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临近空间:飞机上不去,卫星下不来

发布时间:2020-07-25 | 发布人:admin

一、临近空间在哪里?

       地球表面被大气层包围着,这个圈层有1000km的厚度,从近地面以上是对流层、平流层和高层大气,而1000km以外就是外太空了。临近空间(也被称为“近空间”、“空天过渡区”、“亚太空”或“亚轨道”等)一般是指距离地面20km-100km左右的地球空间(美国定义为20km至120km),跨越了对流层、平流层和中间层的高空区域,有着比较特殊而复杂的环境,具有高辐射、低温、干燥等特点,也受到电磁辐射的极大影响。

 

(图1 大气圈层分布,图片来源于网络)

 

       临近空间处在一个很“尴尬”的高度范围,普通航空飞行器的飞行高度通常在20km以下,天基卫星的飞行高度通常在100km以上,而在20km-100km的空域范围,飞机和卫星难以长时间驻留,可谓“飞机上不去,卫星下不来”。

 

(图2 飞行器飞行高度分布,图片来源于Ohbot)

 

       相较于相邻大气圈层,临近空间的物质构成、能量输运以及相互作用极其复杂,临近空间蕴含着丰富的待探测的物理现象和待发现的科学规律,科学认知有待深入。

 

二、临近空间有哪些特殊现象?

       除了大气圈层的划分外,还有电离层的划分。电离层是地球大气的一个电离区域,电离层从离地面约50km-60km开始,一直伸展到约1000km高度的地球高层大气空域,是由太阳电磁辐射、宇宙线和沉降粒子作用于地球高层大气,使之电离而生成的由电子、离子和中性粒子构成的能量很低的准中性等离子体区域。

 

(图3 gif动图太空上拍摄到的电离层,图片来源于网络)

 

       临近空间与电离层的D层(离地面约60km-90km)、E层(离地面约90km-140km)也有着交集,因此在临近空间存在着许多特殊的现象。

       最典型的如极光,实际上,它是大气粒子受激发光的现象,就像是靠近南北极地带上空的彩色光带。极光的受激激发是临近空间中高空气体分子(或原子)自身能级变化的过程。当粒子从高能级变为低能级的时候就会向外辐射电磁波。如果辐射的电磁波是可见光频率范围,那么气体就发光了。高空分子气体有很多种类,每种的能级都不相同,因此它们产生的极光也是五颜六色,各不相同。

 

(图4 空间站上拍摄的极光,图片来源于NASA)

 

       气辉是中高层大气普遍存在的一种微弱发光现象,一般是由中高层大气自身的过程激发的。气辉虽然黯暗,但分布广阔,因此也是中高层大气的示踪物(Tracer,也就是追踪物或标记物),其分布和变化过程蕴含着中高层大气多种参数信息。

 

(图5 气辉,图片来源于网络)

 

       临近空间还有一种特殊的云——珠母云。珠母云通常形成于冬季极地(高纬度地区)的平流层,即海拔15km-25km左右的大气层。在“黄昏”期间,也就是当太阳位于地平线以下1°至6°之间,一天中第一道或最后一道光线从下面照射到这些海拔云层上时候。这种光被云中的冰晶折射,这一过程被称为云彩彩虹,产生闪烁的彩虹效果。

 

(图6 2008年1月20日摄影师F. Prata在挪威南部Leirsund拍摄的一组珠母云随时间变化的照片)

 

       红色精灵(又称红闪或精灵闪电),是一种高层大气中非常壮观的放电现象,通常发生在雷雨云云层的顶部,距离地面约50-90km。红色精灵上半部是红色,底部则渐渐转变为蓝色,宽度约在5km-10km内。红色精灵的发生概率比较小,随机性很强,通常呈现出巨大而微弱的闪光,其亮度相当于中等亮度的极光,可持续约十到一百毫秒,如同闪电般转瞬即逝。

 

(图7 2019年8月瑞士摄影师Roger Spinner在意大利北部拍摄到的红色精灵)

 

       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。

 

(图8 2016年,天文摄影爱好者在拍摄英仙座流星雨时记录下的蓝色喷流)

 

       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。而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(增强电磁辐射)、太阳质子事件(高能带电粒子流)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。因此,对于这些现象的进一步观测与分析,以及对太阳物理、空间天气的相关研究,是临近空间的科学方向之一。

 

三、临近空间还有哪些科学问题?

