如何離開地球？

本文由 嘉實基金 特約製作

一直以來，人類並不滿足於站在地表。

我們登上高山，極目遠望、手摘星辰。

星空，拍攝於西藏阿里地區革吉縣 | 攝影師@No One 曉東

我們豔羨飛鳥，翱翔藍天、俯瞰大地。

燕隼，拍攝於北京 | 攝影師@徐永春

甚至展開想像，幻想飛天的曼妙。

敦煌莫高窟第322窟飛天壁畫 | 攝影師@孫志軍

但是，想要真正離開地表，衝出地球，就必須戰勝一個強大的敵人。

它就是地心引力。

是它，傳說中讓蘋果砸中了牛頓的腦袋，也讓試圖飛天的古人一次次地摔回地面。

就這樣被束縛於地表的我們，真的會甘心嗎？

01

離開地表

發明飛機的萊特兄弟（Wright Brothers），不會甘心。1903年12月17日，萊特兄弟的「飛行者一號」飛機進行了首秀。

3米 是這次飛行的最大高度，僅僅相當於一層樓的高度。

萊特兄弟與「飛行者一號」飛機 | 圖片來源@美國國會圖書館

火箭工程師羅伯特 · 戈達德（Robert Goddard），也不會甘心。他在1926年放飛了人類第一枚液體火箭。

56米 是這枚火箭飛抵的高度。儘管也不算高，但這次飛行的意義非凡，因為這枚看起來簡陋的火箭，可以擺脫空氣的束縛獲得動力，未來還將釋放無限潛能。

羅伯特與第一枚液體火箭 | 圖片來源@NASA

其實，早在飛機首飛的120年前，人類就開始嘗試擺脫地心引力。不過當時的主角還不是飛機和火箭，而是熱氣球。

1783年11月15日，法國科學家羅奇爾（Jean Francois Pilatre De Rozier）和軍官安蘭蒂斯侯爵（Marquis d'Anlandes）坐上剛剛發明不久的熱氣球，成功完成了歷史上首次載人飛行。

