如何离开地球?

一群国家地理控，专注于探索极致世界

本文由 嘉实基金 特约制作

一直以来，人类并不满足于站在地表。
我们登上高山，极目远望、手摘星辰。

星空，拍摄于西藏阿里地区革吉县 | 摄影师@No One 晓东


我们艳羡飞鸟，翱翔蓝天、俯瞰大地。

燕隼，拍摄于北京 | 摄影师@徐永春


甚至展开想象，幻想飞天的曼妙。

敦煌莫高窟第322窟飞天壁画 | 摄影师@孙志军

  

但是，想要真正离开地表，冲出地球，就必须战胜一个强大的敌人。

它就是地心引力。

是它，传说中让苹果砸中了牛顿的脑袋，也让试图飞天的古人一次次地摔回地面。

就这样被束缚于地表的我们，真的会甘心吗？

01
离开地表
发明飞机的莱特兄弟（Wright Brothers），不会甘心。1903年12月17日，莱特兄弟的“飞行者一号”飞机进行了首秀。
3米 是这次飞行的最大高度，仅仅相当于一层楼的高度。

莱特兄弟与“飞行者一号”飞机 | 图片来源@美国国会图书馆


火箭工程师罗伯特 · 戈达德（Robert Goddard），也不会甘心。他在1926年放飞了人类第一枚液体火箭。
56米 是这枚火箭飞抵的高度。尽管也不算高，但这次飞行的意义非凡，因为这枚看起来简陋的火箭，可以摆脱空气的束缚获得动力，未来还将释放无限潜能。

罗伯特与第一枚液体火箭 | 图片来源@NASA


其实，早在飞机首飞的120年前，人类就开始尝试摆脱地心引力。不过当时的主角还不是飞机和火箭，而是热气球。
1783年11月15日，法国科学家罗奇尔（Jean Francois Pilatre De Rozier）和军官安兰蒂斯侯爵（Marquis d'Anlandes）坐上刚刚发明不久的热气球，成功完成了历史上首次载人飞行。

两人在热气球上俯瞰欢呼的市民，画作印刷于19世纪 | 图片来源@美国国会图书馆


1000米 是热气球首飞的高度。乘坐热气球，那些距离地面2000米以内的层云、层积云等低云族已经触手可及，一些接近地面的云层甚至被揽之脚下。

奥地利山区飞行的热气球 | 图片来源@视觉中国


仅仅过了半年，罗奇尔就用热气球刷新了自己的纪录。
4000米 是这次飞行的高度，超出上次3000米，也超越了欧洲的大部分山峰，而且距离地面2000-6000米的高积云、高层云等中云族历历在目。

贡嘎山周围的高层云，贡嘎山的海拔7556米 | 摄影师@行影不离


但是，载人热气球飞行的高度，大多数仍处于大气层结构的最低层——对流层。继续向上，热气球就相当乏力了。
而对流层的高度还不足整个地球大气层的1/200，其上还有约40千米高的平流层、约30千米高的中间层、约700千米高的热成层，甚至可能高达上千千米的散逸层。

地球大气层结构受到气压、地形、纬度等多方面因素的影响，因此本文所涉及的大气层各个结构的高度均为参考值，下图为地球大气层垂直结构示意 | 制图@杨宁/星球研究所


既然热气球已经无法依赖，人们该如何飞向更高的天空呢？

02
高空翱翔
这个时候，轮到喷气式飞机登场了。
10000米 是人类首架喷气式民航飞机“哈维兰彗星”达到的最高高度。乘客们悠闲地坐在舱内，可以远眺或俯视飞机外的风景。

