最近的一項研究提出，地球的大氣層延伸到至少 100 個地球半徑，約 630000 千米（km）處，這也意味著月球其實也在大氣層中。
不管你還記不記得地理課本上對大氣層的具體定義，你一定會覺得這個定義簡直不可思議。不過，地球大氣層的定義一向有著諸多爭議。
根據國際航空聯合會（Fédération Aéronautique Internationale）的定義，海拔 100km 高度為卡門線（Kármán line），這是從「航空」過渡到「航天」的界線。當太空飛行器發射後，為了保持飛行狀態，飛船需要持續加速，直至切線方向上的速度達到第一宇宙速度後，太空飛行器便可環繞地球飛行。而飛行器達到第一宇宙速度時，所處的高度差不多就是 100km。
極光就產生在卡門線附近，海拔大約在 90～150 km 之間。圖片來源：Pixabay
然而，關於卡門線高度的爭議卻從未停止。有人統計了從 1951 年到 1962 年間出現的大約 30 種關於卡門線高度的不同意見，邊界高度的定義範圍從海拔 20km 到 400km，其中大部分的值位於 75-100km 之間。哈佛-史密森尼天體物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的天體物理學家 Jonathan McDowell 認為卡門線的高度應該是 80km，在 2018 年發表的一篇論文中，他分析了 43000 顆衛星的超過 9000 萬個點坐標軌道數據，發現有 50 顆衛星可在 80km 的高度繞行地球。McDowell 提出的定義也得到了一些研究人員的支持。
卡門線的定義其實不完全是一個科學問題。在這樣的空間邊界以下，可以說這部分的空域屬於在其下方的國家；而在空間邊界以上，理論上是允許各國衛星自由飛行的。因此，對卡門線的定義多少會受到政治訴求的影響。
天文學家試圖用更加普適的標準來定義地球大氣層，然而地球的大氣層實際上比想像中更複雜，遠遠不是一條線所能界定。
天文學家 Lyman Spitzer 首次提出「散逸層」（exosphere）的概念，他指出，如果不是因為這一層大氣溫度較高，使得較輕的氣體逃逸，那麼地球大氣中的氦氣含量會比現實中要高得多。
這一大氣區域也被稱為地冕（geocorona）。我們都知道日冕，它是太陽大氣的最外層，由很稀薄的完全電離的等離子體所組成，可以分為內冕、中冕和外冕三個層次。而地冕與其相似，它以電中性的氫原子為主要成分，是地球大氣逸散層的一部分。也就說是，在地球的大氣層與外太空交界的區域，有一片「氫原子云」，我們定義為地冕。
日冕。圖片來源：Hinode JAXA/NASA
填充地冕的氫原子來自於地球大氣。大氣中的水和甲烷通過光解離產生氫原子，它們通過擴散作用向遠離地表方向運動；到達逸散層底部時，它們將沿著原運動軌跡向太空發射。根據氫原子的速度不同，這時候可能發生兩種情況：速度大於逃逸速度的氫原子在雙曲線軌道上發射，永遠告別了地球；速度小於逃逸速度的氫原子將返回到逸散層底部。留在地冕中的氫原子也不能無限累積。這些氫原子會通過太陽發出的極紫外輻射發生電離，並與朝地球飛來的太陽風質子進行電荷交換，其「壽命」大約為 20 天左右。
所以，在地冕這個區域，一部分氫原子離開了地球，留下來的氫原子也比較短命；這些因素都限制了地冕的大小，使它無法無限延伸。
要想測量地冕的大小，最直觀的方法是在外太空中用太空飛行器觀測地冕發出的光。在 1972 年的阿波羅 16 號任務中，太空人曾首次拍攝到地冕層的圖像，但那一次是從月球軌道角度進行拍攝的，當時的太空人可能並不知道其實自己並沒有飛出地冕。
阿波羅 16 號上的太空人拍攝的地冕。圖片來源：NASA
這次研究所獲得的地冕數據來自於太陽和太陽風層探測器（Solar and Heliospheric Observatory，SOHO），它由歐洲航天局（ESA）及美國國家航空航天局（NASA）共同研製，繞太陽公轉，並對太陽進行研究。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，精確地測量來自地冕的光線。兩個傳感器不間斷地對地球進行觀測，隨著探測器的移動，大約 20 小時內即可獲得整個天空的圖像。
研究發現，地冕的範圍差不多延伸到63萬千米之外，相當於100個地球半徑；而月球軌道相當於60個地球半徑，也就是說，月球也被包含在地冕之中。
研究人員還發現，由於太陽光壓的影響，地冕的形狀看起來有點像彗星的尾巴。在朝著太陽的一側，地冕層氫原子被陽光「壓縮」，在距離地表 6 萬公裡處每立方釐米大約有 70 個原子；而到月球軌道空間，每立方釐米平均僅有 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。
地冕觀測示意圖（未按比例繪製），圖中地球周圍的淺色區域為地冕。圖片來源：ESA
令人驚訝的是，這項最新研究的數據來自 1996～98 年間。SOHO 於 1995 年發射升空，原計劃使用壽命是 3 年，但它目前已在太空中工作了 20 多年，並且仍在運行。它收集的許多數據還未得到分析，比如這次的日冕數據。
這項研究說明地冕層也是一個紫外線輻射源，但是同太陽輻射源相比，地冕層發出的輻射微乎其微，對普通人或月球軌道的太空人沒什麼影響。不過，處於地冕內部的太空望遠鏡可能需要調整它的基準，以便更精準地進行深空觀測。
當然，研究發現表明，直到今天還沒有一個人類能夠真正離開地球。
本文綜合整理自環球科學
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