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地球与外太空的界限何在?

2018-8-14 环球解密

哈佛史密森尼天体物理中心的科学家麦克道尔(Jonathan McDowell),近期在网络上披露了自己的新研究,他说,关于地球大气层在何处终止,亦即外层空间(太空)从何处开始,人类过去持有的观点需要改变了。

麦克道尔通过研究证实,大气层和太空的分界处与地球之间的距离,比我们以前估算的要近12英里。

这位天体物理学家的相关论文将刊登在10月的《宇宙学报》(Acta Astronautica)上。他表示,关于太空起始于何处的争论,早在第一颗人造卫星发射之前就出现了,其中最被广泛接受的观点是,太空与地球大气层的分界线位于海拔100公里(62英里)处,即所谓的卡门线(Karman Line)。

但他指出,众多科学家所认可的卡门线,其实是基于数十年来被误解的信息,并没有真正将轨道数据考虑在内。幸运的是,数据却是麦克道尔的专长和兴趣所在,他认真记录了地球上的每一次火箭发射,因此更能够以事实为基础来回答这个问题:究竟哪个高度以上才算是太空?

卫星坠落的地方

麦克道尔分析了从北美防空司令部(NORAD)搜集到的43,000颗卫星的轨道数据,但其中绝大多数最终都被忽略不计,因为它们已经在远远高于卡门线的轨道空间中运行了。

不过,大约有50颗卫星引起了麦克道尔的注意。当结束任务、重新进入大气层后,这些卫星都分别成功地在低于100公里(62英里)的高度环绕地球飞行了至少两圈。比如在1997年,一颗名为Soviet Elektron-4的卫星在85公里(52英里)的高度绕地飞行了10圈,然后才落入大气层焚毁。

从这些事例中可以明显看出,太空物理规则在卡门线以下仍行之有效。借助于一种数学模型,麦克道尔找到了不同卫星最终脱离轨道、坠入大气层的准确高度范围:介于66至88公里(41至55英里)之间。不过通常情况下,当航空器下降到低于80公里(50英里)后,基本就无法逃逸了。

太空人之翼

基于以上数据,麦克道尔选择将50英里的高度作为太空的底部边缘。这一数字也巧妙地与其它几个文化和大气因素相吻合。例如,论文中写到,在上世纪50年代,美国空军飞行员曾因飞到50英里高度以上而荣获了特殊的“太空人之翼”勋章(astronaut wings)。

从大气层角度来看亦如此。中间层是大气垂直结构内最低温的部分,大概位于距离地表52至62英里之间。在这里,大气的化学成分开始发生急剧变化,带电粒子愈加充足。

文章中写道:“值得注意的是,流星(运动速度快很多)通常在70至100公里(43至62英里)的高度范围内解体,这也进一步证明,在该区域中大气变得重要了。”

那么,如果地球与太空的交界处比我们以前认为的要低12英里,会给人类带来什么影响呢?麦克道尔表示,这并不会改变火箭的发射方式或人类与太空的任何互动,但却会带来与国家领空有关的重要政治问题。人们普遍认为,一个国家的领空属于该国的一部分,而大气层上面的太空却属于全世界。

正是因为这个原因,美国通常反对设置统一的太空边界。或许,麦克道尔关于50英里高度的太空边界线的提议,很难在近期成为被广泛接受的法定大气层边界。

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