兩人在熱氣球上俯瞰歡呼的市民，畫作印刷於19世紀 | 圖片來源@美國國會圖書館

1000米 是熱氣球首飛的高度。乘坐熱氣球，那些距離地面2000米以內的層雲、層積雲等低雲族已經觸手可及，一些接近地面的雲層甚至被攬之腳下。

奧地利山區飛行的熱氣球 | 圖片來源@視覺中國

僅僅過了半年，羅奇爾就用熱氣球刷新了自己的紀錄。

4000米 是這次飛行的高度，超出上次3000米，也超越了歐洲的大部分山峰，而且距離地面2000-6000米的高積雲、高層雲等中雲族歷歷在目。

但是，載人熱氣球飛行的高度，大多數仍處於大氣層結構的最低層——對流層。繼續向上，熱氣球就相當乏力了。

而對流層的高度還不足整個地球大氣層的1/200，其上還有約40千米高的平流層、約30千米高的中間層、約700千米高的熱成層，甚至可能高達上千千米的散逸層。

地球大氣層結構受到氣壓、地形、緯度等多方面因素的影響，因此本文所涉及的大氣層各個結構的高度均為參考值，下圖為地球大氣層垂直結構示意 | 製圖@楊寧/星球研究所

既然熱氣球已經無法依賴，人們該如何飛向更高的天空呢？

02

高空翱翔

這個時候，輪到噴氣式飛機登場了。

10000米 是人類首架噴氣式民航飛機「哈維蘭彗星」達到的最高高度。乘客們悠閒地坐在艙內，可以遠眺或俯視飛機外的風景。

飛機外的風光 | 攝影師@陳肖

從此以後，人類的足跡超過了世界最高峰——珠穆朗瑪峰，這意味著地球上所有的地貌都已被人類踩於腳下。

當然，環繞在人們周圍的雲朵，已經從低雲族和中雲族變成了捲雲、捲積雲、卷層雲等高雲族。它們分布的高度範圍在距離地面6000-12000米。

絮狀捲積雲，拍攝於寧夏賀蘭山 | 攝影師@計雲

地球上的絕大部分雲族終於能夠被曾經囿於地表的人類近距離觀賞。

甚至可以看到雲朵變成波浪，化成一個個的漣漪，宛如梵谷筆下的星空。

波浪雲，即開爾文-亥姆霍茲波，是一種比較罕見的大氣現象 | 圖片來源@視覺中國

那些傳說中居於雲層之上的諸神，正在失去他們獨佔的家園，一切「神秘感」都將煙消雲散，因為雲族已經完全暴露在人類的視野中。

雲族的分類示意 | 製圖@楊寧/星球研究所

這樣的高度，也意味著人類已經突破對流層，進入平流層。

平流層是一個能見度極高的區域。與對流層相比，這裡的水汽、懸浮固體顆粒、雜質等大幅減少，飛鳥也基本絕跡。

對流層的平均高度為11千米，熱帶地區為15-18千米，中緯度10-12千米，兩極附近8-9千米。下圖為夜間飛行的航班，高度約10千米 | 攝影師@陳肖

在其中約15-35千米的高度，還是臭氧主要分布的區域。雖然臭氧在大氣中的含量較少，但卻相當重要。它可以吸收太空中的紫外線，保護地球生物免受傷害。

同時，臭氧吸收太陽輻射，使得平流層頂部的溫度升高，甚至可以與地面相近。於是便出現了頂部高溫、底部低溫的「上熱下冷」現象，大氣的上下對流基本消失，平流層因此得名。

2015年，南極上空的臭氧層空洞 | 圖片來源@NASA，標註@星球研究所

如今，現代商業客機的飛行高度一般都在平流層的底部附近。

而飛機的航跡，也會形成一種特殊的雲——航跡雲。正所謂「你在雲層之上看風景，看風景的人也在看你」。

民航客機的航跡雲 | 攝影師@楊雲國

再往上，一個特殊的高度出現了。

19000米 附近，超過兩個珠穆朗瑪峰的高度。在這個高度，隨著大氣壓強變低，水的沸點降低至大概37℃。如果沒有防護措施，體液會在短時間內沸騰，嚴重危害人類的生命安全。這便是阿姆斯特朗極限。

南極麥克默多站附近，圖中彩色雲團為貝母雲，貝母雲多發生在高緯度地區，距離地表15-25千米高度範圍內，高度基本與阿姆斯特朗極限線相近 | 圖片來源@wikimedia commons

想要繼續往上，衝向更高的天空，人類就必須使用火箭、太空梭等更加先進的技術了。

03

衝向太空

85千米，納粹德國的V2火箭第一次成功發射就創下了這個記錄，這是人類歷史上第一個進入太空的飛行器。但人類的智慧，卻在戰爭之中被用來荼毒他人的生命。二戰後，美國及蘇聯沿襲了V2火箭技術，繼續研發各種類型火箭，火箭時代就此開啟。

俄羅斯遠徵52聯盟號火箭發射 | 圖片來源@NASA

1962年7月，美國飛行員羅伯特·懷特（Robert Michael White），駕駛著以火箭為動力的新型飛機X-15衝向天空。

96千米 是此次飛行的最大高度。而這個高度已經到達了中間層。眼前的景象讓他不禁驚嘆：「地球真的是圓的」。

畫面右下為平流層，左上為對流層，中央為奮進號太空梭 | 圖片來源@NASA

除了可以看到明顯的地球輪廓，中間層最具代表性的景象便是流星。

當流星體進入中間層與大氣摩擦，產生大量的熱量，使得大部分的流星在到達地表前就被燃燒殆盡，於是天空中便會發出我們肉眼可見的光芒。

英仙座流星雨，拍攝於河北省石家莊市嶂石巖 | 攝影師@陳煒堅

當然，中間層的這些令人震撼的風景，並非唾手可得，這裡也曾經給人類留下過慘痛的回憶。

2003年2月1日，美國哥倫比亞號太空梭完成任務，準備返回大氣層。當飛機返回至約64千米的高度時，在起飛時被隔熱瓦砸傷的機翼遭到了高溫的破壞，導致了太空梭的解體。

藍色的天空上演了一場悲劇，散落的飛機部件化作了一顆顆「流星」。艙內7名太空人的生命，也永遠定格在了美國東部時間早晨8時59分。

哥倫比亞號殘骸 | 圖片來源@NASA

但慘痛的經歷並沒有讓人類退縮，在火箭、太空梭、宇宙飛船等加持下，人類的飛行高度繼續攀升。

100千米 的高度被認為是地球大氣層與外太空的界線，也被稱為卡門線（Kármán line）。在此線之上，空氣過於稀薄，無法提供足夠的升力，所以飛行器必須依靠自身攜帶的燃料及助燃劑燃燒，以反推力作為新的動力。

315千米，這個高度已經直接穿過中間層，到達更外側的熱成層（電離層）。蘇聯太空人尤裡·加加林（Yuri Gagarin）乘坐東方一號飛船，第一次達到這個高度。因此他成為了第一個進入外太空的人。

1961年，蘇聯太空人尤裡·加加林 | 圖片來源@wikimedia commons

人類絕不會滿足於此，更大膽的冒險也就此展開。

1965年3月18日，蘇聯航天員列昂諾夫（Leonov）藉由一根牽引繩，緩緩走出了上升2號飛船的艙門。這便是人類歷史上的第一次太空行走。

400千米 是當時飛船所在的高度。

列昂諾夫第一次太空行走時的情景 | 視頻來源@蘇聯電視臺直播片段

艙門外的列昂諾夫被眼前的景色所震撼：

「這是一幅宇宙的畫卷，我從中看見了它的宏偉、無垠、壯美和絢麗，深邃的暗夜中耀眼的流星划過，讓我為之神往」。

上文引自1965年列昂諾夫對公眾的演講，圖片為國際空間站所拍攝的景象 | 圖片來源@NASA

此後，越來越多的航天員和太空飛行器，開始到達熱成層。但是，短暫的太空飛行已經無法滿足人類對於高空探索的需求，人類還渴望在太空長期駐留。

自1998年11月15日起，人類開始搭建一座太空堡壘——國際空間站（International Space Station）。

420千米 是這座堡壘的飛行高度。它以大約28000千米的時速，晝夜不息地環繞著地球飛行，代表人類在熱成層凝視、守護著這顆藍色地球。

從國際空間站上拍攝的太平洋 | 圖片來源@NASA

從空間站眺望，映入眼帘的是一些從未得見的風景：顏色變幻的日出與日落、水天一色的燈光與銀河、絢麗奪目的雲層與閃電。還有極光，被無數人追逐的極光，這是屬於熱成層的代表性景觀。

