⚛ 临近空间的奇妙之旅

临近空间的奇妙之旅

地球表面被大气圈层包裹着，大气圈层的厚度达到了1000KM. 偌大的大气层的层次不是单一的，从近地面向上，依次分为对流层、平流层、中间层、热层和逸散层.

临近空间，也被称为空天过渡区，更为人熟知的说法是亚太空，一般是指距离地面20-100KM左右的地球空间，横跨了平流层和中间层的高空区域.

此外，临近空间的位置也很尴尬————一方面，我们的民用航天器的飞行高度通常在20KM以下(坐飞机的朋友都知道飞机将在平流层飞行稳定)；另一方面，天基航天器的飞行高度通常在100KM以上(比如天基卫星.etcetera). 因为其特殊的环境和位置，使得飞机或卫星难以在临近空间内长时间驻留，成了”前不着村，后不着店的荒山野岭”

下图取自网络，可以方便大家形成直观感受.

除了划分大气圈层，我们还可以切割电离层！

电离层是地球大气的电离区域，其高度大致在离地面50-60KM的样子，并且将一直延伸到1000KM的地球高层大气区域.

在这个区域内，太阳电磁辐射、宇宙射线和沉降粒子将作用于地球高层大气，并将之电离生成由电子、离子和中性粒子构成的低能量准中性等离子体区域.

同大气圈层一样，电离层，还可以进一步一层层细划————从低到高依次分为D层、E层、F1层、F2层.

具体地说，D层的范围在离近地面50-90KM内，无线电波中的短波在D层内会被大量吸收；E层在离近地面90-130KM的位置；F1层离近地面约130-210KM；F2层就在210KM以上啦，这一层是反射无线电信号和影响无线电信号传播条件的主要区域.

上面说的这几层都是均匀厚层，如上图所示. 但我们也发现还有不均匀结构的存在，这就是偶发E层和扩展F层.

从上面的描述，我们可以发现，临近空间和D层、E层存在交集，因此，临近空间内可以看到一些奇妙的现象，比如极光.

极光，是大气粒子受激辐射发光的现象，极光的受激激发是临近空间高空气体分子(原子)自身能级变化的过程，这一点大家早都了然于胸啦.

气辉大家应当很少听过————它是中高层大气普遍存在的一种微弱发光现象，一般是中高层大气自身激发的. 虽然气辉发光暗淡，但分布很广，可以作为中高层大气的示踪物.通过观测其分布和变化过程，我们可以得到中高层大气的很多参数信息.

除了没亲眼见过的极光和气辉的华美景色，还有你没见过的珠母云.

珠母云，又称贝状高层云，通常形成于冬季高纬度地区的平流层(海拔15-25KM左右).当太阳位于地平线以下1°-6°的时候，一天中第一道或者最后一道光线从下面照射到这些高海拔云层上的时候，这种光被云中的冰晶折射，产生闪烁的彩虹效果，这一过程也被称为云彩彩虹.

这么美丽的云是如何形成的呢？

珠母云，学术上称冰极低平流层云，是像卷云或荚状高积云一样的云，有着极为明显的虹彩.

它要形成可不容易————首先温度要低于冰霜点，大抵在-85℃附近，低于平流层下部分平均温度；接着就是干涉与衍射的表演场地————光线在直径约10微米的硝酸三水合物内跳跃，让虹彩发出有特色的光亮

除了上述佳肴，还能欣赏到非常壮观的放电现象————有着红色精灵之称的精灵闪电，是一种高层大气中壮观的放电现象，通常发生在雷雨云云层顶部，距离地面约50-90KM(电离D层).

红色精灵上半部分呈现红色，而底部则向蓝色渐变，宽度可以达到5-10KM.

红色精灵发生也是一个小概率事件，具有很强的随机性，通常呈现巨大但微弱的闪光，而持续时间只有一百毫秒，转瞬即逝

除了红色精灵，还有蓝色喷流，是一种局限在低于40km大气层中的一种发光现象。通常呈细锥形，从积雨云顶端出现后以大约每秒100km的速度向上传播，直到40km-50km的高度开始消散，持续时间约200-300ms。其蓝色可能是来自氮气分子的发射光谱，并且比红色精灵要亮.

这些特殊的发光现象壮丽绚烂、变幻夺目，也赋予临近空间一种神秘的色彩.

实际上大多数发光现象的主导者是太阳，科学家们形象地把太阳耀斑、太阳质子事件和日冕物质抛射称为太阳风暴的三轮冲击，它们是临近空间大气演化的主要驱动源之一，同时也牵引底层大气发生相应变化.

这也带来临近空间的火爆科学研究.

1. 大气物质交换
   临近空间大气圈层的物质交换是一个非常复杂的过程。在青藏高原，存在特殊的烟囱效应，就与平流层-对流层间的物质交换过程紧密相关.

   烟囱效应(stack effect)，就是指通过房屋的自然垂直气流，这也是让壁炉工作的机理，它把空气吸进来，帮助火活起来，然后冲出烟囱.

   青藏高原的气旋受季风影响，科学家认为，从南亚通过季风输送的水汽、污染物等会进入到这个气旋，而反气旋环流的上升运动，将低层大气中大量物质吹到平流层，形成烟囱效应，改变上层大气的成分，引起了额外的气候效应，随后水汽、污染物等就可能会随着大气循环到达全球各个角落.

   而烟囱究竟如何输送？输送了什么？输送了多少？以及其对全球气候的影响是什么？这些理论尚待进一步验证，因此需要通过高空科学气球、球载探测设备、地基探测设备等共同配合，进行临近空间的大气科学研究.

   解释性说明(三)

   我们可以小小的解释一下青藏高原这杆烟囱是怎么工作的：尽管青藏高原的平均海拔大致只在5-6KM，但就青藏高原周边地区的海拔(甚至就全球而言)，青藏高原的温度比周遭大气温度高，这将加热周围大气，并使得周围大气的温度高于平均高度温度，将造成周围大气上升，由此将近地面地区的物质输送到高空.

2. 空间生物研究
   临近空间也可能存在一些生物群落，包括美国和前苏联在内的一些国家曾在20km-77km高度发现了微生物，但他们使用的生物学手段只能探查少量的生物类群。现代分子生物学、基因组学、电子显微学、单细胞同位素等技术进展，为全面深入研究临近空间生物圈提供了契机.

3. 行星观测
   受臭氧层的保护，人类才能够在地球表面不被紫外线过度伤害。然而对于行星观测而言，在类地行星大气的关键成分中，其主要的特征辐射在近紫外波段（200-400 nm），然而这些辐射被距离地表0-30km高度范围内稠密大气所吸收，无法在地面展开观测。科学家们计划将高空科学气球升至30km以上，避开臭氧吸收，从而大大提高行星观测数据的质量。这就需要高空气球平台具有极高的稳定性和指向精度，这将是前所未有的挑战.

4. ……
   还有不可言说的军事领域的竞争，当然这一点不便细说啦.

[1]World Meteorological Organization，WMO
[2]NCSU
[3]KEPU