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大气层的神秘禁区
秦纵 文
在地球的大气层中, 有一个神秘的区域： 在一些夜晚, 那里会出现难以捉摸的、 闪烁的夜光云；它既有很冷的空气, 也有很热的空气； 在那里, 科研气球漂不起来,飞机不能飞行, 卫星会很快坠向地面……这难道是大气层中的百慕大吗？
其实并不是,由于至今人们对它的了解还非常有限, 因此这个区域被一些科学家们称为“未知层” .
我们知道, 地球的大气层分为5层, 即贴近地面的最低层对流层,最高处离地面约12千米左右； 对流层上面是平流层, 最高可到50千米左右, 飞机一般在这一层中飞行； 再上面是中间一层, 顾名思义, 这是大气层的中间层, 最高离地面80千米左右, 流星体大部分在中间层燃尽； 中间层上面是热层, 从80千米到约500千米, 这一层温度随高度增加而迅速增加； 最外是逃逸层,逃逸层是地球大气的最外层, 该层的上界在哪里还没有一致的看法.
可能有人会很快提出质疑： 地球的大气层就只分为5层, 怎么冒出一个未知层来？
其实, 未知层应该算是不正规的划分, 因为它是根据科学家对未知层的了解情况来划分的, 它不独立于我们熟悉的那5层大气, 而是包括平流层、 中间层以及热层的下端, 即距离地面大约50千米到300千米的区域.
有意思的是, 未知层竟然能让飞机、 科研气球和卫星都“望而却步” ： 飞得最高的现役歼击机飞行高度是20千米左右, 科研气球的最高飞行高度也只有52千米, 在更高的高度, 空气过于稀薄, 它们无法飞起； 卫星则通常在300千米之上的地方运行, 因为低于这个高度, 受到重力的影响, 卫星无法正常运行, 更不可能坚持几个月不坠落.
然而, 未知层的神秘还不只是在那里气球飞不起来、卫星会掉落, 还在于它对我们有着令人意想不到的影响, 而科学家们却不知道为什么会这样.
那么未知层对我们有哪些影响呢？
藏在高空的幕后黑手
未知层向上可以影响低轨道卫星. 未知层最上面的部分是热层,由于紫外线的作用, 热层的温度很高, 可达数千摄氏度. 紫外线辐射使热层中的一些分子分解成带电离子. 而太阳风暴爆发时, 来自太阳的热量和物质将会被送到未知层,造成大气膨胀. 结果是在未知层的上端产生一个个比周围大气密度更大的气体球. 如果这个膨胀的气体球发生爆炸, 那么将可能使低轨道卫星损坏.
而向下, 未知层可能影响地球的气温. 在高空大气中, 来自太阳的高能粒子创造了一氧化氮, 空气的流动会将一氧化氮带到其他地方, 其中一些可能会到达未知层.未知层中的臭氧分子不稳定, 来到未知层的一氧化氮可以夺走臭氧中的氧分子, 使臭氧层遭受破坏. 而这将可能导致地球的温室效应加剧.
未知层不仅影响气温, 还有可能增强飓风的强度. 太阳风能使包括未知层在内的高空大气（50千米之上）形成像波浪那样的湍流, 这些湍流并不是安分地在一个高度上运动, 而是在重力的作用下被向下拉. 在这个过程中, 这些自上而下的气体湍流可以间接参与积雨云的“制造” ——提供积雨云形成所需的能量. 发展旺盛的积雨云则会产生雷暴, 而一些地区雷暴产生的波动能在特定海域上空制造低压区,基于这些低压区, 在科里奥利力的作用下, 飓风就有可能产生. 比如科学家发现, 大约85%的强烈飓风都因非洲东部的雷暴而产生. 而特定区域的雷暴数量越多, 飓风的强度就会越强. 所以来自未知层的大气湍流有可能间接使飓风变强了.令人奇怪的是, 即使现在科学家可以借助地面雷达基站、 科研气球、 气象卫星等设备研究大气层的其他区域, 但唯独高度不算高, 也不算低的未知层却难倒了科学家.为何未知层让人如此束手无策呢？
禁飞区
简单来说, 未知层至今仍保持神秘感, 是因为这个区域几乎拒绝所有来访者.
