大氣層的神秘禁區(qū)

秦縱

在地球的大氣層中，有一個(gè)神秘的區(qū)域：在一些夜晚，那里會(huì)出現(xiàn)難以捉摸的、閃爍的夜光云；它既有很冷的空氣，也有很熱的空氣；在那里，科研氣球漂不起來(lái)，飛機(jī)不能飛行，衛(wèi)星會(huì)很快墜向地面……這難道是大氣層中的百慕大嗎？

其實(shí)并不是，由于至今人們對(duì)它的了解還非常有限，因此這個(gè)區(qū)域被一些科學(xué)家們稱(chēng)為“未知層”。

我們知道，地球的大氣層分為5層，即貼近地面的最低層對(duì)流層，最高處離地面約12千米左右；對(duì)流層上面是平流層，最高可到50千米左右，飛機(jī)一般在這一層中飛行；再上面是中間一層，顧名思義，這是大氣層的中間層，最高離地面80千米左右，流星體大部分在中間層燃盡；中間層上面是熱層，從80千米到約500千米，這一層溫度隨高度增加而迅速增加；最外是逃逸層，逃逸層是地球大氣的最外層，該層的上界在哪里還沒(méi)有一致的看法。

可能有人會(huì)很快提出質(zhì)疑：地球的大氣層就只分為5層，怎么冒出一個(gè)未知層來(lái)？

其實(shí)，未知層應(yīng)該算是不正規(guī)的劃分，因?yàn)樗歉鶕?jù)科學(xué)家對(duì)未知層的了解情況來(lái)劃分的，它不獨(dú)立于我們熟悉的那5層大氣，而是包括平流層、中間層以及熱層的下端，即距離地面大約50千米到300千米的區(qū)域。

有意思的是，未知層竟然能讓飛機(jī)、科研氣球和衛(wèi)星都“望而卻步”：飛得最高的現(xiàn)役殲擊機(jī)飛行高度是20千米左右，科研氣球的最高飛行高度也只有52千米，在更高的高度，空氣過(guò)于稀薄，它們無(wú)法飛起；衛(wèi)星則通常在300千米之上的地方運(yùn)行，因?yàn)榈陀谶@個(gè)高度，受到重力的影響，衛(wèi)星無(wú)法正常運(yùn)行，更不可能堅(jiān)持幾個(gè)月不墜落。

然而，未知層的神秘還不只是在那里氣球飛不起來(lái)、衛(wèi)星會(huì)掉落，還在于它對(duì)我們有著令人意想不到的影響，而科學(xué)家們卻不知道為什么會(huì)這樣。

那么未知層對(duì)我們有哪些影響呢？

藏在高空的幕后黑手

未知層向上可以影響低軌道衛(wèi)星。未知層最上面的部分是熱層，由于紫外線的作用，熱層的溫度很高，可達(dá)數(shù)千攝氏度。紫外線輻射使熱層中的一些分子分解成帶電離子。而太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)時(shí)，來(lái)自太陽(yáng)的熱量和物質(zhì)將會(huì)被送到未知層，造成大氣膨脹。結(jié)果是在未知層的上端產(chǎn)生一個(gè)個(gè)比周?chē)髿饷芏雀蟮臍怏w球。如果這個(gè)膨脹的氣體球發(fā)生爆炸，那么將可能使低軌道衛(wèi)星損壞。

而向下，未知層可能影響地球的氣溫。在高空大氣中，來(lái)自太陽(yáng)的高能粒子創(chuàng)造了一氧化氮，空氣的流動(dòng)會(huì)將一氧化氮帶到其他地方，其中一些可能會(huì)到達(dá)未知層。未知層中的臭氧分子不穩(wěn)定，來(lái)到未知層的一氧化氮可以?shī)Z走臭氧中的氧分子，使臭氧層遭受破壞。而這將可能導(dǎo)致地球的溫室效應(yīng)加劇。

