地球的大氣層有多厚？這個問題看似很簡單，但其實連科學家們都無法準确回答。地球大氣層的定義一向有着諸多争議，在對地球大氣層的研究中，科學家們甚至發現：月球竟然處于地球的大氣層中。這個發現可以說完全颠覆了人們的認知，一向認知為外太空的遙遠月球，怎麼還會在地球的大氣層中呢？

在航天領域，了解大氣層的厚度十分重要，因為對于航天器來說，當突破了地球大氣層，擺脫地球的空氣阻力，才算是真正的進入地球以外的太空，這種飛行活動也被稱為航天。

而飛行器在地球大氣層（空氣空間）中的飛行（航行）活動，則被稱為航空。

根據國際航空聯合會的定義，從“航空”過渡到“航天”的界線被稱為“卡門線”，而這個海拔高度為100KM。任何航天器想要持續飛行，必須要突破卡門線，并且當在卡門線切線方向上的速度達到第一宇宙速度以上，便能夠圍繞地球持續飛行。

雖說國際航空聯合會對卡門線高度進行了定義，但科學家們對于卡門線高度的确定依舊存在着很大的争議。從 1951 年到 1962 年間，就有30多種對卡門線高度的不同意見，這些邊界高度的定義範圍從海拔 20km 到 400km不等，但大部分的值處于 75-100km 之間。

其實從人類的各種航天活動中就可以看出，地球大氣的厚度可遠不止100KM。例如國際空間站的飛行高度為400公裡左右，但該空間站在繞地飛行過程中高度會不斷地下降。這是因為在400公裡的高度，依舊存在稀薄的大氣與空間站摩擦，造成空間站速度逐漸降低，軌道高度下降，因此空間站中會有推進器定時給空間站加速以保持軌道高度。

地球的大氣層到底有多厚？科學家試圖用更加普适的标準來定義地球大氣層，但地球的大氣層實際上比想象中更複雜，遠遠不是一條線所能界定。

天文學家 Lyman Spitzer 對此定義了“散逸層”的概念，散逸層又稱“外層”、“逃逸層”，是熱層（暖層）以上的大氣層，也是地球大氣的最外層。這層空氣在太陽紫外線和宇宙射線的作用下，大部分分子發生電離；使質子和氦核的含量大大超過中性氫原子的含量。逃逸層空氣極為稀薄，其密度幾乎與太空密度相同，故又常稱為外大氣層。這一大氣區域也被稱為地冕。

由于地冕位于大氣最外層，那麼如果能知道地冕區的外邊界在哪，那麼就可以知道地球大氣層的厚度了。對此科學家們的做法是在外太空中用航天器觀測地冕發出的光來探測地冕的區域。

阿波羅 16 号上的宇航員拍攝的地冕

這個方法的原理是地冕中的氫元素會與來自太陽的遠紫外線輻射發生散射而發光。地冕發射的譜線有好幾種，其中最強的譜線是萊曼阿爾法輻射，這是氫原子的電子從主量子數 n = 2 躍遷至 n = 1 時發出的譜線。研究人員主要通過它來檢測地冕。科學家所使用的設備為太陽和太陽風層探測器（Solar and Heliospheric Observatory，SOHO）。該設備由歐洲航天局（ESA）及美國國家航空航天局（NASA）共同研制。SOHO上的儀器可以過濾掉來自更遠的外太空的萊曼阿爾法輻射，精确地測量來自地冕的光線。

SOHO探測器

該項研究發現，地球地冕的範圍遠超出了人們的預期，最外側高度可以達到近63萬公裡，而地月的平均距離也就38萬公裡，相當于月球還在地球的地冕範圍内，換句話說就是月球還在地球的大氣層當中。

SOHO探測器探測地冕範圍，圖源：文獻【1】

另外，地冕區域還受太陽光的影響，在太陽光壓的作用下，地冕的分布就像是彗星的尾巴，正對太陽的一面光壓較大，地冕層氫原子被陽光“壓縮”，對探測結果進行分析，發現在該區域距離地表 6 萬公裡處每立方厘米大約有 70 個原子，在38萬公裡處（約為月球軌道高度）每立方厘米平均僅有 0.2 個原子，基本上可以認為是真空。在背對太陽的一側，氫原子的密度整體上要更大一些，并且日冕範圍也會更大。

通過對地冕區的觀測，科學家們更精确地得到了地球大氣層的數據。雖說在月球高度中，地球的大氣數量微乎其微，幾乎可以忽略，但科學家們對地球大氣層有了更準确的了解。

參考資料

[1]SWAN/SOHO Lyman‐α Mapping: The Hydrogen Geocorona Extends Well Beyond the Moon[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2019, 124(2):861-885.

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