大气层的神秘禁区

●秦纵 文 玉琳 编

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？

其实并不是，这个区域被科学家们称为“未知层”。

神秘未知层

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；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。

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大气层中未知层面的了解来划分的，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，飓风就有可能产生。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？

未知层拒绝所有来访者

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，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。

探险者们出击

不过，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。

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。

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。