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自然科普:月球居然在地球大年夜气层外面,并且这个发明迟到了二十年

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一项研讨剖析了来自二十年前的地球大年不雅测数据,提出了一个惊人的层外迟不雅点:地球大年夜气层一向延伸到约 63 万千米处,月球也被包裹在大年夜气层中。面并

图片来源:Pixabay

撰文 张琪雅

编辑 戚译引

不论你还记不记得地舆教材上对大年夜气层的发明红姑娘健身操详细定义,你一定会以为这个定义确实弗成思议。科普不过,月球夜气地球大年夜气层的地球大年定义一向有着诸多争议,没准地舆教材只是层外迟选了一个好记的(大年夜雾)。

“航空”和“航天”的面并分界限

依据国际航空结合会(Fédération Aéronautique Internationale)的定义,海拔 100km 高度为卡门线(Kármán line),发明这是科普从“航空”过渡到“航天”的界限。当航天器发射后,月球夜气为了坚持飞翔状况,地球大年飞船需要延续加快,菏泽现代健身操直至切线倾向上的速度到达第一宇宙速度后,航天器便可盘绕地球飞翔。而飞翔器到达第一宇宙速度时,所处的高度差不久不多就是 100km。

极光就发生在卡门线临近,海拔大年夜约在 90~150 km 之间。图片来源:Pixabay

但是,关于卡门线高度的争议却从未遏制。有人统计了从 1951 年到 1962 年间出现的大年夜约 30 种关于卡门线高度的不合看法,界限高度的定义范围从海拔 20km 到 400km,个中大年夜局部的值位于 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当是 80km,在 2018 年揭橥的一篇论文中,他剖析了 43000 颗卫星的跨越 9000 万个点坐标轨道数据,发明有 50 颗卫星可在 80km 的中国健身操教学高度绕行地球。McDowell 提出的定义也取得了一些研讨人员的支撑。

卡门线的定义真实不美满是一个迷信标题。在多么的空间界限以下,可以说这局部的空域属于在其下方的国度;而在空间界限以上,实际上是准许各国卫星自在飞翔的。是以,对卡门线的定义若干会遭到政治诉求的影响。

太阳有日冕,地球有地冕

天文学家试图用加倍普适的规范来定义地球大年夜气层,但是地球的大年夜气层实践上比想象中更复杂,远远不是一条线所能界定。

天文学家 Lyman Spitzer 初次提出“闲逸层”(exosphere)的概念,他指出,假设不是由于这一层大年夜气温度较高,使得较轻的松咯健身操气体逃逸,那末地球大年夜气中的氦气含量会比实践中要高得多。

这一大年夜气地域也被称为地冕(geocorona)。我们都知道日冕,它是太阳大年夜气的最外层,由很淡漠的完全电离的等离子体所构成,可以分为内冕、中冕和外冕三个层次。而地冕与其相似,它以电中性的氢原子为重要成分,是地球大年夜气逸散层的一局部。也就说是,在地球的大年夜气层与外太空接壤的地域,有一片“氢原子云”,我们定义为地冕。

日冕。娄桥健身操图片来源:Hinode JAXA/NASA

填充地冕的氢原子来自于地球大年夜气。大年夜气中的水和甲烷经由进程光解离发生氢原子,它们经由进程分散感染向远离地表倾向活动;到达逸散层底部时,它们将沿着原活动轨迹向太空发射。依据氢原子的速度不合,这时辰间能够发生两种状况:速度大年夜于逃逸速度的氢原子在双曲线轨道上发射,永远拜别了地球;速度小于逃逸速度的氢原子将前往到逸散层底部。留在地冕中的氢原子也不克不及无量累积。这些氢原子会经由进程太阳收回的极紫外辐射发生电离,并与朝地球飞来的太阳风质子停止电荷交流,其“寿命”大年夜约为 20 天支配。

所以,在地冕这个地域,一局部氢原子分开了地球,留上去的氢原子也比拟夭折;这些成分都限制了地冕的大年夜小,使它没法无量延伸。

地冕究竟有多大年夜?

要想测量地冕的大年夜小,最直不雅的方法是在外太空顶用航天器不雅测地冕收回的光。在 1972 年的阿波罗 16 号义务中,宇航员曾初次拍摄到地冕层的图象,但那一次是从月球轨道角度停止拍摄的,事先的宇航员能够并不知道真实自身并没有飞出地冕。

阿波罗 16 号上的宇航员拍摄的地冕。图片来源:NASA

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,个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 时收回的谱线。研讨人员重要经由进程它来检测地冕。

此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)及美国国度航空航天局(NASA)合营研制,绕太阳公转,并对太阳停止研讨。SOHO上的仪器可以过滤掉落来自更远的外太空的莱曼阿尔法辐射,切确地测量来自地冕的光线。两个传感器不连续地对地球停止不雅测,跟着探测器的移动,大年夜约 20 小时内即可取得全部天空的图象。

研讨发明,地冕的范围差不久不多延伸到63万千米以外,相当于100个地球半径;而月球轨道相当于60个地球半径,也就是说,月球也被包括在地冕傍边。

研讨人员还发明,由于太阳光压的影响,地冕的外形看起来有点像彗星的尾巴。在野着太阳的一侧,地冕层氢原子被阳光“紧缩”,在距离地表 6 万公里处每立方厘米大年夜约有 70 个原子;而到月球轨道空间,每立方厘米平均仅有 0.2 个原子,基本上可以以为是真空。在背对太阳的一侧,氢原子的密度集团上要更大年夜一些。

地冕不雅测表示图(未按比例绘制),图中地球周围的淡色地域为地冕。图片来源:ESA

令人惊讶的是,这项最新研讨的数据来自 1996~98 年间。SOHO 于 1995 年发射升空,原谋划运用寿命是 3 年,但它而今已在太空中任务了 20 多年,并且仍在运转。它搜集的很多半据还未取得剖析,比如此次的日冕数据。

这项研讨解释地冕层也是一个紫外线辐射源,然则同太阳辐射源比拟,地冕层收回的辐射眇乎小哉,对深刻人或月球轨道的宇航员没甚么影响。不过,处于地冕外部的太空看远镜能够需要调剂它的基准,以便更精准地停止深空不雅测。法国国度迷信研讨中心(French National Centre for Scientific Research)的天文学家、前 SWAN 项目首席研讨员 Jean-Loup Bertaux 说:“那些在紫外波段不雅测天空,研讨恒星和星系化学成分的空间看远镜都要琢磨到这一点。”并且,由于行星外层的氢原子层反响了低大年夜气层(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加倍受存眷的主题。

当然,研讨发明也注解,直到明天还没有一小我类可以也许真正分开地球。

论文信息:

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

参考文献及网页:

[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 

本文来自微信"大年夜众号“科研圈”。



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