未知层包括了平流层、 中间层以及热层的下端, 那里的条件非常复杂——空气稀薄、 气压低、 温度高低不均： 平流层的温度高, 中间层又很冷, 温度可低至-100℃, 热层的温度又很高. 研究人员不可能乘坐一般的飞机或让科研气球在未知层开展工作. 并且前文已经说过,飞机和科研气球根本无法在未知层飞起来.
目前人类对未知层为数不多的直接观测大多数来自探空火箭, 但是探空火箭经过未知层的时长仅有几分钟, 时间太短, 并且所探得的仅是火箭飞行路径上的数据. 光靠这些数据, 我们根本无法确定未知层的成分组成以及大气密度等信息.
那么, 有没有什么方法可以让我们窥探未知层呢？
科学家曾尝试了许多其他方法, 比如, 为了了解未知层的成分和该层的气象活动, 科学家曾利用低轨高性能地球遥感卫星和气象雷达来探测未知层, 不过结果似乎不那么让人满意. 虽然低轨高性能地球遥感卫星能探测大气层的组成,但它是通过探测不同物质的散射波长来判断的, 而未知层的空气太稀薄, 并且未知层与卫星之间还有一定的距离, 因此卫星很难捕捉到未知层组成信息, 不能为科学家提供他们想要的数据. 气象雷达通常被用来探测气象活动, 但是它的探测高度最高仅距离地面大约90千米, 不能获得整个未知层的完整数据.
可以说, 科学家们现在掌握的数据非常有限.是否还有其他方法, 可以揭开未知层的神秘面纱？
探险者们出击
科学家们正在寻找新的解决方法, “QB50” 项目就是方法之一. “QB50”项目是由欧洲航天局主持, 全球30所大学参与的一个科研项目, 项目的主要内容是采集90千米到300千米高空大气中带电离子的组成、 大气温度等数据. 而这些数据将由50个小探险者来收集.当然, 这些小探险者不是人类, 而是由参与项目的各个大学研发的立方体卫星（尺寸为20厘米×10厘米×10厘米）. 这些立方体卫星将被送往国际空间站, 之后从国际空间站中分批被释放, 从而使它们可以同时在不同海拔高度收集数据.
这些立方体卫星不仅是一个个探险者, 还是一个个专职的 “观测人员” , 它们的功能各不相同, 有的专门测量大气中的中性原子和分子的密度, 有的则检测大气中的带电离子. 它们落向地球的过程中各司其职, 收集自己负责探测的那一部分数据, 并传输给地面控制中心. 不过, 立方体卫星在未知层停留的时间大概只有一个星期. 并且在未知层, 立方体卫星下落的速度会很快, 这加大了立方体卫星探测和传输数据的难度.
而当立方体卫星落到距离地面大约60千米, 也就是臭氧层的位置时, 快速下落的立方体卫星会在臭氧层的高温中被烧毁, 只有冯卡门卫星能逃过这一劫. 冯卡门卫星是比利时冯卡门流体力学研究所研制的, 这个特殊的立方体卫星具有热保护系统, 在安全穿过臭氧层的同时, 还能正常探测和传输数据.
虽然QB50项目的立方体卫星在未知层停留的时间很短, 但是50个立方体卫星收集到的数据对现有的资料将是一个重要的补充, 有助于科学家们对未知层的研究. QB50项目的第一批立方体卫星原定于2017年1月从国际空间站释放, 但是由于一些特殊的原因, 释放时间已推迟. 不管怎样, 立方体卫星的表现还是值得期待的.
此外,2018年, 美国宇航局还计划发射两个探测卫星, 即电离层连接探测器（ICON）和全球边沿与圆面观测卫星（GOLD） , 用于分析上层大气. 其中GOLD将监测热层的大部分, 而ICON则专注于监测高空大气中的带电粒子. 届时, 这两个探测卫星收集的数据也将有助于未知层的研究.
科学家的努力正在向我们一层层地揭开未知层的神秘面纱, 但是显然目前的资料还远远不足以让我们完整地描述未知层的模样. 这意味着, 未知层在未来很长一段时间里还将保持神秘感.
大气论文范文结:
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