飞机外的风光 | 摄影师@陈肖


从此以后，人类的足迹超过了世界最高峰——珠穆朗玛峰，这意味着地球上所有的地貌都已被人类踩于脚下。

当然，环绕在人们周围的云朵，已经从低云族和中云族变成了卷云、卷积云、卷层云等高云族。它们分布的高度范围在距离地面6000-12000米。

絮状卷积云，拍摄于宁夏贺兰山 | 摄影师@计云


地球上的绝大部分云族终于能够被曾经囿于地表的人类近距离观赏。
甚至可以看到云朵变成波浪，化成一个个的涟漪，宛如梵高笔下的星空。

波浪云，即开尔文-亥姆霍兹波，是一种比较罕见的大气现象 | 图片来源@视觉中国


那些传说中居于云层之上的诸神，正在失去他们独占的家园，一切“神秘感”都将烟消云散，因为云族已经完全暴露在人类的视野中。

云族的分类示意 | 制图@杨宁/星球研究所


这样的高度，也意味着人类已经突破对流层，进入平流层。
平流层是一个能见度极高的区域。与对流层相比，这里的水汽、悬浮固体颗粒、杂质等大幅减少，飞鸟也基本绝迹。

对流层的平均高度为11千米，热带地区为15-18千米，中纬度10-12千米，两级附近8-9千米。下图为夜间飞行的航班，高度约10千米 | 摄影师@陈肖


在其中约15-35千米的高度，还是臭氧主要分布的区域。虽然臭氧在大气中的含量较少，但却相当重要。它可以吸收太空中的紫外线，保护地球生物免受伤害。
同时，臭氧吸收太阳辐射，使得平流层顶部的温度升高，甚至可以与地面相近。于是便出现了顶部高温、底部低温的“上热下冷”现象，大气的上下对流基本消失，平流层因此得名。

2015年，南极上空的臭氧层空洞 | 图片来源@NASA，标注@星球研究所


如今，现代商业客机的飞行高度一般都在平流层的底部附近。
而飞机的航迹，也会形成一种特殊的云——航迹云。正所谓“你在云层之上看风景，看风景的人也在看你”。

民航客机的航迹云 | 摄影师@杨云国


再往上，一个特殊的高度出现了。
19000米 附近，超过两个珠穆朗玛峰的高度。在这个高度，随着大气压强变低，水的沸点降低至大概37℃。如果没有防护措施，体液会在短时间内沸腾，严重危害人类的生命安全。这便是阿姆斯特朗极限。

南极麦克默多站附近，图中彩色云团为贝母云，贝母云多发生在高纬度地区，距离地表15-25千米高度范围内，高度基本与阿姆斯特朗极限线相近 | 图片来源@wikimedia commons


想要继续往上，冲向更高的天空，人类就必须使用火箭、航天飞机等更加先进的技术了。

03
冲向太空
85千米，纳粹德国的V2火箭第一次成功发射就创下了这个记录，这是人类历史上第一个进入太空的飞行器。但人类的智慧，却在战争之中被用来荼毒他人的生命。二战后，美国及苏联沿袭了V2火箭技术，继续研发各种类型火箭，火箭时代就此开启。

俄罗斯远征52联盟号火箭发射 | 图片来源@NASA


1962年7月，美国飞行员罗伯特·怀特（Robert Michael White），驾驶着以火箭为动力的新型飞机X-15冲向天空。
96千米 是此次飞行的最大高度。而这个高度已经到达了中间层。眼前的景象让他不禁惊叹：“地球真的是圆的”。

画面右下为平流层，左上为对流层，中央为奋进号航天飞机 | 图片来源@NASA


除了可以看到明显的地球轮廓，中间层最具代表性的景象便是流星。

当流星体进入中间层与大气摩擦，产生大量的热量，使得大部分的流星在到达地表前就被燃烧殆尽，于是天空中便会发出我们肉眼可见的光芒。

英仙座流星雨，拍摄于河北省石家庄市嶂石岩 | 摄影师@陈炜坚


当然，中间层的这些令人震撼的风景，并非唾手可得，这里也曾经给人类留下过惨痛的回忆。
2003年2月1日，美国哥伦比亚号航天飞机完成任务，准备返回大气层。当飞机返回至约64千米的高度时，在起飞时被隔热瓦砸伤的机翼遭到了高温的破坏，导致了航天飞机的解体。
蓝色的天空上演了一场悲剧，散落的飞机部件化作了一颗颗“流星”。舱内7名宇航员的生命，也永远定格在了美国东部时间早晨8时59分。

