人造奇觀
——火箭云

文/湯川學(xué)

我們經(jīng)常能看到一些網(wǎng)友在網(wǎng)上放出一些奇怪的云彩照片，這種云彩與我們平日里所見到的云不同。它們明顯具有方向性，在起初往往拖著長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴，到達(dá)一定長(zhǎng)度時(shí)突然開始膨脹起來，頂端往往還有一個(gè)亮點(diǎn)向前移動(dòng)。這種天象往往會(huì)被目擊者稱為不明飛行物，即UFO，然后引發(fā)一陣熱議。

實(shí)際上這種事情早在冷戰(zhàn)時(shí)期就發(fā)生過很多次，這種奇異天象曾經(jīng)讓不少人以為是對(duì)方陣營的核導(dǎo)彈來襲而引發(fā)恐慌。不過熟悉天文和氣象的人對(duì)此應(yīng)該不會(huì)大驚小怪，因?yàn)檫@種天象往往都是由于火箭或者導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)造成的一種人造天象——火箭云。

何謂火箭云？

▲ 自然夜光云

2017年12月23日的圣誕節(jié)前夜，太空探索技術(shù)公司的獵鷹9號(hào)火箭搭載10顆銥星星座衛(wèi)星，在美國卡納維拉爾角太空軍基地發(fā)射，由火箭造成的火箭云嚇到了不少人，而當(dāng)?shù)孛襟w也做了報(bào)道以讓大家放心。

我們有時(shí)抬頭就能看到由飛機(jī)造成的軌跡云。它們和火箭發(fā)射時(shí)所造成的火箭云，在本質(zhì)上是一樣的，不過火箭云往往要比飛機(jī)的軌跡云高得多。在英文里，由火箭造成的獨(dú)特天象可以被叫做space jellyfish，中文翻譯過來為太空水母，因?yàn)槠渑蛎浂闻c水母的外型非常相像。

如果從氣象方面來描述，這種云則可以被稱為夜光云。自然條件下，夜光云往往由直徑達(dá)100納米的微小水冰晶體組成。一般來說，夜光云存在于約 76 ~ 85 千米的高度，這個(gè)高度已經(jīng)十分接近大氣層邊緣，是大氣中能存在的最高的云，是屬于高空卷云的一種。自然條件下往往只能在高緯度地區(qū)觀測(cè)到，觀測(cè)到的時(shí)機(jī)也往往是在清晨或黃昏。由于這種云彩的高度十分接近太空，如果我們視陽光作為地球這個(gè)球體的一條切線，在地面已經(jīng)進(jìn)入黑夜時(shí)，處于高空的夜光云在切線以外，依然能夠被陽光所照耀，這時(shí)在地面上的人們就可以看見在漆黑的天空中有一朵閃耀的云彩。如果能親眼見到，想來應(yīng)該是一次人生中難得的體驗(yàn)。

▲ 2017年12月23日獵鷹9號(hào)火箭在美國卡納維拉爾角太空軍基地發(fā)射

▲ 2017年12月23日獵鷹9號(hào)火箭在美國卡納維拉爾角太空軍基地發(fā)射時(shí)形成的火箭云

▲ 2018年6月29日“獵鷹9號(hào)”搭載龍飛船前往國際空間站

火箭云可以說是我們?cè)诨鸺l(fā)射中非目的性地造成的一種人造天象。它在火箭的飛行過程中被創(chuàng)造出來，其在可視范圍內(nèi)都可以被人們所觀察到，但是最好的觀察方向是平行于火箭的發(fā)射方向。這樣，就可以一睹火箭發(fā)射造成的美麗的火箭云。

說到火箭云，就需要說到目前火箭所使用的燃料。綜合目前國內(nèi)外的火箭，主要燃料有這幾類：四氧化二氮/肼類化合物；液氧/煤油；液氧/液氫；液氧/甲烷和固體燃料。

這些燃料中，固體燃料被點(diǎn)燃時(shí)可以產(chǎn)生大量的顆粒物；其他幾種燃料在燃燒過程中都可以產(chǎn)生大量的水蒸汽，處于高層的水蒸汽由于氣溫低于零度會(huì)變成冰晶，而顆粒、水蒸汽、冰晶往往是形成云層的重要因素。在火箭發(fā)射過程中，火箭不斷向后排出尾氣，火箭云便隨之被制造出來。近年來，國內(nèi)的火箭云目擊事件也逐漸增多，是因?yàn)槲覈教焓聵I(yè)快速發(fā)射，火箭發(fā)射次數(shù)越來越多。

看火箭云的“門道”

火箭云的形態(tài)往往和火箭的型號(hào)和類型密切相關(guān)。比如，我國的長(zhǎng)征五號(hào)B火箭，是一種十分獨(dú)特的一級(jí)半火箭，由芯級(jí)和助推器組成，芯級(jí)一次點(diǎn)火可以直接將載荷送入軌道，沒有其他更多的級(jí)，所以這種火箭發(fā)射產(chǎn)生的云便不會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)。不過，世界上大多數(shù)火箭都有二級(jí)或者更多的級(jí)，所以我們?nèi)匀灰远鄶?shù)火箭可以造成的火箭云作為討論對(duì)象。

