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。

　　撰文|張琪雅

　　編輯|戚譯引

　　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（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-Smithsonian Center for Astrophysics）的天體物理學家 Jonathan McDowell 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 Lyman Spitzer 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（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，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。

　　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（French National Centre for Scientific Research）的天文學家、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成分的空間望遠鏡都要考慮到這一點?！辈⑶?，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。

　　論文信息：

　　Baliukin， I。， Bertaux， J。-L。， Quémerais， E。， Izmodenov， V。， & Schmidt， W。 （2019）。 SWAN/SOHO Lyman-α mapping： The hydrogen geocorona extends well beyond the Moon。 Journal of Geophysical Research： Space Physics， 124， 861– 885。 https：//doi.org/10.1029/2018JA026136

　　參考文獻及網頁：

　　[1] Mcdowell J C 。 The edge of space：Revisiting the Karman Line[J]。 Acta Astronautica， 2018：S0094576518308221-。

　　[2] Baliukin I I，Bertaux J L，Quémerais E，etal。 SWAN/SOHO Lyman‐α mapping： the Hydrogen Geocorona Extends Well Beyond TheMoon[J]。 Journal of Geophysical Research： Space Physics， 2019。

　　[3] Koutroumpa D，Lallement R，Bertaux J L，etal。 SOHO-SWAN Hydrogen Cell Data Analysis：Method Description。

　　[4] https：//www.sciencealert.com/earth-s-atmosphere-is-so-big-that-it-actually-engulfs-the-moon 

　　本文轉載自公眾號“科研圈”（ID： keyanquan）