人造奇觀
——火箭云

文/湯川學

我們經(jīng)常能看到一些網(wǎng)友在網(wǎng)上放出一些奇怪的云彩照片，這種云彩與我們平日里所見到的云不同。它們明顯具有方向性，在起初往往拖著長長的尾巴，到達一定長度時突然開始膨脹起來，頂端往往還有一個亮點向前移動。這種天象往往會被目擊者稱為不明飛行物，即UFO，然后引發(fā)一陣熱議。

實際上這種事情早在冷戰(zhàn)時期就發(fā)生過很多次，這種奇異天象曾經(jīng)讓不少人以為是對方陣營的核導彈來襲而引發(fā)恐慌。不過熟悉天文和氣象的人對此應(yīng)該不會大驚小怪，因為這種天象往往都是由于火箭或者導彈發(fā)射時造成的一種人造天象——火箭云。

何謂火箭云？

▲ 自然夜光云

2017年12月23日的圣誕節(jié)前夜，太空探索技術(shù)公司的獵鷹9號火箭搭載10顆銥星星座衛(wèi)星，在美國卡納維拉爾角太空軍基地發(fā)射，由火箭造成的火箭云嚇到了不少人，而當?shù)孛襟w也做了報道以讓大家放心。

我們有時抬頭就能看到由飛機造成的軌跡云。它們和火箭發(fā)射時所造成的火箭云，在本質(zhì)上是一樣的，不過火箭云往往要比飛機的軌跡云高得多。在英文里，由火箭造成的獨特天象可以被叫做space jellyfish，中文翻譯過來為太空水母，因為其膨脹段與水母的外型非常相像。

如果從氣象方面來描述，這種云則可以被稱為夜光云。自然條件下，夜光云往往由直徑達100納米的微小水冰晶體組成。一般來說，夜光云存在于約 76 ~ 85 千米的高度，這個高度已經(jīng)十分接近大氣層邊緣，是大氣中能存在的最高的云，是屬于高空卷云的一種。自然條件下往往只能在高緯度地區(qū)觀測到，觀測到的時機也往往是在清晨或黃昏。由于這種云彩的高度十分接近太空，如果我們視陽光作為地球這個球體的一條切線，在地面已經(jīng)進入黑夜時，處于高空的夜光云在切線以外，依然能夠被陽光所照耀，這時在地面上的人們就可以看見在漆黑的天空中有一朵閃耀的云彩。如果能親眼見到，想來應(yīng)該是一次人生中難得的體驗。

▲ 2017年12月23日獵鷹9號火箭在美國卡納維拉爾角太空軍基地發(fā)射

▲ 2017年12月23日獵鷹9號火箭在美國卡納維拉爾角太空軍基地發(fā)射時形成的火箭云

▲ 2018年6月29日“獵鷹9號”搭載龍飛船前往國際空間站

火箭云可以說是我們在火箭發(fā)射中非目的性地造成的一種人造天象。它在火箭的飛行過程中被創(chuàng)造出來，其在可視范圍內(nèi)都可以被人們所觀察到，但是最好的觀察方向是平行于火箭的發(fā)射方向。這樣，就可以一睹火箭發(fā)射造成的美麗的火箭云。

說到火箭云，就需要說到目前火箭所使用的燃料。綜合目前國內(nèi)外的火箭，主要燃料有這幾類：四氧化二氮/肼類化合物；液氧/煤油；液氧/液氫；液氧/甲烷和固體燃料。

這些燃料中，固體燃料被點燃時可以產(chǎn)生大量的顆粒物；其他幾種燃料在燃燒過程中都可以產(chǎn)生大量的水蒸汽，處于高層的水蒸汽由于氣溫低于零度會變成冰晶，而顆粒、水蒸汽、冰晶往往是形成云層的重要因素。在火箭發(fā)射過程中，火箭不斷向后排出尾氣，火箭云便隨之被制造出來。近年來，國內(nèi)的火箭云目擊事件也逐漸增多，是因為我國航天事業(yè)快速發(fā)射，火箭發(fā)射次數(shù)越來越多。

看火箭云的“門道”

火箭云的形態(tài)往往和火箭的型號和類型密切相關(guān)。比如，我國的長征五號B火箭，是一種十分獨特的一級半火箭，由芯級和助推器組成，芯級一次點火可以直接將載荷送入軌道，沒有其他更多的級，所以這種火箭發(fā)射產(chǎn)生的云便不會出現(xiàn)斷續(xù)。不過，世界上大多數(shù)火箭都有二級或者更多的級，所以我們?nèi)匀灰远鄶?shù)火箭可以造成的火箭云作為討論對象。

