月球竟在地球大氣層里面，而且這個發現遲到了二十年

　　一項研究分析了來自二十年前的觀測數據，提出了一個驚人的觀點：地球大氣層一直延伸到約63萬千米處，月球也被包裹在大氣層中。

 

　　最近的一項研究提出，地球的大氣層延伸到至少100個地球半徑，約630000千米（km）處，這也意味著月球其實也在大氣層中。這項研究結果發表在JournalofGeophysicalResearch：SpacePhysics上。

 

　　不管你還記不記得地理課本上對大氣層的具體定義，你一定會覺得這個定義簡直不可思議。不過，地球大氣層的定義一向有著諸多爭議，沒準地理課本只是選了一個好記的（大霧）。

 

　　“航空”和“航天”的分界線

 

　　根據國際航空聯合會（FédérationAéronautiqueInternationale）的定義，海拔100km高度為卡門線（Kármánline），這是從“航空”過渡到“航天”的界線。當航天器發射后，為了保持飛行狀態，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后，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。

 

　　然而，關于卡門線高度的爭議卻從未停止。有人統計了從1951年到1962年間出現的大約30種關于卡門線高度的不同意見，邊界高度的定義范圍從海拔20km到400km，其中大部分的值位于75-100km之間。哈佛-史密森尼天體物理中心（Harvard-SmithsonianCenterforAstrophysics）的天體物理學家JonathanMcDowell認為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9000萬個點坐標軌道數據，發現有50顆衛星可在80km的高度繞行地球。McDowell提出的定義也得到了一些研究人員的支持。

 

　　卡門線的定義其實不完全是一個科學問題。在這樣的空間邊界以下，可以說這部分的空域屬于在其下方的國家；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，對卡門線的定義多少會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地球大氣層，然而地球的大氣層實際上比想象中更復雜，遠遠不是一條線所能界定。

 

　　天文學家LymanSpitzer首次提出“散逸層”（exosphere）的概念，他指出，如果不是因為這一層大氣溫度較高，使得較輕的氣體逃逸，那么地球大氣中的氦氣含量會比現實中要高得多。

 

　　這一大氣區域也被稱為地冕（geocorona）。我們都知道日冕，它是太陽大氣的最外層，由很稀薄的完全電離的等離子體所組成，可以分為內冕、中冕和外冕三個層次。而地冕與其相似，它以電中性的氫原子為主要成分，是地球大氣逸散層的一部分。也就說是，在地球的大氣層與外太空交界的區域，有一片“氫原子云”，我們定義為地冕。

 

　　填充地冕的氫原子來自于地球大氣。大氣中的水和甲烷通過光解離產生氫原子，它們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，這時候可能發生兩種情況：速度大于逃逸速度的氫原子在雙曲線軌道上發射，永遠告別了地球；速度小于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。這些氫原子會通過太陽發出的極紫外輻射發生電離，并與朝地球飛來的太陽風質子進行電荷交換，其“壽命”大約為20天左右。

 

　　所以，在地冕這個區域，一部分氫原子離開了地球，留下來的氫原子也比較短命；這些因素都限制了地冕的大小，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，但那一次是從月球軌道角度進行拍攝的，當時的宇航員可能并不知道其實自己并沒有飛出地冕。

 

　　地冕中的氫元素會與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于太陽和太陽風層探測器（SolarandHeliosphericObservatory，SOHO），它由歐洲航天局（ESA）及美國國家航空航天局（NASA）共同研制，繞太陽公轉，并對太陽進行研究。SOHO上的儀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。兩個傳感器不間斷地對地球進行觀測，隨著探測器的移動，大約20小時內即可獲得整個天空的圖像。

 

　　研究發現，地冕的范圍差不多延伸到63萬千米之外，相當于100個地球半徑；而月球軌道相當于60個地球半徑，也就是說，月球也被包含在地冕之中。

 

　　研究人員還發現，由于太陽光壓的影響，地冕的形狀看起來有點像彗星的尾巴。在朝著太陽的一側，地冕層氫原子被陽光“壓縮”，在距離地表6萬公里處每立方厘米大約有70個原子；而到月球軌道空間，每立方厘米平均僅有0.2個原子，基本上可以認為是真空。在背對太陽的一側，氫原子的密度整體上要更大一些。

 

　　地冕觀測示意圖（未按比例繪制），圖中地球周圍的淺色區域為地冕。圖片來源：ESA地冕觀測示意圖（未按比例繪制），圖中地球周圍的淺色區域為地冕。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于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，并且仍在運行。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么影響。不過，處于地冕內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（FrenchNationalCentreforScientificResearch）的天文學家、前SWAN項目首席研究員Jean-LoupBertaux說：“那些在紫外波段觀測天空，研究恒星和星系化學成分的空間望遠鏡都要考慮到這一點。”并且，由于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，它也將成為未來研究中更加受關注的主題。

 

　　當然，研究發現也表明，直到今天還沒有一個人類能夠真正離開地球。