未知層不僅影響氣溫，還有可能增強(qiáng)颶風(fēng)的強(qiáng)度。太陽(yáng)風(fēng)能使包括未知層在內(nèi)的高空大氣（50千米之上）形成像波浪那樣的湍流，這些湍流并不是安分地在一個(gè)高度上運(yùn)動(dòng)，而是在重力的作用下被向下拉。在這個(gè)過(guò)程中，這些自上而下的氣體湍流可以間接參與積雨云的“制造”——提供積雨云形成所需的能量。發(fā)展旺盛的積雨云則會(huì)產(chǎn)生雷暴，而一些地區(qū)雷暴產(chǎn)生的波動(dòng)能在特定海域上空制造低壓區(qū)，基于這些低壓區(qū)，在科里奧利力的作用下，颶風(fēng)就有可能產(chǎn)生。比如科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，大約85%的強(qiáng)烈颶風(fēng)都因非洲東部的雷暴而產(chǎn)生。而特定區(qū)域的雷暴數(shù)量越多，颶風(fēng)的強(qiáng)度就會(huì)越強(qiáng)。所以來(lái)自未知層的大氣湍流有可能間接使颶風(fēng)變強(qiáng)了。

令人奇怪的是，即使現(xiàn)在科學(xué)家可以借助地面雷達(dá)基站、科研氣球、氣象衛(wèi)星等設(shè)備研究大氣層的其他區(qū)域，但唯獨(dú)高度不算高，也不算低的未知層卻難倒了科學(xué)家。為何未知層讓人如此束手無(wú)策呢？

禁飛區(qū)

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，未知層至今仍保持神秘感，是因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域幾乎拒絕所有來(lái)訪者。

未知層包括了平流層、中間層以及熱層的下端，那里的條件非常復(fù)雜——空氣稀薄、氣壓低、溫度高低不均：平流層的溫度高，中間層又很冷，溫度可低至-100℃，熱層的溫度又很高。研究人員不可能乘坐一般的飛機(jī)或讓科研氣球在未知層開(kāi)展工作。并且前文已經(jīng)說(shuō)過(guò)，飛機(jī)和科研氣球根本無(wú)法在未知層飛起來(lái)。

目前人類(lèi)對(duì)未知層為數(shù)不多的直接觀測(cè)大多數(shù)來(lái)自探空火箭，但是探空火箭經(jīng)過(guò)未知層的時(shí)長(zhǎng)僅有幾分鐘，時(shí)間太短，并且所探得的僅是火箭飛行路徑上的數(shù)據(jù)。光靠這些數(shù)據(jù)，我們根本無(wú)法確定未知層的成分組成以及大氣密度等信息。

那么，有沒(méi)有什么方法可以讓我們窺探未知層呢？

科學(xué)家曾嘗試了許多其他方法，比如，為了了解未知層的成分和該層的氣象活動(dòng)，科學(xué)家曾利用低軌高性能地球遙感衛(wèi)星和氣象雷達(dá)來(lái)探測(cè)未知層，不過(guò)結(jié)果似乎不那么讓人滿(mǎn)意。雖然低軌高性能地球遙感衛(wèi)星能探測(cè)大氣層的組成，但它是通過(guò)探測(cè)不同物質(zhì)的散射波長(zhǎng)來(lái)判斷的，而未知層的空氣太稀薄，并且未知層與衛(wèi)星之間還有一定的距離，因此衛(wèi)星很難捕捉到未知層組成信息，不能為科學(xué)家提供他們想要的數(shù)據(jù)。氣象雷達(dá)通常被用來(lái)探測(cè)氣象活動(dòng)，但是它的探測(cè)高度最高僅距離地面大約90千米，不能獲得整個(gè)未知層的完整數(shù)據(jù)。

