天有多高？就看大氣層有多厚

我們天天生活在大氣層中，大家有沒有想過，我們的大氣層到底有多厚呢？
我們會(huì)在教科書上或者其他有關(guān)的文獻(xiàn)上讀到大氣層的厚度約為1000千米左右，但是有的文獻(xiàn)又會(huì)說大氣層的厚度是2000到3000千米左右。那么孰是孰非呢？他們給出的厚度又是如何測量得到的呢？
另外，我們會(huì)在新聞里會(huì)聽到，某某航天器距離地球表面200-300千米高，已經(jīng)成功進(jìn)入了太空，為什么仍然在大氣層里的航天器卻算是進(jìn)入了太空？下面我們來一探究竟。

大氣層（圖片來自維基百科https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Earth）

按照溫度的變化規(guī)律，我們的大氣層一共分為五層，包括對(duì)流層，平流層，中間層，熱層，散逸層。我們先來說說不同高度的大氣層是如何測量的。由于測量不同高度的大氣層，需要人類或者飛行器能達(dá)到相應(yīng)的高度，因此測量不同高度的大氣層和人類航空航天器的發(fā)展是緊密相連的。
在18世紀(jì)發(fā)明熱氣球之前，通過爬山，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)大氣的溫度會(huì)隨著高度的上升一直減小，于是有的科學(xué)家就根據(jù)高度和溫度的關(guān)系計(jì)算出大氣層高度的極限是30KM，因?yàn)槌^30KM大氣的溫度就會(huì)低于絕對(duì)零度，是不符合物理定理的。爬山所能上升的高度十分有限，最高也不過幾千米，因此在發(fā)明了熱氣球之后不久，就有科學(xué)家乘坐熱氣球去實(shí)際測量大氣的溫度，然后發(fā)現(xiàn)直到10km左右的高空大氣的溫度都是隨著高度的升高而降低的。10km以上的高空，氧氣過于稀薄，氣溫也十分低，在當(dāng)時(shí)沒有任何的保護(hù)措施下，科學(xué)家已無法乘坐熱氣球前往更高的高度了。

科學(xué)家用熱氣球進(jìn)行高度和溫度的測量（圖片來自維基百科https://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_aviation_–_19th_century）

到了20世紀(jì)初，探空氣球的發(fā)明給科學(xué)家們的科研活動(dòng)提供了新的可能。1902年，法國和德國的科學(xué)家利用探空氣球幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在超過10km的高空后不久，大氣的溫度并沒有一直降低，反而會(huì)有上升，這就是平流層的發(fā)現(xiàn)。
平流層最高可達(dá)50km左右。20世紀(jì)初發(fā)明的探空氣球都不可能達(dá)到這么高的高度。因此關(guān)于更高氣層的研究一直無法進(jìn)行。

探空氣球會(huì)帶著一系列的探測儀器升空，然后在一定高度氣球爆炸后，探測儀器會(huì)隨著降落傘降落（圖片來自https://www.forbes.com/sites/marshallshepherd）

直到二戰(zhàn)期間德國發(fā)明V2火箭之后，科學(xué)家們才在戰(zhàn)后有機(jī)會(huì)繼續(xù)借助基于V2火箭的高空火箭技術(shù)來研究平流層以上的中間層的大氣的性質(zhì)。也就是在這個(gè)時(shí)候，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)在中間層，大氣層的溫度又會(huì)隨著高度的增加而減小，因此這一層是和平流層不同的大氣層。
中間層的高度一直持續(xù)到80-90km左右，這個(gè)高度也就僅僅比V2火箭的最大飛行高度低一點(diǎn)，因此中間層后面的熱層以及散逸層的發(fā)現(xiàn)都是航空火箭和人造衛(wèi)星之后的事了。因此大氣層的高度，或者說厚度其實(shí)是人類通過不同的航天器給出的測量數(shù)據(jù)來估算出來的。

V2 火箭（圖片來自https://rarehistoricalphotos.com/v2-rocket-in-pictures/）

總的來說根據(jù)不同高度溫度的變化，科學(xué)家把大氣層一共分為五層，包括對(duì)流層（0-10km左右），平流層（10-50km左右），中間層（50-85km左右），熱層（80-800km左右），散逸層（800-2000或者3000km左右）。 溫度在不同區(qū)域的變化示意圖如下圖所示：

不同高度的大氣層的溫度變化以及相關(guān)天文現(xiàn)象（圖片來自http://baike.anymetre.com/）

一般飛機(jī)的巡航高度就在對(duì)流層和平流層的交界處附近，溫度比較低，但是如果再往高處飛的話，會(huì)進(jìn)入平流層。由于平流層存在大量的臭氧，因此會(huì)吸收大量的紫外線輻射，溫度就會(huì)逐漸升高而不是下降。另外，不同層面的分界并不是很明顯，會(huì)受不同的經(jīng)緯度的影響，因此給出的數(shù)值也是一個(gè)估計(jì)，不同文獻(xiàn)上也可能會(huì)有一些差別，但是總體不會(huì)差很多。因此說地球大氣層的厚度在1000-3000千米之間都是可以接受的。
我們地球的大氣層外界并沒有一個(gè)明確的邊界，我們并不會(huì)在到達(dá)某個(gè)高度之后突然進(jìn)入太空，大氣層的密度是隨著高度的增加而不斷減少，最后變得非常低，但不會(huì)是零。例如在100km的高大氣密度約為地面的200萬分之一，在200km的高空上大氣的密度就只有地面的百億分之一了，超過300千米之后，大氣的密度會(huì)低于地面密度的千億分之一。在超過300千米的高空當(dāng)然也能檢測到大氣層，只是密度非常低，甚至在10000千米的高空也是能檢測到大氣分子的，只是在那個(gè)高度大氣分子和太陽風(fēng)吹出的粒子已經(jīng)融為一體很難區(qū)分了。
因?yàn)榇髿鈱拥拿芏入S著高度的增加而減小，我們的大氣層的質(zhì)量也并不是均勻分布的，它絕大部分質(zhì)量都位于很低的高空。根據(jù)美國國家大氣研究中心的數(shù)據(jù)，我們大氣層的總質(zhì)量約為 kg。這其中約有50%的大氣位于5.6km以下的高空，約有90%的大氣位于16km以下的高空，約有99.99997%的大氣位于100km以下的高空。因此處于100km的高空以上以后，大氣的密度大為減少，和太空幾乎沒有什么不同。實(shí)際上國際航空聯(lián)合會(huì)給出的太空和內(nèi)層大氣空間的高度約為100km，這也就是著名的卡門線。任何超過卡門線的飛行器都可以認(rèn)為是進(jìn)入了太空，可以稱之為航天器。在低于卡門線的高空進(jìn)行活動(dòng)的飛行器，稱之為航空器。
總之，我們可以看到，大氣層的厚度的確定并不是一蹴而就的，而是一個(gè)漸進(jìn)的過程。這其實(shí)和大多數(shù)的科學(xué)研究是一樣的，要想取得大的研究成果，就必須不斷的學(xué)習(xí)前人積累的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，然后才有可能最終在前人的基礎(chǔ)上更上一層樓。

作者：陳星