大氣層的神秘禁區

●秦縱 文 玉琳 編

在地球的大氣層中，有一個神秘的區域：在一些夜晚，那里會出現難以捉摸的、閃爍的夜光云；它既有很冷的空氣，也有很熱的空氣；在那里，科研氣球漂不起來，飛機不能飛行，衛星會很快墜向地面……這難道是大氣層中的百慕大？

其實并不是，這個區域被科學家們稱為“未知層”。

神秘未知層

我們知道，地球的大氣層分為5層，即貼近地面的最低層對流層，最高處離地面約12千米；對流層上面是平流層，最高可到50千米左右，飛機一般在這一層中飛行；再上面是中間一層，顧名思義，這是大氣層的中間層，最高離地面80千米左右，流星體大部分在中間層燃盡；中間層上面是熱層，從80千米到約500千米，這一層溫度隨高度增加而迅速增加；最外是逃逸層，逃逸層是地球大氣的最外層，該層的上界在哪里還沒有一致的看法。

其實，未知層應該算是不正規的劃分，因為它是根據科學家對大氣層中未知層面的了解來劃分的，它不獨立于我們熟悉的那5層大氣，而是包括平流層、中間層以及熱層的下端，即距離地面大約50千米到300千米的區域。

有意思的是，未知層竟然能讓飛機、科研氣球和衛星都“望而卻步”：飛得最高的現役殲擊機飛行高度是20千米左右，科研氣球的最高飛行高度也只有52千米，在更高的高度，空氣過于稀薄，它們無法飛起；衛星則通常在300千米之上的地方運行，因為低于這個高度，受到重力的影響，衛星無法正常運行，更不可能堅持幾個月不墜落。

然而，未知層的神秘還不只是在那里氣球飛不起來、衛星會掉落，還在于它對我們有著令人意想不到的影響，而科學家們卻不知道為什么會這樣。

那么未知層對我們有哪些影響呢？

藏在高空的幕后黑手

未知層向上可以影響低軌道衛星。未知層最上面的部分是熱層，由于紫外線的作用，熱層的溫度很高，可達數千攝氏度。紫外線輻射使熱層中的一些分子分解成帶電離子。而太陽風暴爆發時，來自太陽的熱量和物質將會被送到未知層，造成大氣膨脹。結果是在未知層的上端產生一個個比周圍大氣密度更大的氣體球。如果這個膨脹的氣體球發生爆炸，那么將可能使低軌道衛星損壞。

而向下，未知層可能影響地球的氣溫。在高空大氣中，來自太陽的高能粒子創造了一氧化氮，空氣的流動會將一氧化氮帶到其他地方，其中一些可能會到達未知層。未知層中的臭氧分子不穩定，來到未知層的一氧化氮可以奪走臭氧中的氧分子，使臭氧層遭受破壞。而這將可能導致地球的溫室效應加劇。

未知層不僅影響氣溫，還有可能增強颶風的強度。太陽風能使包括未知層在內的高空大氣（50千米之上）形成像波浪那樣的湍流，這些湍流在重力的作用下被向下拉。在這個過程中，這些自上而下的氣體湍流可以間接參與積雨云的“制造”——提供積雨云形成所需的能量。發展旺盛的積雨云則會產生雷暴，而一些地區雷暴產生的波動能在特定海域上空制造低壓區，基于這些低壓區，颶風就有可能產生。令人奇怪的是，即使現在科學家可以借助地面雷達基站、科研氣球、氣象衛星等設備研究大氣層的其他區域，但唯獨高度不算高也不算低的未知層卻難倒了科學家。為何未知層讓人如此束手無策呢？

未知層拒絕所有來訪者

簡單來說，未知層至今仍保持神秘感，是因為這個區域幾乎拒絕所有來訪者。

未知層包括了平流層、中間層以及熱層的下端，那里的條件非常復雜——空氣稀薄、氣壓低、溫度高低不均：平流層的溫度高，中間層又很冷，溫度可低至-100℃，熱層的溫度又很高。研究人員不可能乘坐一般的飛機或讓科研氣球在未知層開展工作。并且，飛機和科研氣球根本無法在未知層飛起來。

目前人類對未知層為數不多的直接觀測大多數來自探空火箭，但是探空火箭經過未知層的時長僅有幾分鐘，時間太短，并且所探得的僅是火箭飛行路徑上的數據。光靠這些數據，我們根本無法確定未知層的成分組成以及大氣密度等信息。

那么，有沒有什么方法可以讓我們窺探未知層呢？

科學家曾嘗試了許多其他方法，比如，為了了解未知層的成分和該層的氣象活動，科學家曾利用低軌高性能地球遙感衛星和氣象雷達來探測未知層，不過結果似乎不那么讓人滿意。雖然低軌高性能地球遙感衛星能探測大氣層的組成，但它是通過探測不同物質的散射波長來判斷的，而未知層的空氣太稀薄，并且未知層與衛星之間還有一定的距離，因此衛星很難捕捉到未知層組成信息，不能為科學家提供他們想要的數據。氣象雷達通常被用來探測氣象活動，但是它的探測高度最高僅距離地面大約90千米，不能獲得整個未知層的完整數據。

可以說，科學家們現在掌握的數據非常有限。

探險者們出擊

不過，科學家們正在尋找新的解決方法，“QB50”項目就是方法之一。QB50項目是由歐洲航天局主持，全球30所大學參與的一個科研項目，項目的主要內容是采集90千米到300千米高空大氣中帶電離子的組成、大氣溫度等數據。而這些數據將由50個小探險者來收集。當然，這些小探險者不是人類，而是由參與項目的各個大學研發的立方體衛星（尺寸為20厘米×10厘米×10厘米）。這些立方體衛星將被送往國際空間站，之后從國際空間站中分批被釋放，從而使它們可以同時在不同海拔高度收集數據。

這些立方體衛星是一個個專職的“觀測人員”，它們的功能各不相同，有的專門測量大氣中的中性原子和分子的密度，有的則檢測大氣中的帶電離子。它們落向地球的過程中各司其職，收集自己負責探測的那一部分數據，并傳輸給地面控制中心。不過，立方體衛星在未知層停留的時間大概只有一個星期。并且在未知層，立方體衛星下落的速度會很快，這加大了立方體衛星探測和傳輸數據的難度。

雖然QB50項目的立方體衛星在未知層停留的時間很短，但是50個立方體衛星收集到的數據對現有的資料將是一個重要的補充，有助于科學家們對未知層的研究。

此外，2018年，美國宇航局還計劃發射兩個探測衛星，即電離層連接探測器（ICON）和全球邊沿與圓面觀測衛星（GOLD），用于分析上層大氣。其中GOLD將監測熱層的大部分，而ICON則專注于監測高空大氣中的帶電粒子。屆時，這兩個探測衛星收集的數據也將有助于未知層的研究。

科學家的努力正在向我們一層層地揭開未知層的神秘面紗，但是顯然目前的資料還遠遠不足以讓我們完整地描述未知層的模樣。這意味著，未知層在未來很長一段時間里還將保持神秘感。