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2018-8-22

重审外太空边界的定义

归档于: 天文空间科学, 空间科学 @ 4:22 pm

地球大气与外太空的边界应该如何划分?至少在地球磁层之内,随着高度的增加,空气的密度只是逐渐降低的,所以这个问题并不是很容易回答。如今按照国际航空联合会所采纳的定义,位于地球大气热层顶部、高度100千米的卡门线(Kármán Line)被视作太空的边界。

顾名思义,卡门线得名于著名的匈牙利裔美籍工程师Theodore von Kármán,他率先计算出了气动力学能够支持航空器飞行的最大高度。我们知道,在大气中飞行的航空器高度主要由空气在机翼上产生的升力来维持,这种升力正比于空速的2次方,也正比于空气密度。因此如果空气变得愈发稀薄,在飞机本身的结构不变的前提下,为了维持同样的升力,空速必须要有所增加。当空速增大到一定程度之后,飞机的速度与同高度上的航天器轨道速度相当,气动力学也就失去了意义。其实这两种飞行状态的分界线高度并不是整数,但是出于方便推广的考虑,国际上还是将100千米视作太空的边界。

但是这个100千米的高度也并未得到完全的公认。比如美国空军就采纳了80千米作为大气与外太空的分界线,但NASA还是坚持认为距离地表100千米之上方才算是进入了太空,旨在鼓励私人航天项目的Ansari X大奖也遵循了卡门线的标准;还有人认为,考虑大气阻力,航天器在不借助外力的情况下,只有达到150千米以上的高度才有可能实现圆轨道飞行,所以分界线的高度不宜小于这一数字,更激进的论点干脆将外逸层之下的10000千米都算作大气之内;但新视野号的首席科学家Alan Stern却认为相对较低的30-35千米就已经可以算作“近地空间”了;此外早年其他一些国际组织还提议过110千米分界线的说法。

最近来自哈佛-史密松天体物理中心的Jonathan C. McDowell就结合物理、技术、历史、文化等因素,撰文质疑了将100千米的高度视作外太空界限的合理性。相反,他认为80千米可能是一个更为适宜的选择。

首先考虑大气层本身的结构,传统上对大气分层的定义主要考虑的是其中温度随高度的变化——在距离地表最近的对流层中,温度随高度的增加而下降。但是由于在不同高度的主导过程不同,这一规律在其后出现了数次逆转。比如热层就是因为太阳辐射占据了优势,高度越高,温度不降反升。这一层与下方的中间层分界线位于距离地表86千米上下。不过大气中还存在一道名叫“湍流层顶”(turbopause)的重要界线——在此下方的不同气体分子有着共同的热力学温度,哪怕离子也由风力支配;其上就在更大程度上受电磁场的控制,大家各说各话了。这一界线位于热层之中,高度在100-120千米的范围内。结合湍流层顶以及中间层顶的位置来看,我们可以认为在中间层顶之下的大气成分是大体均匀的,之上则更多表现出了向外散逸的性质。将一个界限取为地球大气各层之间的分界,在操作上显得更为直观。

再从物理上看,在地球的磁层之外大气密度骤降;而热层顶之上的大气密度过低,再也不能用正常的气体描述。如果要考虑地球的势力范围,还可以从引力的角度出发,讨论日地系统的希尔曲面或是地月系的共振点位置。但如果以这些标准作为太空的界限,未免也太不现实——这样一包括航天飞机与空间站在内的诸多航天器就都是名不副实了,估计没有人能够接受。

但从技术的角度来看,当前气动飞行的极限是2002年由日本的ISAS小组释放的BU60-1气球所达到的53千米,这一高度大致对应于同温层顶。虽说ISAS小组的目的是突破60千米大关,但实际的飞行过程却在一定程度上说明,50千米上下可能就是现有航空技术的极限了。另一方面,当前的近圆轨道航天器所达到的最低稳定高度在125千米左右,更低的轨道就无法维持一整个周期或更长时间了。这样看来,说50与125千米分别定义了太空分界限高度的下限与上限,应该还是容易理解的。

但是沿椭圆轨道环绕地球运动的航天器又如何呢?至少有实例说明,近地点高度不足100甚至90千米的椭圆轨道可以在较长时间内维持下去。但是这一高度无论如何也不能低于80千米,否则在通过近地点前后,卫星遭受的大气阻力过大,轨道退化会变得非常迅速。这样看来,80千米应该是大气开始明显发挥作用的高度下限。

更直观的证据来自von Kármán的计算,他给出的气动浮力和轨道飞行的分界点位于84千米上下(当然,实际情况会更加复杂),100千米只是后人的量级取整而已。而考虑了各种大气、太阳活动等因素(但并没有顾及技术条件,因为让一个定义自然分界的标准随技术的进步而改变并不是好事),更详细地进行结算之后,所得的卡门线位置也与80千米更为接近。

由此,McDowell认为,考虑了种种因素之后再就近取整,将卡门线的高度重新定义为80千米更加合理。不过要知道,完善的太空边界定义所带来的影响会远远超越航空航天领域本身,因为这将直接关系到每个国家的领空范围,而至今国际法对此尚无明确表态。无论究竟怎样的高度能将大气与太空让人信服地地划分开来,最终众人所能达成的一致(如果真的能够达成一致的话)必将影响每个人生活的方方面面。

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