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地球的大氣層

我們盼望著像鳥兒一樣翱翔,在起飛愿望的驅(qū)使下,人類在古老的故事中飛上了天空。在許多文化的古代傳說和神話中,人類飛行的故事層出不窮。亞歷山大大帝經(jīng)常被描繪成乘坐長著翅膀的戰(zhàn)車,由四只神話中的獅鷲(獅身鷹翼鷹首獸)拉著騰空而起。考伊琴原住民的傳說講述了這樣的故事:兩個男孩對著獨木舟唱歌,讓獨木舟從建造它的山頂飛過他們的村莊,飛向大海。古梵文史詩《羅摩衍那》和其他古印度典籍都描述了飛行的“維摩那”(vimana),即眾神的自動戰(zhàn)車。

最著名的人類飛行故事之一,是希臘神話中代達(dá)羅斯和他的兒子伊卡洛斯的故事。如果有人告誡過你不要飛得離太陽太近,他們就是在回顧這個古老的傳說,警告你不要受到過度冒險和刺激的誘惑。

為了逃離克里特島,工匠兼飛行員代達(dá)羅斯用蠟封粘的羽毛制作了兩副翅膀:一副給自己,另一副給伊卡洛斯。他叮囑兒子飛行時既不要太靠近大海,以免打濕羽毛,也不要太靠近太陽,以免高溫熔化蠟。但是,年少叛逆的伊卡洛斯向著太陽越飛越高,直到翅膀上的蠟熔化,他墜入了無情的愛琴海中死去。這個警世故事比我們理解熱力學(xué)、空氣動力學(xué)和大氣物理學(xué)的年代早了兩千年,所以我們可以原諒故事中的不準(zhǔn)確之處。伊卡洛斯肯定會死,但死因不是太陽的熱量。

我們現(xiàn)在知道,伊卡洛斯和講述這個故事的古希臘人并不知道,地球的大氣層分為五層:對流層是所有動植物賴以生存和呼吸的地方,聚集了地球上四分之三的空氣分子和99%的水蒸氣。幾乎所有的天氣都出現(xiàn)在這一密度最大的層——根據(jù)緯度和季節(jié)的不同,對流層距離地球表面4~12英里[1]。由于地球的溫度不斷攀升,對流層的高度每十年會上升近200英尺[2]。在對流層的底部,即海平面,如今全球平均氣溫盤旋在59華氏度[3]左右。在對流層頂與平流層的交匯處,平均氣溫降至零下70華氏度,甚至更冷。

但是如果陽光在到達(dá)地球之前必須首先穿過大氣層,而且如果通過向上飛行,你離太陽越來越近,那么對流層頂部區(qū)域不應(yīng)該像伊卡洛斯這個故事的作者推測的那樣,比海平面更暖和嗎?任何到過高海拔地區(qū)的人都可以回答這個問題。事實上,他們的經(jīng)驗表明可能情況恰恰相反。登山者們知道,根據(jù)計算,每上升1 000英尺,平均氣溫下降約3.5華氏度。在珠穆朗瑪峰基地營,春季白天的平均氣溫為60華氏度,夏爾巴人和登山者如果能活著到達(dá)頂峰,身邊的氣溫會下降到零下20華氏度左右。事實證明,地球表面的溫度波動與地球和太陽的距離完全無關(guān),溫度變化一定另有原因。

《伊卡洛斯的墜落》(1606—1607),卡洛·薩拉切尼(Carlo Saraceni)繪

我們先來看看伊卡洛斯離太陽有多近。我們假設(shè)他上升了10英里,這已經(jīng)比任何飛機(jī)飛得都高了。太陽距離地球9 300萬英里,那么伊卡洛斯飛得離太陽近了0.00001%。這么一點距離還不足以解釋故事情節(jié)。

至于空氣溫度本身,我們必須首先掌握光和熱之間的聯(lián)系。我們的太陽發(fā)出電磁波譜中各種波長的光,為地球上幾乎所有的生命提供能量。從長波長的柔和的無線電波到短波長的強(qiáng)烈的伽馬射線,光譜是無窮無盡的。在長波和短波之間有一個狹窄的波段,我們稱之為可見光,這是人眼能感知到的光譜的唯一部分。太陽等恒星散發(fā)出的近一半能量是可見光,一小部分是紫外線(UV,波長稍短),其余大部分是紅外線(IR,波長稍長),我們感受到的是熱。因此,地球上大多數(shù)動物進(jìn)化出了能夠感知無邊界的電磁波譜中這些特定部分的復(fù)雜器官,這絕非巧合。

根據(jù)地球居民的進(jìn)化過程,我們可以推測,環(huán)繞著不同類型恒星的另一顆行星上的外星人,也會發(fā)展出針對這種光組合的精密感知器官。環(huán)繞又冷又小的紅矮星(銀河系中最常見的恒星類型)的行星上的外星人,可能會看到他們的世界充斥著紅外線,而難以感知高頻的藍(lán)色。