從國際空間站看到的極光 | 圖片來源@NASA

這樣的高度下，河流、山脈、冰川、森林等景物讓「地表人類」無法想像，因為在這裡，人類完全獲得了上帝的視角。

俄羅斯千島群島薩裡切夫火山噴發 | 圖片來源@NASA

人類也曾突發奇想，將一件退役的太空服，從國際空間站拋出，於是一顆獨特的人造衛星就此誕生。

2006年2月3日，由國際空間站「發射」的俄羅斯人造衛星SuitSat -1 | 圖片來源@NASA

人類也發射了巨大的天文望遠鏡——哈勃望遠鏡，星雲、星系、星團、甚至黑洞等各種太空和外太空景觀盡收眼底。

559千米 是這雙太空巨眼的高度。

2011年4月，哈勃望遠鏡拍攝的Arp 273星系 | 圖片來源@NASA

此外，還有許多人造衛星，也都處於這個高度範圍之內，這便是低地球軌道（LEO，Low Earth Orbit）。

2000千米，這是低地球軌道的上限高度。再往上，就是中地球軌道（MEO，Medium Earth Orbit）。我國北鬥衛星導航系統的大部分衛星分布在這裡。它們組成了一個龐大的太空網絡，時刻為地表人類指引方向。

北鬥衛星系統完全體運行示意 | 製圖@鄭伯容/星球研究所

36000千米，這是更遠處的地球同步軌道（GEO，Geostationary Earth Orbit）的高度。

當赤道上空的衛星達到這個高度時，它便與地表保持相對靜止。諸如通信、廣播之類的衛星便可以利用這個特點，可以時刻對準目標區域，全時段向地表傳輸信息。

地球靜止軌道示意 | 製圖@鄭伯容/星球研究所

如今，環繞在地球周圍的在軌工作衛星超過2700多顆，未來還將越來越多。有了它們，我們和太空的聯繫變得更加緊密。由致力於關注環保與科技發展的嘉實基金所冠名的「動力先鋒」號衛星，便是其中之一。

嘉實基金動力先鋒號遙感衛星 | 圖片來源@嘉實基金

這顆遙感衛星由我國自主研發，計劃於明年年初發射升空，並在500千米高的軌道上運行，對全國範圍內的環境變化進行遙感監測，以科技的力量助力環境改善和低碳發展。

而為了讓更多人能夠體驗智能科技帶來的改變，嘉實基金還特別發起了「動力先鋒，全民上星」計劃，無論你身處何方，都可以將你心中的願望、曾經的故事，或是對未來的暢想、對宇宙的渴望，記錄在「動力先鋒」號的存儲器中，和衛星一起衝出卡門線，飛向浩瀚無垠的太空。

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04

星際空間

現在，人類距離真正擺脫地心引力的束縛，還差最後一步。

1968年12月21日，阿波羅8號飛船載著3名太空人，從近地軌道加速到10千米/秒，這是一個可以奔向月球的速度。太空人們在飛行途中拍攝了人類歷史上第一幅地球的完整照片。

380000千米，在經過69個小時後之後，他們到達了月球軌道，人類第一次「擊敗」了地心引力，從此「地表人類」進化為「星際人類」。

在月球軌道區域，物體主要受月球引力影響，但地心引力對太空飛行器及太空人的運動影響依舊存在。圖為1968年，阿波羅8號拍攝的地球 | 圖片來源@NASA

約22700000000千米，這是旅行者一號——目前人類發射的最遠的太空飛行器——與地球的距離。人類對於「高度」的探索，正在突破太陽系。

經典科幻作品《星際迷航》中，曾經有過這樣的臺詞：

「勇敢地航向前人所未至的宇宙洪荒。」

（To boldly go where no one has gone before.）

未來，是星辰大海。未來，是曙光降臨。

地表，再見啦。

- 本 文 創 作 團 隊 -

撰稿 | 河邊的卡西莫多

責編 | 王哈勃

圖片 | 秦南

設計 | 楊寧&鄭伯容

審校 | 雲舞空城

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PS：本文僅為品牌活動特約製作，不作為任何金融產品投資理財建議。

【致謝】本文中相關雲層圖片內容得到了大氣物理學與大氣環境博士生漠北的大力支持，特此感謝。

【參考文獻】

[1] 謝礎，賈玉紅主編. 航空航天技術概論[M]. 北京航空航天大學出版社, 2008.08.

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[8] 中國衛星導航系統管理辦公室. 北鬥衛星導航系統發展報告（4.0版）, 2019.

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