探索大气中的未知层

文/王 芸 李月锋

 

南美洲亚马孙河流域热带雨林中的一只蝴蝶,偶尔扇动几下翅膀,可以在两星期后引起美国得克萨斯州的一场龙卷风,这就是众所周知的蝴蝶效应。科学家近期发现,遥远的大气层中一块未知的领域也会影响我们的天气及生活。
神秘的未知层
在浩瀚太空中的国际空间站,伸出了一根装备了很多微型探针的机械臂,它缓缓地向着地球的方向伸出这些探针。这些探针将会探索我们地球周围的一个禁区。在这个禁区内,飞机无法飞行,热气球无法飘浮,卫星也会很快燃烧起来。未知层所处的高度是我们目前的飞行水平难以企及的,有关这一区域的资料极为匮乏,因此有科学家称之为未知层。
大气层的这块领域让人无法涉足且心生畏惧。这里有地球上最热和最冷的空气;这里有扑朔迷离、闪闪发光的云彩,只有在晚上才得以一见;这里的气象瞬息万变,有时紊流风会混杂着来自太阳的等离子体一起出现。
未知层分为截然不同的两层。下面一层是寒冷的中间层,高约100千米。此处的空气与我们吸入的空气成分基本相同,但是过于稀薄。即使在中间层的底部,空气的浓度也只有海平面空气浓度的千分之一。再往下,有臭氧吸收紫外线辐射使空气升温,在这之上辐射很少被吸收。同时,二氧化碳反射红外热辐射,使温度急剧下降:中间层有些地方温度在-100℃以下。在这一区域,会出现一些著名的大气现象,如神秘的夜光云。
  
肩负重担的立方体卫星
比利时冯·卡门流体力学研究所的简·托梅尔正在负责一个名为QB50的项目,该项目将把一些规格为20厘米×10厘米×10厘米的立方体卫星发射到未知层。托梅尔说:“这个项目潜力无穷,多个卫星可以在多个地点同时进行测量。”
立方体卫星会在400千米的高处发射,那里空气稀薄,向前的阻力很小。当它们往下运行时,阻力不断增加,到达200千米处大概需要一两年的时间。按计划,成功发射第一批立方体卫星的三个月后,将发射第二批立方体卫星,这样探测器就可以同时测量到两个高度的数据。
每个立方体卫星都带有传感器。有的用来测量中性原子和分子的浓度,有的用来探测离子。为了减少阻力和延长寿命,这些立方体卫星利用名为力矩器的磁性装置,从地球磁场获得引力,从而保持自己的运行轨道。但是,一旦它们降落至200千米处,可能就只剩下一星期的寿命了。托梅尔希望这些立方体卫星能穿过夜光云,获得约90千米处的数据。但是,这个高度的情况很难掌控,超声速逆风使得立方体卫星难以保持运行轨道,并且可能与地面站失联。
QB50项目获得的数据有助于预测电离层给卫星带来的阻力,也有利于改进用于预测的高层大气实时模型。我们甚至可以期待,QB50项目将让我们认识到复杂的未知层可能对天气带来的影响。
  
无法忽视的影响
关于高层大气是否对低层大气有影响的问题,还没有定论。毕竟,未知层的空气相比地面空气太过稀薄。它真能影响我们的天气吗?
近来很多研究表明,高层大气和低层大气之间的关联比我们所了解地更紧密。比如,模拟研究表明,热带风暴引起的对流导致在电离层中产生核球。
同时,美国国家航空航天局的AIM卫星已经在监测夜光云,发现夜光云竟然会受星球另一侧地面温度的影响。北半球的冬天开始变暖的两星期后,南极洲的上空就会出现夜光云,无人知晓其中的原因。
要回答高层大气如何影响我们的天气这一问题,除了空气稀薄以外,其他的可确定因素非常少。其中一个因素与一氧化氮有关。两极上空未知层中的一氧化氮由太阳散发的能量粒子形成,随风吹散到世界各地。有的可能飘到低层大气破坏臭氧,这样就会对气候产生影响,因为臭氧是温室气体。
重力波更有力地证明了高层大气对低层大气的影响。如同水波荡漾,大气层中的气体也会有波动。当太阳风的磁场改变方向时,电离层就会出现这样的波动。根据加拿大通信研究中心的保罗·普里克里尔及其团队的理论研究成果,这样的波动会间接产生云带,增强飓风的威力。
英国气象局负责太空气象研究的大卫·杰克森目前正研发一个针对整个大气层的全新模型,其范围将扩展到500千米,延伸到电离层内。他的主要目标是了解太空天气及其对卫星的影响,但是这个模型也有可能会给我们一个关于未知层的稀薄空气是否真能改变地面天气的答案。杰克森说,将气象模型的范围向上扩展,也可以提高长期天气预报的准确率。
研究人员对QB50项目寄予厚望,如果该项目能开创立方体卫星大规模进驻未知层的先河,未知层将不再未知,大气层的最后一块未知领域也将冠以新名。
(本文作者王芸为自由撰稿人,李月锋为上海应用技术大学副教授)
拯救卫星
绚丽多彩的北极光每年都吸引着众多游客前往,然而,在有些人的眼中,这个景象并不那么美妙。
北极光因太阳风暴而起,而太阳风暴会增加高层大气的热量和等离子体,使空气膨胀,从而增加近地轨道上卫星的阻力。有时,太空宇航局会突然与价值高昂的卫星失联。托梅尔说:“一次强烈的太阳活动过后,美国国家航空航天局损失了成百上千颗卫星。”
即便是稍弱的太阳风暴也会让卫星稍稍偏离轨道。这不仅是麻烦一点的问题:国际空间站和其他卫星必须谨慎航行来躲避太空垃圾,近地轨道更加拥挤,更容易发生碰撞。
大气电离的突变不但给卫星带来危险,还会造成卫星发回地球的在途无线电信号失真。罪魁祸首可能是一次太阳风暴或是低层大气的狂暴天气。
2003年10月的超强太阳风暴导致GPS定位下移了好几百米。现在如果发生这样的事故,后果将不堪设想。因为,我们目前大量的基础设施都靠GPS定位或定时。汽车的导航系统或许还好一些,但是空运、海运及军事行动必须要精准定位。GPS定时也是金融交易做到同步公平的保障。
英国巴斯大学的凯瑟琳·米切尔用计算机模型“实时预测”高层大气的情况,帮助实时纠正错误。然而,这样做也无法保证准确性——除非我们能掌握高层大气的情况。

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