溫度只是分子振動的一種度量,而所有分子都會振動。(在我們繼續(xù)宇宙之旅的過程中,這是一個重要的事實。)任何溫度高于絕對零度的物體,即宇宙萬物,包括寒冷的冰山和最黑暗、最深邃的太空中的物質(zhì),都會釋放電磁能。在較高溫度下,發(fā)射的電磁能組合偏向于波長較短的光。溫度越低,波長越長。太陽的平均表面溫度約為10 000華氏度,在可見光頻率上達(dá)到峰值,其他溫度相近的物體也是如此。與此同時,地球上幾乎所有的東西,包括我們98.6華氏度的身體和地球表面本身,都主要輻射波長較長(且不可見)的紅外頻率。這就是為什么晚上的篝火即使不再明顯發(fā)光,第二天仍然會有余溫。隨著曾經(jīng)燒得通紅的煤塊逐漸冷卻,它發(fā)出的光的峰值頻率會向下移動到更長的波長,并最終離開可見光譜。在你吃飽喝足后的很長一段時間里,這塊煤炭依然暖烘烘的,充滿了紅外能量。

你是否注意到,正午的太陽處于最高點,但此時并不是一天中最熱的時候,最熱的時候出現(xiàn)在正午過后幾個小時。我們在篝火中感受到但看不到的紅外線,正是夏日午后悶熱的原因。大氣層會吸收太陽發(fā)出的部分紅外光,并將其余的紅外光傳輸?shù)降厍虮砻妗5翘柟庾钊菀状┩缚諝獾哪芰縼碜钥梢姽猓梢院涟l(fā)無損地穿透我們的大氣層。我們的大氣層對可見光是透明的,這一簡單而深刻的事實讓我們能夠看到太陽、月亮和星座。

少量波長較短的紫外線也能穿透大氣層和云層,這就是為什么黑色素缺乏的人即使在陰沉的日子里也要涂抹防曬霜,以避免曬傷和最終患上皮膚癌。當(dāng)我們把臉轉(zhuǎn)向太陽時,可見光和紫外線會與我們皮膚中的分子發(fā)生碰撞,激發(fā)其中的電子,將運動轉(zhuǎn)化為熱量,并將熱量以紅外輻射的形式散發(fā)出去。同樣,地球表面的分子一旦吸收了各種波長的輻射,就會轉(zhuǎn)化為紅外線,并從地面重新發(fā)射出去。然后,紅外能量通過大氣層向上輻射,使吸收紅外線的空氣變暖。七月的一天之所以感覺炎熱,不是因為太陽從上面加熱了空氣,而是因為地面從下面加熱了空氣。因此,對流層最熱的部分位于地球表面。

地球發(fā)射的大部分紅外線在返回太空的過程中,會與大氣層中特定的分子發(fā)生碰撞,并被這些分子吸收。吸收能量后,這些分子會向各個方向重新發(fā)射能量,包括返回地球,在地球上被重新吸收和發(fā)射。我們把這種持續(xù)往復(fù)的循環(huán)稱為溫室效應(yīng)。在更小的范圍內(nèi),這種效應(yīng)與發(fā)生在真正的溫室和所有車窗緊閉的汽車內(nèi)是一樣的。可見光穿透透明玻璃,在內(nèi)部轉(zhuǎn)化為紅外線,然后紅外線被允許可見光穿透的窗戶阻擋而無法逃逸。這樣,室內(nèi)空氣的溫度就會大大高于外部空氣的溫度,從而創(chuàng)造出一種封閉的小氣候,讓熱帶花卉感到舒適,而對于無人看管的寵物和兒童來說,這卻是致命的。除非有車載木槿花或無花果的習(xí)慣,否則即使在陽光微弱的日子里,也最好把車窗打開。

事實上,地球上的生命受益于溫和的溫室效應(yīng)。如果沒有溫室效應(yīng),地球的平均氣溫將保持在冰點以下,地球表面將變成冰雪凍原,不會出現(xiàn)我們所知的生命。幸運的是,我們的大氣層通過氣流在很大程度上穩(wěn)定了晝夜溫差。而在沒有大氣層的月球上,其表面溫度波動很大,從白天炙熱的250華氏度到夜晚寒冷的零下200華氏度。

那么,可憐的伊卡洛斯究竟會怎樣呢?他的第一個愚蠢之處在于不了解空氣動力學(xué):他根本不可能升空逃離克里特島。我們可以從小天使和禿鷹身上得到啟示。它們都有翅膀,重量也差不多。但是,禿鷹真的會飛,而且不需要文藝復(fù)興時期的畫家的幫助。因此,小天使如若要飛,就需要像禿鷹那樣的10英尺的翼展。如果按比例放大到一個成年人的體重,那么伊卡洛斯就需要大十倍的翅膀,以及需要合適的胸肌來扇動翅膀。因此,如果伊卡洛斯想飛,他就會摔個四腳朝天。

撇開這一點不談,如果伊卡洛斯真的朝太陽飛去,他的身體和翅膀非但不會熔化,反而會在上升的過程中凍結(jié),從而注定也會摔個粉身碎骨。1920年,著名的天體物理學(xué)家阿瑟·愛丁頓爵士對這一傳說做出了更為寬容的解釋:“也許伊卡洛斯還是有些可取之處的……我更愿意認(rèn)為是他揭示了當(dāng)時飛行器在結(jié)構(gòu)上的缺陷。”

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