哥伦比亚号残骸 | 图片来源@NASA


但惨痛的经历并没有让人类退缩，在火箭、航天飞机、宇宙飞船等加持下，人类的飞行高度继续攀升。
100千米 的高度被认为是地球大气层与外太空的界线，也被称为卡门线（Kármán line）。在此线之上，空气过于稀薄，无法提供足够的升力，所以飞行器必须依靠自身携带的燃料及助燃剂燃烧，以反推力作为新的动力。
315千米，这个高度已经直接穿过中间层，到达更外侧的热成层（电离层）。苏联宇航员尤里·加加林（Yuri Gagarin）乘坐东方一号飞船，第一次达到这个高度。因此他成为了第一个进入外太空的人。

1961年，苏联宇航员尤里·加加林 | 图片来源@wikimedia commons


人类绝不会满足于此，更大胆的冒险也就此展开。
1965年3月18日，苏联航天员列昂诺夫（Leonov）借由一根牵引绳，缓缓走出了上升2号飞船的舱门。这便是人类历史上的第一次太空行走。
400千米 是当时飞船所在的高度。

列昂诺夫第一次太空行走时的情景 | 视频来源@苏联电视台直播片段


舱门外的列昂诺夫被眼前的景色所震撼：
“这是一幅宇宙的画卷，我从中看见了它的宏伟、无垠、壮美和绚丽，深邃的暗夜中耀眼的流星划过，让我为之神往”。

上文引自1965年列昂诺夫对公众的演讲，图片为国际空间站所拍摄的景象 | 图片来源@NASA


此后，越来越多的航天员和航天器，开始到达热成层。但是，短暂的太空飞行已经无法满足人类对于高空探索的需求，人类还渴望在太空长期驻留。
自1998年11月15日起，人类开始搭建一座太空堡垒——国际空间站（International Space Station）。
420千米 是这座堡垒的飞行高度。它以大约28000千米的时速，昼夜不息地环绕着地球飞行，代表人类在热成层凝视、守护着这颗蓝色地球。

从国际空间站上拍摄的太平洋 | 图片来源@NASA


从空间站眺望，映入眼帘的是一些从未得见的风景：颜色变幻的日出与日落、水天一色的灯光与银河、绚丽夺目的云层与闪电。还有极光，被无数人追逐的极光，这是属于热成层的代表性景观。

从国际空间站看到的极光 | 图片来源@NASA


这样的高度下，河流、山脉、冰川、森林等景物让“地表人类”无法想像，因为在这里，人类完全获得了上帝的视角。

俄罗斯千岛群岛萨里切夫火山喷发 | 图片来源@NASA


人类也曾突发奇想，将一件退役的太空服，从国际空间站抛出，于是一颗独特的人造卫星就此诞生。

2006年2月3日，由国际空间站“发射”的俄罗斯人造卫星SuitSat -1 | 图片来源@NASA


人类也发射了巨大的天文望远镜——哈勃望远镜，星云、星系、星团、甚至黑洞等各种太空和外太空景观尽收眼底。
559千米 是这双太空巨眼的高度。

2011年4月，哈勃望远镜拍摄的Arp 273星系 | 图片来源@NASA


此外，还有许多人造卫星，也都处于这个高度范围之内，这便是低地球轨道（LEO，Low Earth Orbit）。
2000千米，这是低地球轨道的上限高度。再往上，就是中地球轨道（MEO，Medium Earth Orbit）。我国北斗卫星导航系统的大部分卫星分布在这里。它们组成了一个庞大的太空网络，时刻为地表人类指引方向。

