月球竟然在地球大氣層里面

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(shí)也在大氣層中。這項研究結(jié)果發(fā)表在?Journal of Geophysical Research : Space Physics?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(zhǔn)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(jù)國際航空聯(lián)合會（Fédération Aéronautique Internationale）的定義，海拔 100km 高度為卡門線（Kármán line），這是從“航空”過渡到“航天”的界線。當(dāng)航天器發(fā)射后，為了保持飛行狀態(tài)，飛船需要持續(xù)加速，直至切線方向上的速度達(dá)到第一宇宙速度后，航天器便可環(huán)繞地球飛行。而飛行器達(dá)到第一宇宙速度時，所處的高度差不多就是 100km。

極光就產(chǎn)生在卡門線附近，海拔大約在 90～150 km 之間。圖片來源：Pixabay

然而，關(guān)于卡門線高度的爭議卻從未停止。有人統(tǒng)計了從 1951 年到 1962 年間出現(xiàn)的大約 30 種關(guān)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-Smithsonian Center for Astrophysics）的天體物理學(xué)家 Jonathan McDowell 認(rèn)為卡門線的高度應(yīng)該是 80km，在 2018 年發(fā)表的一篇論文中，他分析了 43000 顆衛(wèi)星的超過 9000 萬個點(diǎn)坐標(biāo)軌道數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)有 50 顆衛(wèi)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(shí)不完全是一個科學(xué)問題。在這樣的空間邊界以下，可以說這部分的空域?qū)儆谠谄湎路降膰遥欢诳臻g邊界以上，理論上是允許各國衛(wèi)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(xué)家試圖用更加普適的標(biāo)準(zhǔn)來定義地球大氣層，然而地球的大氣層實(shí)際上比想象中更復(fù)雜，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是一條線所能界定。

天文學(xué)家 Lyman Spitzer 首次提出“散逸層”（exosphere）的概念，他指出，如果不是因?yàn)檫@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(xiàn)實(shí)中要高得多。

這一大氣區(qū)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(nèi)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(qū)域，有一片“氫原子云”，我們定義為地冕。

日冕。圖片來源：Hinode JAXA/NASA

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(chǎn)生氫原子，它們通過擴(kuò)散作用向遠(yuǎn)離地表方向運(yùn)動；到達(dá)逸散層底部時，它們將沿著原運(yùn)動軌跡向太空發(fā)射。根據(jù)氫原子的速度不同，這時候可能發(fā)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(fā)射，永遠(yuǎn)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(fā)出的極紫外輻射發(fā)生電離，并與朝地球飛來的太陽風(fēng)質(zhì)子進(jìn)行電荷交換，其“壽命”大約為 20 天左右。

所以，在地冕這個區(qū)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(fā)出的光。在 1972 年的阿波羅 16 號任務(wù)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(jìn)行拍攝的，當(dāng)時的宇航員可能并不知道其實(shí)自己并沒有飛出地冕。

阿波羅 16 號上的宇航員拍攝的地冕。圖片來源：NASA

地冕中的氫元素會與來自太陽的遠(yuǎn)紫外線輻射發(fā)生散射而發(fā)光。地冕發(fā)射的譜線有好幾種，其中最強(qiáng)的譜線是萊曼阿爾法輻射，這是氫原子的電子從主量子數(shù) n = 2 躍遷至 n = 1 時發(fā)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(shù)據(jù)來自于太陽和太陽風(fēng)層探測器（Solar and Heliospheric Observatory，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(zhuǎn)，并對太陽進(jìn)行研究。SOHO上的儀器可以過濾掉來自更遠(yuǎn)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(jìn)行觀測，隨著探測器的移動，大約 20 小時內(nèi)即可獲得整個天空的圖像。

研究發(fā)現(xiàn)，地冕的范圍差不多延伸到63萬千米之外，相當(dāng)于100個地球半徑；而月球軌道相當(dāng)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(fā)現(xiàn)，由于太陽光壓的影響，地冕的形狀看起來有點(diǎn)像彗星的尾巴。在朝著太陽的一側(cè)，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(rèn)為是真空。在背對太陽的一側(cè)，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(qū)域?yàn)榈孛?。圖片來源：ESA

令人驚訝的是，這項最新研究的數(shù)據(jù)來自 1996～98 年間。SOHO 于 1995 年發(fā)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(yùn)行。它收集的許多數(shù)據(jù)還未得到分析，比如這次的日冕數(shù)據(jù)。

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(fā)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(nèi)部的太空望遠(yuǎn)鏡可能需要調(diào)整它的基準(zhǔn)，以便更精準(zhǔn)地進(jìn)行深空觀測。法國國家科學(xué)研究中心（French National Centre for Scientific Research）的天文學(xué)家、前 SWAN 項目首席研究員 Jean-Loup Bertaux 說：“那些在紫外波段觀測天空，研究恒星和星系化學(xué)成分的空間望遠(yuǎn)鏡都要考慮到這一點(diǎn)?！辈⑶遥捎谛行峭鈱拥臍湓訉臃从沉说痛髿鈱樱ɑ鹦?，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(guān)注的主題