可以說(shuō)，科學(xué)家們現(xiàn)在掌握的數(shù)據(jù)非常有限。是否還有其他方法，可以揭開(kāi)未知層的神秘面紗？

探險(xiǎn)者們出擊

科學(xué)家們正在尋找新的解決方法，“QB50”項(xiàng)目就是方法之一。“QB50”項(xiàng)目是由歐洲航天局主持，全球30所大學(xué)參與的一個(gè)科研項(xiàng)目，項(xiàng)目的主要內(nèi)容是采集90千米到300千米高空大氣中帶電離子的組成、大氣溫度等數(shù)據(jù)。而這些數(shù)據(jù)將由50個(gè)小探險(xiǎn)者來(lái)收集。當(dāng)然，這些小探險(xiǎn)者不是人類(lèi)，而是由參與項(xiàng)目的各個(gè)大學(xué)研發(fā)的立方體衛(wèi)星（尺寸為20厘米×10厘米×10厘米）。這些立方體衛(wèi)星將被送往國(guó)際空間站，之后從國(guó)際空間站中分批被釋放，從而使它們可以同時(shí)在不同海拔高度收集數(shù)據(jù)。

這些立方體衛(wèi)星不僅是一個(gè)個(gè)探險(xiǎn)者，還是一個(gè)個(gè)專(zhuān)職的“觀測(cè)人員”，它們的功能各不相同，有的專(zhuān)門(mén)測(cè)量大氣中的中性原子和分子的密度，有的則檢測(cè)大氣中的帶電離子。它們落向地球的過(guò)程中各司其職，收集自己負(fù)責(zé)探測(cè)的那一部分?jǐn)?shù)據(jù)，并傳輸給地面控制中心。不過(guò)，立方體衛(wèi)星在未知層停留的時(shí)間大概只有一個(gè)星期。并且在未知層，立方體衛(wèi)星下落的速度會(huì)很快，這加大了立方體衛(wèi)星探測(cè)和傳輸數(shù)據(jù)的難度。

而當(dāng)立方體衛(wèi)星落到距離地面大約60千米，也就是臭氧層的位置時(shí)，快速下落的立方體衛(wèi)星會(huì)在臭氧層的高溫中被燒毀，只有馮卡門(mén)衛(wèi)星能逃過(guò)這一劫。馮卡門(mén)衛(wèi)星是比利時(shí)馮卡門(mén)流體力學(xué)研究所研制的，這個(gè)特殊的立方體衛(wèi)星具有熱保護(hù)系統(tǒng)，在安全穿過(guò)臭氧層的同時(shí)，還能正常探測(cè)和傳輸數(shù)據(jù)。

雖然QB50項(xiàng)目的立方體衛(wèi)星在未知層停留的時(shí)間很短，但是50個(gè)立方體衛(wèi)星收集到的數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)有的資料將是一個(gè)重要的補(bǔ)充，有助于科學(xué)家們對(duì)未知層的研究。QB50項(xiàng)目的第一批立方體衛(wèi)星原定于2017年1月從國(guó)際空間站釋放，但是由于一些特殊的原因，釋放時(shí)間已推遲。不管怎樣，立方體衛(wèi)星的表現(xiàn)還是值得期待的。

此外，2018年，美國(guó)宇航局還計(jì)劃發(fā)射兩個(gè)探測(cè)衛(wèi)星，即電離層連接探測(cè)器（ICON）和全球邊沿與圓面觀測(cè)衛(wèi)星（GOLD），用于分析上層大氣。其中GOLD將監(jiān)測(cè)熱層的大部分，而ICON則專(zhuān)注于監(jiān)測(cè)高空大氣中的帶電粒子。屆時(shí)，這兩個(gè)探測(cè)衛(wèi)星收集的數(shù)據(jù)也將有助于未知層的研究。

科學(xué)家的努力正在向我們一層層地揭開(kāi)未知層的神秘面紗，但是顯然目前的資料還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以讓我們完整地描述未知層的模樣。這意味著，未知層在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間里還將保持神秘感。endprint