾巴，正对太阳的一面光压较大，地冕层氢原子被阳光“压缩”，对探测结果进行分析，发现在该区域距离地表 6 万公里处每立方厘米大约有 70 个原子，在38万公里处（约为月球轨道高度）每立方厘米平均仅有 0.2 个原子，基本上可以认为是真空。在背对太阳的一侧，氢原子的密度整体上要更大一些，并且日冕范围也会更大。


通过对地冕区的观测，科学家们更精确地得到了地球大气层的数据。虽说在月球高度中，地球的大气数量微乎其微，几乎可以忽略，但科学家们对地球大气层有了更准确的了解。