地球与外太空的边界从哪开始？

从国际空间站拍摄到的这幅日落景象中，可见地球大气层的分层结构

在无垠的宇宙中，地球的大气层仿佛一层薄薄的纱衣，为地表的生命提供了关键的保护。然而，当我们抬头仰望星空时，不禁会好奇：大气层究竟在哪里结束，外太空又从何处开始？这个看似简单的问题，其实蕴含着复杂的科学知识。

地球的大气层从海平面附近的对流层开始，一直延伸到最外部的散逸层。每一层大气都有其独特的温度变化、化学成分、密度和内部气体运动特征。这些特征共同决定了大气层的分层结构。

然而，当我们试图确定大气层在哪里结束，外太空又在何处开始时，问题就变得复杂了。

卡门线：外太空的起点

随着距离地球表面越来越远，大气的密度逐渐减小，空气密度逐渐减小，所能提供的升力也随之减弱。为了维持飞行状态，飞机必须不断提升速度。

在某个高度，维持飞行所需的速度将达到该高度的轨道速度。超过这一高度，空气动力学效应将不再有效，转而由太空环境主导，也即在这一高度传统飞机无法产生足够的升力来维持飞行。

正因如此，这个区域被科学家划定为大气层的终点，外太空的开始。这条界线被称为卡门线，以匈牙利裔美国工程师和物理学家西奥多·冯·卡门命名。卡门在1957年成为第一个试图定义地球和外太空边界的人。

冯·卡门，匈牙利裔美国物理学家，加州理工学院教授，美国NASA下属的喷射推进实验室（JPL）创始人

卡门线是一个大致的区域，通常被定义为距地球表面约100公里的高度，作为大气层与太空的界线。实际上，卡门线的实际计算结果并非精确无误地等于100公里，但卡门仍提议将海拔100公里处作为外太空与地球大气层的分界。

值得注意的是，大气层的状态时刻在变化，各项参数因时间和地点而异，因此计算结果并非固定不变。所以，尽管100公里这一数值被采用，但卡门线并非一个绝对精确的界定。直到国际航空联合会采纳后，卡门线才成为相关领域普遍接受的界限标准。

然而，这个定义并不被所有组织接受。例如，美国空军和美国国家航空航天局就将大气层与太空的界线定义为80公里。此外，国际法上也没有关于该界线的明确规定。

尽管存在这些差异，但卡门线在航空航天领域仍然具有重要意义。它标志着航空飞行的高度极限，并对于航天器和卫星成功围绕地球运行至关重要。在卡门线以上，卫星将能够绕地球运行至少一次，而不会因空气阻力而燃烧或脱离轨道。

大气层又可以延申多远

据欧洲空间局介绍，近地轨道卫星的高度通常在1000公里以下，有时会低至160公里。然而，这并不意味着地球大气层在1000公里以外就无法被探测到。

事实上，在人造卫星运行的区域，大气仍然存在，只是随着距离的增加，大气的密度和成分逐渐发生变化。地球大气层的最外层，即地冕（散逸层中发光的部分），其氢原子能够延伸至月球轨道之外。若我们将散逸层也视为大气层的一部分而非外层空间的范畴，那么大气层的高度可达约10000公里的空中。

地冕覆盖范围示意图

如果我们能够经过卡门线，会观察到什么呢？答案可能会让你感到失望。因为卡门线并不是一条物理上的界线，而是一个相对突兀的、基于航空航天领域的一些因素而定义的界线。

因此，我们不会观察到任何特别的变化。不过，随着海拔的升高，大气越来越稀薄，蓝色光晕也会逐渐消失，仅留下作为背景的黑色太空。

综上所述，地球大气层与外太空的界限是一个复杂而神秘的话题。尽管卡门线作为大气层与太空的界线被广泛接受，但它并不是一个绝对精确的严格定义。随着科技的不断进步和人类对宇宙的探索不断深入，我们或许能够更准确地界定这个界限。

参考资料

https://www.livescience.com/where-earth-atmosphere-ends

编译：文星

审核：刘勇

中国科学院国家空间科学中心研究员、中国航天科普大使

来源： 蝌蚪五线谱