已经迈向深空的我们,为什么还要研究高空大气?（一）

　出品：新浪科技《科学大家》、墨子沙龙

　　撰文：窦贤康 中国科学院院士，空间物理学家，武汉大学校长

　　2020年是各国航天活动活跃度高涨的一年。太阳系里的探测活动热热闹闹的开展着，我国的航天器也在短短几个月的时间里，先后到访火星和月球，甚至带回了“土特产”。地面上的观测活动也硕果累累，“中国天眼FAST”迎来了服役的第4个年头，迄今发现脉冲星超240颗，产出高水平论文40余篇，不少报道都用“井喷”一次来形容中国天眼的高效率。

　　在不断探索深空的同时，还有一批科学家希望能够填补另一空间研究的空白，即从距离地面10公里至数百公里高度区间内的大气空间，也就是通常所说的“高空大气”。这一区域有什么特别之处？为何很长一段时间内都没能获得长足的研究成果？

　　什么是高空大气？

　　传统意义上的大气科学主要研究对流层顶以下的范围。对流层高度大概在10公里，但赤道地区有些许例外，由于受到的太阳辐射能量比较大，对流活动上升的高度会比 10公里高一点，而极地则由于受到的太阳辐照能量比较小，高度则低一些。这个高度主要是大气科学研究的范围，而从10公里一直到太阳表面的区域则主要是空间物理的领地。我自己的工作，大部分集中在10公里到几百公里这一范围，称之为“高空大气”。

　　通常，我们通过地面上的雷达对高空大气进行探测。雷达发射电磁波，遇到反射物，电磁波被反弹回来，反弹回来的电磁波含有反射物的信息，比如大气的密度、污染物的浓度。如果反射物静止，反弹回来的电磁波的波长是不变的，而如果反弹回来的波长发生变化，我们从中就可以推演出反射物运动的速度。一般，我们通过返回来的能量和多普勒频移，来进行大气里一些要素的密度、成分以及速度的探测。

　　举个简单的例子：雨滴大小是毫米和厘米量级，一般可以通过无线电波来探测雨滴的分布、密度、雨强、雨量。但是，10公里以上高空的大气是非常干净的，而大气中分子的大小大概是 10-9、10-10米量级。这种尺度，用传统的微波雷达是无法探测的。因为微波雷达是毫米和厘米量级，遇到10-9和10-10米尺度的物体，电磁波没有反射。换句话说，我们无法通过反射回来的电磁波来了解这个地区的大气状态。这就是过去中高层大气领域在研究活动中遇到的问题。

　　为什么要探测高空大气？

　　过去我们对高空大气关心的比较少，如果大家去看空间物理的发展历程，会发现很有意思的一点：有两个区域，我们研究的不是太清楚。

　　太阳表面虽然离我们很远，但是在地面或者空中，可以利用X射线等手段对太阳进行各种成像。对太阳的爆发活动，人类科技已经能够进行效果比较好的观测了。现在还有更先进的技术：我们可以在太阳附近放一些探测器，来对太阳活动进行直接观测，包括磁场，能量流动等方面。

　　在近地面，包括雨滴、雨量等方面，也是很容易观测的。但是有两个区域的观测是很难的。第一个是太阳表面到地球附近的广大区域，这容易理解，因为离我们远，所以很难观测。

　　第二个区域就是距离地面几十公里到几百公里的地方。这个高度为什么难以观测呢？高度再高，几百公里甚至上千公里、几千公里、上万公里，都可以通过GPS卫星进行观测。换句话说，只要是卫星能够达到的区域，我们就可以进行直接探测。

　　但是大家或许有所耳闻，卫星的高度不能无限降低，降到100公里高度可以吗？不行。因为那里大气密度足够大，卫星受到的阻力比较大，而卫星又不能携带足够多的能量，所以受到大气阻力的影响，卫星会掉下来的。

　　在几十到两三百公里的高度，探测气球上不去、卫星下不来，所以这个区域就很难探测，这也是中高层大气领域研究相对滞后的一个非常重要的原因。

　　地面附近的风大家能感觉到，非常强烈的风，其速度可达每秒几十米，这时人已经难以承受了。高空大气对于地面上的人来讲是很难直接感知的，但它确是一个流动的大气海洋。由于重力影响，高度越高大气密度就越低，大体上高度每升高16公里，密度就会降低1个量级。而密度越小，对于同样大小的一个驱动，所造成的流动性就越大。高空的风速可达300-600公里/小时。所以说，高空是流动的大气海洋。

　　那为什么现在这个区域的研究变得这么重要？这个区域气球上不去、卫星下不来，如果人类不在这个区域活动，那么对其不了解也就没有什么影响。但近些年开始情况有些不一样了，现在这个区域有各种各样的临近空间飞行器，而且如果飞机以后要增速，也必须进入更高的空间。

　　除了较大的大气阻力，在这个区域，还有很多部分电离的成分，有很多带电粒子。电磁波穿过此区域，会发生各种各样的扰动，这将影响我们的通讯和导航精度，危及临近空间的安全。随着人类空间活动的不断拓展，开始利用这样一个“不高不低”区域以后，将这个区域内的大气研究清楚就越来越有必要，也越来越紧迫。