▲ 2018 年 6 月 29 日黎明前從佛羅里達州卡納維拉爾角太空軍基地升空的“獵鷹9號”

▲ 2021年12月23日飛行員拍到的長征七號甲火箭云

火箭云的間斷，即一二級分離時云的狀態(tài)與火箭芯級點火時間有著密切關(guān)系，可以說每一種火箭所造成的云都是獨一無二的。而同一種火箭造成的云，又由于其發(fā)射的軌道和當時的天氣、風的強度等而變得十分多樣，所以無法一概而論。總而言之，當你真的有幸看到火箭云時，還得具體情況具體分析。

太空探索技術(shù)公司的“獵鷹9號”是十分特別的可回收火箭，它的一二級分離、二級點火后，一級便會返回發(fā)射地或者回到特定的回收船上，此時甚至會有兩個相反的“太空水母”同時出現(xiàn)的奇景。

我國在2021年12月23日發(fā)射長征七號甲火箭時，有一位飛行員（微博賬號：@天邊的貝洛斯）十分幸運地看到了火箭發(fā)射的過程，并且看見了非常完美的火箭云并拍了視頻。為了方便，我們就以中間的間斷作為間隔，分為前半段與后半段來分別進行分析。

火箭云的前半段，云往往比較平直而濃密，這主要是火箭剛剛起飛時所造成的。這一階段火箭需要盡快離開大氣層，幾乎與地面保持平行并不斷提升自己的垂直和橫向速度。如果抽象一些來看，這個過程與數(shù)學中對數(shù)函數(shù)中的lnX的第一象限圖像十分相像，不過由于地面和高空往往都有風，所以前半段的云過不了多久就會被吹得像一條彎曲的細蛇，然后逐漸消失在天空中。

而在火箭云的后半段，此時火箭的助推器和芯級都與二級分離，二級點火，火箭所在的高度的大氣已經(jīng)十分稀薄，氣壓很低，這時從二級噴口噴出的尾氣可以比在海平面高度的尾氣的擴張范圍大得多，火箭二級產(chǎn)生的水蒸汽在高空處凝結(jié)后因氣壓稀薄而擴散，其產(chǎn)生的火箭云也隨之逐漸變得大而稀薄，像一只箭頭一樣直刺蒼穹。這種云會一直持續(xù)到火箭完全脫離大氣層。此后，火箭便不再產(chǎn)生可見的軌跡，向著既定軌道飛去。

之后，云彩就會在風的作用下逐漸變形，成為一條彎曲的蛇形，然后逐漸在天上消失。

這就是火箭云從產(chǎn)生到結(jié)束的過程。

這個過程變化很快，和自然產(chǎn)生的夜光云一樣，火箭云從產(chǎn)生到消失也就不過幾個小時，壽命不長。

▲ 2021年9月15日，日落后從卡納維拉爾角太空軍基地發(fā)射的第一次完全民用載人軌道航天飛行（鼓舞四人組）

也許有些讀者會注意到，有些關(guān)于火箭云的照片和視頻中只有后半段。這段記錄長征七號甲火箭產(chǎn)生的火箭云視頻就沒有前半段，這是因為一二級分離后的火箭飛行速度已經(jīng)相當快了，它在很短的時間里就飛出去很遠，火箭從起飛到載荷分離所經(jīng)過的距離甚至能跨越一個大陸，路過觀察者頭上時它已經(jīng)到了后半段。

2021年12月25日，歐空局阿里安5型火箭發(fā)射詹姆斯·韋伯空間望遠鏡。它從南美洲的法屬圭亞那庫魯起飛，在望遠鏡與二級分離時載荷已經(jīng)跨越了大西洋和整個非洲大陸，如果此時我們站在非洲大陸的最西角上觀察火箭云，那肯定就看不見早就分離的一級和助推器所造成的前半段火箭云，最多只能看見后半段。

除了火箭可以形成這種天象，和火箭親緣關(guān)系較近的彈道導彈也能形成類似的效果，畢竟彈道導彈的飛行過程與火箭頗為相似，只不過火箭是把載荷送到太空，導彈是把載荷送到目標的頭頂，它們的形成原理是一樣的。

▲ 長征七號甲發(fā)射時，菲律賓網(wǎng)友看到的景象

▲ 2021年12月23日臺灣省居民拍的長征七號甲火箭云