再见，“地球人”！

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”，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。

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。“动力先锋”号卫星，便是其中之一。

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。

 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。

【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.

来源：星球研究所