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“遲到20年”的發現: 月球竟在地球大氣層中

時間:2021-10-14 09:20|來源:網絡整理|編輯:|點擊:

 
 
“遲到20年”的發現: 月球竟在地球大氣層中  
 

大范圍包裹地球的地冕,阻擋了吹向地球的太陽風,防止遠紫外輻射直接到達地面,保護了地球這顆湛藍星球的水圈和生物圈。換而言之,這種帶有磁場的類地行星的冕,為保護行星表面可能存在的生命環境和生命自身提供了支持。

平勁松 中國科學院國家天文臺研究員

你能想到嗎?也許月球一直在地球的“懷抱”中。

在一項研究中,研究人員分析了1996年至1998年期間在日地第一拉格朗日點3次收集的地球大氣散逸層數據,確認了地冕(地球大氣的最外層)觀測結果:地球的大氣層一直延伸到約63萬千米的高度,相當于100個地球半徑。這就意味著,月球也被包裹在地球的大氣層中。

這一結論顛覆了以往人們對于地冕范圍的認知:此前科學家估計地冕層約有9—10個地球半徑高,月球距地球大氣的最外層32—34萬千米。

2020年以來,針對新一輪太陽活動峰年的到來,該研究團隊還持續監測了太陽風及其對地冕的沖擊作用。

“對大范圍地冕的發現,進一步拓展了人類對行星大氣構成和存在的認知,也拓展了對中心恒星與行星(如太陽與地球)大氣相互作用的認知。”中國科學院國家天文臺研究員平勁松向科技日報記者表示。

超乎想象 地冕高度可達100個地球半徑

地球表面包圍著的大氣被稱為大氣層,從內到外分別為對流層、平流層、中間層、暖層和散逸層。作為散逸層的一部分,地冕位于地球大氣的最外層,一直延伸到行星際空間。

“該研究團隊近年的空間觀測發現,地冕層的高度最遠可以延伸到100個地球半徑,連月亮也不能置身其外。”平勁松指出,這一研究結論的關鍵依據,是美國國家航空航天局(NASA)和歐洲航天局(ESA)聯合研制的太陽和日光層天文臺SOHO,搭載的太陽風各向異性探測器SWAN載荷記錄了太陽風和地冕氫氣的互動數據,發現在距離地表63萬千米的高度,依然存在太陽風與地球等離子體的相互作用。

他介紹道,地冕層主要散射來自太陽的遠紫外線,自身還會發出微弱的紫外光線,但是同太陽輻射相比,地冕層發出的輻射微乎其微。地冕層的形狀看起來有點像飛臨太陽附近的彗星尾巴。

從構成成分上看,地冕層與地球大氣其他層很不一樣。例如,地冕層是以氫、氦原子和離子為主要成分的低密度氣暈,而1000千米高度的地球大氣層,主要由氮、氧、二氧化碳和水等分子,以及離子組成。此外,在地球下部大氣和冕層之間,還存在等離子體層過渡帶。

“大范圍包裹地球的地冕,阻擋了吹向地球的太陽風,防止遠紫外輻射直接到達地面,保護了地球這顆湛藍星球的水圈和生物圈。換而言之,這種帶有磁場的類地行星的冕,為保護行星表面可能存在的生命環境和生命自身提供了支持。”平勁松說。

值得一提的是,對大范圍地冕的發現意義重大,更為行星科學增加了新的研究內容。“這項發現向科學家提出了全新的有待探索的疑問。例如,在行星從星子聚集坍縮成行星進而演化的過程中,星冕從何時產生、如何穩定存在?又如,類地行星的冕和氣體行星的冕,在成分、演化上有何異同?”平勁松說。

與恒星冕迥異 地冕“壽命”僅幾十天

不僅地球有冕層,太陽系中的金星、火星、水星和木星都有自己的行星冕。太陽作為一顆恒星也有自己的恒星冕,即人們熟知的日冕。

行星冕與恒星冕的區別很大。平勁松解釋道,恒星,特別是如太陽這樣年輕的恒星,在其最外層都存在一層比較厚的、很稀薄、密度極低的大氣分層,這就是恒星冕。恒星冕的厚度可達幾百萬千米以上,溫度可達幾百萬攝氏度或更高,能夠完全電離其中的氫、氦原子,形成等離子體。恒星冕中主要是質子、高度電離的離子和高速的自由電子。這些帶電粒子運動速度極快,以致不斷有帶電的粒子掙脫中心恒星的引力束縛射向外圍,形成恒星風。恒星冕中的氣體源源不斷地產生于底部的光球層,維持了恒星冕自身的存在。

“而行星冕中的離子會與恒星風質子進行電荷交換,導致其‘壽命’大約只有幾十天,這也使得行星冕的大小范圍受到限制。”平勁松強調。

由于上述區別,從天文觀測角度,行星冕更難于被觀察到,恒星冕的觀測則更加容易。平勁松稱,恒星冕不僅在光學波段有輻射,在射電波段也存在暴發輻射,因而可以在多個電磁波頻段被人類觀測到。不過,行星冕也并非神秘到不為世人所見,科學家們也曾利用多種探測器,一睹了行星冕的“芳容”。

“屏蔽”紫外波段 地冕加大天文觀測難度

地冕吸收了來自宇宙空間天體的紫外輻射,阻擋了科學家從地面或從行星空間利用電磁波的紫外、特別是中遠紫外波段,去觀測宇宙星辰的機會。

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