北斗卫星系统完全体运行示意 | 制图@郑伯容/星球研究所


36000千米，这是更远处的地球同步轨道（GEO，Geostationary Earth Orbit）的高度。
当赤道上空的卫星达到这个高度时，它便与地表保持相对静止。诸如通信、广播之类的卫星便可以利用这个特点，可以时刻对准目标区域，全时段向地表传输信息。

地球静止轨道示意 | 制图@郑伯容/星球研究所


如今，环绕在地球周围的在轨工作卫星超过2700多颗，未来还将越来越多。有了它们，我们和太空的联系变得更加紧密。由致力于关注环保与科技发展的嘉实基金所冠名的“动力先锋”号卫星，便是其中之一。

嘉实基金动力先锋号遥感卫星 | 图片来源@嘉实基金


这颗遥感卫星由我国自主研发，计划于明年年初发射升空，并在500千米高的轨道上运行，对全国范围内的环境变化进行遥感监测，以科技的力量助力环境改善和低碳发展。
而为了让更多人能够体验智能科技带来的改变，嘉实基金还特别发起了“动力先锋，全民上星”计划，无论你身处何方，都可以将你心中的愿望、曾经的故事，或是对未来的畅想、对宇宙的渴望，记录在“动力先锋”号的存储器中，和卫星一起冲出卡门线，飞向浩瀚无垠的太空。
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04
星际空间
现在，人类距离真正摆脱地心引力的束缚，还差最后一步。
1968年12月21日，阿波罗8号飞船载着3名宇航员，从近地轨道加速到10千米/秒，这是一个可以奔向月球的速度。宇航员们在飞行途中拍摄了人类历史上第一幅地球的完整照片。
380000千米，在经过69个小时后之后，他们到达了月球轨道，人类第一次“击败”了地心引力，从此“地表人类”进化为“星际人类”。

在月球轨道区域，物体主要受月球引力影响，但地心引力对航天器及宇航员的运动影响依旧存在。图为1968年，阿波罗8号拍摄的地球 | 图片来源@NASA


约22700000000千米，这是旅行者一号——目前人类发射的最远的航天器——与地球的距离。人类对于“高度”的探索，正在突破太阳系。
经典科幻作品《星际迷航》中，曾经有过这样的台词：
“勇敢地航向前人所未至的宇宙洪荒。”（To boldly go where no one has gone before.）
未来，是星辰大海。未来，是曙光降临。
地表，再见啦。
- 本 文 创 作 团 队 -撰稿 | 河边的卡西莫多责编 | 王哈勃图片 | 秦南设计 | 杨宁&郑伯容审校 | 云舞空城
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PS：本文仅为品牌活动特约制作，不作为任何金融产品投资理财建议。【致谢】本文中相关云层图片内容得到了大气物理学与大气环境博士生漠北的大力支持，特此感谢。
【参考文献】
[1] 谢础，贾玉红主编. 航空航天技术概论[M].  北京航空航天大学出版社, 2008.08.[2] 李成智等编著. 飞行之梦 航空航天发展史概论[M].  北京航空航天大学出版社, 2004.05.[3] 张超，王燕平，王辰编著. 云与大气现象[M].  重庆大学出版社, 2014.08.[4] 唐孝炎，张远航，邵敏主编. 大气环境化学[M].  高等教育出版社, 2006.05.[5] 伍光和等编著. 自然地理学（第四版）[M]. 高等教育出版社, 2008.04.[6]（英）蒂姆·弗尼斯（Tim Furniss）著；陈朴，郭明杉译. 世界航天器史[M]. 中国科学技术出版社, 2016.08.[7] 杨绍琼,姜楠.奇妙的“波浪云”——浅谈开尔文-亥姆霍兹不稳定性现象[J].力学与实践,2014,36(06):802-805.[8] 中国卫星导航系统管理办公室. 北斗卫星导航系统发展报告（4.0版）, 2019.【招聘】星球研究所长期招聘城市地理、人文地理、经济地理、自然地理、天文生物、历史考古、建筑等各领域撰稿人，以及视频编辑、图片编辑等，请在后台回复“招聘”即可查看

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