▲ 2018 年 6 月 29 日黎明前從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角太空軍基地升空的“獵鷹9號(hào)”

▲ 2021年12月23日飛行員拍到的長(zhǎng)征七號(hào)甲火箭云

火箭云的間斷，即一二級(jí)分離時(shí)云的狀態(tài)與火箭芯級(jí)點(diǎn)火時(shí)間有著密切關(guān)系，可以說每一種火箭所造成的云都是獨(dú)一無二的。而同一種火箭造成的云，又由于其發(fā)射的軌道和當(dāng)時(shí)的天氣、風(fēng)的強(qiáng)度等而變得十分多樣，所以無法一概而論?？偠灾?dāng)你真的有幸看到火箭云時(shí)，還得具體情況具體分析。

太空探索技術(shù)公司的“獵鷹9號(hào)”是十分特別的可回收火箭，它的一二級(jí)分離、二級(jí)點(diǎn)火后，一級(jí)便會(huì)返回發(fā)射地或者回到特定的回收船上，此時(shí)甚至?xí)袃蓚€(gè)相反的“太空水母”同時(shí)出現(xiàn)的奇景。

我國在2021年12月23日發(fā)射長(zhǎng)征七號(hào)甲火箭時(shí)，有一位飛行員（微博賬號(hào)：@天邊的貝洛斯）十分幸運(yùn)地看到了火箭發(fā)射的過程，并且看見了非常完美的火箭云并拍了視頻。為了方便，我們就以中間的間斷作為間隔，分為前半段與后半段來分別進(jìn)行分析。

火箭云的前半段，云往往比較平直而濃密，這主要是火箭剛剛起飛時(shí)所造成的。這一階段火箭需要盡快離開大氣層，幾乎與地面保持平行并不斷提升自己的垂直和橫向速度。如果抽象一些來看，這個(gè)過程與數(shù)學(xué)中對(duì)數(shù)函數(shù)中的lnX的第一象限圖像十分相像，不過由于地面和高空往往都有風(fēng)，所以前半段的云過不了多久就會(huì)被吹得像一條彎曲的細(xì)蛇，然后逐漸消失在天空中。

而在火箭云的后半段，此時(shí)火箭的助推器和芯級(jí)都與二級(jí)分離，二級(jí)點(diǎn)火，火箭所在的高度的大氣已經(jīng)十分稀薄，氣壓很低，這時(shí)從二級(jí)噴口噴出的尾氣可以比在海平面高度的尾氣的擴(kuò)張范圍大得多，火箭二級(jí)產(chǎn)生的水蒸汽在高空處凝結(jié)后因氣壓稀薄而擴(kuò)散，其產(chǎn)生的火箭云也隨之逐漸變得大而稀薄，像一只箭頭一樣直刺蒼穹。這種云會(huì)一直持續(xù)到火箭完全脫離大氣層。此后，火箭便不再產(chǎn)生可見的軌跡，向著既定軌道飛去。

之后，云彩就會(huì)在風(fēng)的作用下逐漸變形，成為一條彎曲的蛇形，然后逐漸在天上消失。

這就是火箭云從產(chǎn)生到結(jié)束的過程。

這個(gè)過程變化很快，和自然產(chǎn)生的夜光云一樣，火箭云從產(chǎn)生到消失也就不過幾個(gè)小時(shí)，壽命不長(zhǎng)。

▲ 2021年9月15日，日落后從卡納維拉爾角太空軍基地發(fā)射的第一次完全民用載人軌道航天飛行（鼓舞四人組）

也許有些讀者會(huì)注意到，有些關(guān)于火箭云的照片和視頻中只有后半段。這段記錄長(zhǎng)征七號(hào)甲火箭產(chǎn)生的火箭云視頻就沒有前半段，這是因?yàn)橐欢?jí)分離后的火箭飛行速度已經(jīng)相當(dāng)快了，它在很短的時(shí)間里就飛出去很遠(yuǎn)，火箭從起飛到載荷分離所經(jīng)過的距離甚至能跨越一個(gè)大陸，路過觀察者頭上時(shí)它已經(jīng)到了后半段。

2021年12月25日，歐空局阿里安5型火箭發(fā)射詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡。它從南美洲的法屬圭亞那庫魯起飛，在望遠(yuǎn)鏡與二級(jí)分離時(shí)載荷已經(jīng)跨越了大西洋和整個(gè)非洲大陸，如果此時(shí)我們站在非洲大陸的最西角上觀察火箭云，那肯定就看不見早就分離的一級(jí)和助推器所造成的前半段火箭云，最多只能看見后半段。

除了火箭可以形成這種天象，和火箭親緣關(guān)系較近的彈道導(dǎo)彈也能形成類似的效果，畢竟彈道導(dǎo)彈的飛行過程與火箭頗為相似，只不過火箭是把載荷送到太空，導(dǎo)彈是把載荷送到目標(biāo)的頭頂，它們的形成原理是一樣的。

▲ 長(zhǎng)征七號(hào)甲發(fā)射時(shí)，菲律賓網(wǎng)友看到的景象

▲ 2021年12月23日臺(tái)灣省居民拍的長(zhǎng)征七號(hào)甲火箭云