月球竟然在地球大气层里面

最近的一项研究提出，地球的大气层延伸到至少 100 个地球半径，约 630000 千米（km）处，这也意味着月球其实也在大气层中。这项研究结果发表在 Journal of Geophysical Research : Space Physics 上。

不管你还记不记得地理课本上对大气层的具体定义，你一定会觉得这个定义简直不可思议。不过，地球大气层的定义一向有着诸多争议，没准地理课本只是选了一个好记的（大雾）。

“航空”和“航天”的分界线

根据国际航空联合会（Fédération Aéronautique Internationale）的定义，海拔 100km 高度为卡门线（Kármán line），这是从“航空”过渡到“航天”的界线。当航天器发射后，为了保持飞行状态，飞船需要持续加速，直至切线方向上的速度达到第一宇宙速度后，航天器便可环绕地球飞行。而飞行器达到第一宇宙速度时，所处的高度差不多就是 100km。

极光就产生在卡门线附近，海拔大约在 90～150 km 之间。图片来源：Pixabay

然而，关于卡门线高度的争议却从未停止。有人统计了从 1951 年到 1962 年间出现的大约 30 种关于卡门线高度的不同意见，边界高度的定义范围从海拔 20km 到 400km，其中大部分的值位于 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 认为卡门线的高度应该是 80km，在 2018 年发表的一篇论文中，他分析了 43000 颗卫星的超过 9000 万个点坐标轨道数据，发现有 50 颗卫星可在 80km 的高度绕行地球。McDowell 提出的定义也得到了一些研究人员的支持。

卡门线的定义其实不完全是一个科学问题。在这样的空间边界以下，可以说这部分的空域属于在其下方的国家；而在空间边界以上，理论上是允许各国卫星自由飞行的。因此，对卡门线的定义多少会受到政治诉求的影响。

太阳有日冕，地球有地冕

天文学家试图用更加普适的标准来定义地球大气层，然而地球的大气层实际上比想象中更复杂，远远不是一条线所能界定。

天文学家 Lyman Spitzer 首次提出“散逸层”（exosphere）的概念，他指出，如果不是因为这一层大气温度较高，使得较轻的气体逃逸，那么地球大气中的氦气含量会比现实中要高得多。

这一大气区域也被称为地冕（geocorona）。我们都知道日冕，它是太阳大气的最外层，由很稀薄的完全电离的等离子体所组成，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主要成分，是地球大气逸散层的一部分。也就说是，在地球的大气层与外太空交界的区域，有一片“氢原子云”，我们定义为地冕。

日冕。图片来源：Hinode JAXA/NASA

填充地冕的氢原子来自于地球大气。大气中的水和甲烷通过光解离产生氢原子，它们通过扩散作用向远离地表方向运动；到达逸散层底部时，它们将沿着原运动轨迹向太空发射。根据氢原子的速度不同，这时候可能发生两种情况：速度大于逃逸速度的氢原子在双曲线轨道上发射，永远告别了地球；速度小于逃逸速度的氢原子将返回到逸散层底部。留在地冕中的氢原子也不能无限累积。这些氢原子会通过太阳发出的极紫外辐射发生电离，并与朝地球飞来的太阳风质子进行电荷交换，其“寿命”大约为 20 天左右。

所以，在地冕这个区域，一部分氢原子离开了地球，留下来的氢原子也比较短命；这些因素都限制了地冕的大小，使它无法无限延伸。

地冕到底有多大？

要想测量地冕的大小，最直观的方法是在外太空中用航天器观测地冕发出的光。在 1972 年的阿波罗 16 号任务中，宇航员曾首次拍摄到地冕层的图像，但那一次是从月球轨道角度进行拍摄的，当时的宇航员可能并不知道其实自己并没有飞出地冕。

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，其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 时发出的谱线。研究人员主要通过它来检测地冕。

这次研究所获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）及美国国家航空航天局（NASA）共同研制，绕太阳公转，并对太阳进行研究。SOHO上的仪器可以过滤掉来自更远的外太空的莱曼阿尔法辐射，精确地测量来自地冕的光线。两个传感器不间断地对地球进行观测，随着探测器的移动，大约 20 小时内即可获得整个天空的图像。

研究发现，地冕的范围差不多延伸到63万千米之外，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，月球也被包含在地冕之中。

研究人员还发现，由于太阳光压的影响，地冕的形状看起来有点像彗星的尾巴。在朝着太阳的一侧，地冕层氢原子被阳光“压缩”，在距离地表 6 万公里处每立方厘米大约有 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，基本上可以认为是真空。在背对太阳的一侧，氢原子的密度整体上要更大一些。

地冕观测示意图（未按比例绘制），图中地球周围的浅色区域为地冕。图片来源：ESA

令人惊讶的是，这项最新研究的数据来自 1996～98 年间。SOHO 于 1995 年发射升空，原计划使用寿命是 3 年，但它目前已在太空中工作了 20 多年，并且仍在运行。它收集的许多数据还未得到分析，比如这次的日冕数据。

这项研究说明地冕层也是一个紫外线辐射源，但是同太阳辐射源相比，地冕层发出的辐射微乎其微，对普通人或月球轨道的宇航员没什么影响。不过，处于地冕内部的太空望远镜可能需要调整它的基准，以便更精准地进行深空观测。法国国家科学研究中心（French National Centre for Scientific Research）的天文学家、前 SWAN 项目首席研究员 Jean-Loup Bertaux 说：“那些在紫外波段观测天空，研究恒星和星系化学成分的空间望远镜都要考虑到这一点。”并且，由于行星外层的氢原子层反映了低大气层（火星，金星和地球）中水和（或）甲烷的存在，它也将成为未来研究中更加受关注的主题