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。

 

(图9 青藏高原,图片来源于网络)

 

       青藏高原处在一个特殊的地形,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。

 

(图10 青藏高原“烟囱”效应,图片来源:鸿鹄专项)

 

       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。

 

(图11 中科院鸿鹄先导专项在青海开展的临近空间大气原位探测及下投实验,图片来源:鸿鹄专项)

 

2. 临近空间生物研究

       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。

 

(图12 临近空间生物圈示意图,图片来源:鸿鹄专项)

 

       那么,临近空间又对生物有哪些影响呢?科学家们正通过高空科学气球等飞行器将一些生物(如一些常见的微生物、植物)的样本带上临近空间,开展生物暴露实验,再将样本返回地面实验室进一步研究。临近空间的生物研究可帮助科学家认识受到临近空间极端环境影响后,这些生物是如何通过“改变自己”来适应环境的。

 

(图13 中科院鸿鹄先导专项在青海开展的临近空间生物大气载荷综合验证实验,图片来源:鸿鹄专项)

 

(图14 临近空间生物暴露装置,图片来源:鸿鹄专项)

 

       将临近空间生物“采下来”,将地球生物“带上去”,寻找“天外来客”(地外生命),探查地球生命生存的极限、提升对地球生物圈“上边界”的认识,进而追溯地球生命的起源。

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。

 

(图15 临近空间行星观测概念图,图片来源:鸿鹄专项)

 

4. 太阳电池标定

       近年来,新型太阳电池有了长足的发展,而太阳电池的应用与太阳电池空间标定技术是密不可分的。在设计空间用太阳电池能源系统时,需要获得太阳电池在标准阳光下的精确的性能参数,常用的空间标定方法包括卫星标定、火箭标定、飞机标定、高山标定等。

 

(图16 高空气球太阳电池标定成果登上《中国科学》2019年第7期杂志封面)

 

       利用高空气球平台在临近空间对太阳电池进行标定,是对其他标定的补充,尤其是在35km以上的高度,没有灰尘和水蒸气,没有主要的臭氧带,这里的太阳光(考虑到硅太阳电池的光谱响应波长为0.35-1.1μm)基本就是外层空间的太阳光,因此35km及以上的高空是标定AM0太阳电池合适的空间。临近空间太阳电池标定对全面和准确评价空间光谱条件下太阳电池性能具有重要的意义。

 

(图17 2018年8月,鸿鹄专项利用高空科学气球进行太阳电池的临近空间标定试验,

中国科学院成为全世界第三个能够独立进行35km以上太阳电池高空标定的科研机构,图片来源:鸿鹄专项)

 

       临近空间环境不仅适合太阳电池的空间定标,也适宜开展空间探测各类新型手段的验证试验。

 

四、结束语

       临近空间是地球空间多圈层的重要组成部分,从科学认知角度看,临近空间对下与中低层稠密大气之间存在紧密的相互耦合关系,对上则通过电离层接受太阳活动的驱动,并反过来影响低电离层的形态,对地球大气的整体认知具有重要学术研究价值。

 

(图18 高空气球搭载高清摄像机远眺临近空间,图片来源:鸿鹄专项)

 

       由中国科学院空天信息创新研究院牵头的中国科学院A类战略性先导科技专项“临近空间科学实验系统”(鸿鹄专项)于2018年3月启动,旨在建设我国首个基于多飞行平台的临近空间科学实验系统,大幅度提升我国临近空间开发利用能力,引领国际临近空间科学研究。

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