陶世龙:走出认识地球的误区(三)大气圈--地球真

  东汉张衡对天地的结构有过“天如鸡卵,地如卵黄。”的比喻,如果这天取我们头上的青天,即地球的大气圈,倒是很贴切的,不过这个“蛋壳”不是固体的硬壳而是激荡无形,风云多变。但它所起保护作用,却胜于铜墙铁壁。

  在张衡的时代,人们认识不到,只是近百年来,在高空探测的科学和技术建立和发展以后,才逐渐看清,曾被误以为空虚无物的大气圈,竟是地球真正的外壳。

  原定于美国东部时间2月1日上午9点16分(格林尼治时间14点16分)降落在佛罗里达航天中心的美国哥伦比亚号航天飞机,在降落前15分钟左右,飞船与地面控制中心失去联系。当时飞船离地面61.6千米,时速20,000千米。电视图像表明,船体在空中坠落,伴有数道白色烟迹;正常情况下应该只有一道烟迹,这是飞船解体的表现。有碎片坠落在德克萨斯州达拉斯以南160千米处,德克萨斯州的居民听到了巨大的爆炸声。(据三思科学报道)

  美国哥伦比亚号航天飞机失事的原因,虽然还在探究,但很大的可能是覆盖航天飞机表面的隔热瓷片损坏所致。千里之堤溃于蚁穴,这架飞机机体上的两万多块瓷片,有一块损坏,就有可能导致它的毁灭。

  是大气在阻挡航天飞机的冲入,也阻挡着一切来自地外的不速之客,当它们进入到大气圈底部比较稠密的空气中时,闯入物前端的空气体积急遽强烈压缩,温度可陡然升高到几千摄氏度以上。此时航天飞机如失去隔热层的保护,焉能不解体散落;其表面因高热而气化的物质,随闯入物继续前冲,与空气分子撞击发光。

  陨石的坠落,使人们可在夜空中见到它如火球掠过;这次航天飞机的失事,摄像机录下了高速移动的光点。

  宇宙中高速冲向地球的天然固态物体,因受到大气的阻挡,产生高热,减慢了速度,绝大部分在100千米上下的高空,化为气体和微尘,只有极少数到达固体地球的表面(以下简称地面),成为陨石或陨铁,它们的体积已因熔化碎裂而大大缩小,所以,一般不会在地面上造成灾害。

  假使没有大气,地面将像月球上那样,被撞击成百孔千疮,到处是沙砾尘土,一片死寂。

  地球大气圈的质量,约有5,000万亿吨,不到地球总质量的百万分之一,但它所构成的这个紧贴固体地球连续的、封闭的圈层,所占有的空间,远远大于由岩石和金属构成的地球的固体部分。它的密度自然也就很低。全部大气圈的质量的90%集中在高于海面16千米以内的空间里,并且是愈高愈稀薄。80-100千米的高度以下的大气,尽管有稠密稀薄的不同,但都是以氮为主还含有大量氧气的空气。再往上去就大不一样了,自下而上依次变为以氧、氦、氢为主,并且不是以分子状态而是以原子及原子再分裂而产生的粒子状态存在。

  贴近海平面的空气,在常温(15℃)下,除去所含的水和尘埃,其组成物质,如按体积计算,约78%是氮,约21%是氧。其他成分还有多种,但含量均微,象二氧化碳是常可遇到的,仅占0.03%左右。这里的空气的密度为每1立方厘米1.23╳10-3克,即千分之一克多一点。到240千米高空,大气密度只有这个密度的一千万分之一;1600千米高空,更只有它的一千万亿分之一。高层大气稀薄的程度,比人造的真空还要“空”,没有明显的边界,但是,在那里确实还有气体的微粒存在。

  通常我们看到的,构建城墙的材料越是坚固,越能抵抗外来侵袭,所以明王朝不惜毁掉大片森林来烧制特别结实的城砖;铜墙铁壁,固若金汤,成为文人夸张的想象。

  然而,有形的固体材料,再坚固也没有不可摧毁的;举刀断水水更流,液体无形,也就不会破裂;空气也是如此,流动性还更强,那些外来的固态物体,进入到空气所构建的圈层,看起来仿佛在空若无物的空间中快速前进。实际上每前进一步便要消耗掉自身的一分能量,终于成了强弩之末,而大气圈则始终保持自己是一个连续的完整的圈层。

  “天下之至柔,驰骋天下之至坚。”(道德经?四十三章)有形的至坚之物体,遭遇到无形的至柔之大气,只能认输了。但是冲击地球的还有无形的地外来客,无形遇无形,大气圈怎样抵挡呢?

  确实不容易了,幸好这些无形的入侵者主要是太阳辐射,其中大量是人类生存所需的光和热,我们当然欢迎,但也有能伤害人体及其他生命的杀手,紫外线就是大家熟知的一种。亏得空气中的氧分子能将波长短于240纳米的紫外线吸收,同时自身分解成为氧原子;这些氧原子随即又组成新的氧分子,并有约千万分之一是三个氧原子组成的臭氧。臭氧能吸收波长在240-290纳米之间的紫外线,同时自身分解为原子状态和离子状态的氧。这些大气中氧原子和离子以及氧分子,不断分解和重组,使大气圈中臭氧的含量保持大体稳定,使能够到达地面的紫外线为量不多,无害于人了。

  地球大气圈中的臭氧,如果聚集在一起,置于常温常压下,其厚度也不过仅有3毫米,可见其量之微,但从地面到几十千米的高空都有它存在,在高于海平面33-55千米的范围内,含量较多,遂称这里为“臭氧层”,其中不同部位的臭氧含量并不一致,上下的边界也不确定。近年被人们关注的臭氧层出现空洞,实为某个区域的臭氧含量,降低到不足以拦截紫外线到使它不能危害于人的程度。由于地球大气圈中的臭氧在不断地分解和重组,在大家采取措施减少直至消除破坏臭氧层的人类行为后,这种“空洞”可以而且正在补上。

  无形的侵入者还有太阳外层的炽热大气射来的高速带电粒子流,以及来自宇宙空间的,以氢原子核和氦原子核为主的各种高能微观粒子。

  持续稳定地从太阳射出的带电粒子流,被称为太阳风,它吹向地球的速度达到每秒几十万米,而地球上的十二级台风的风速也不过几十米。当太阳表层上出现耀斑即发生爆发时,冲向地球的粒子更多也更猛烈。可以想见,如果这些粒子都扑到地面,可以扫荡一切生命了,但是这样的事件没有发生。原来在地球大气圈的最外层那些粒子也是带电的,它们受地球磁场的控制而在那里快速运动,形成了一个具有磁性的圈层,那些外来的带电粒子碰到它,不是被它俘虏吸收,就是改变方向绕行,地面上安然无恙了。

  看起来空明无物的大气圈,原来是地球的万里长城;这种作用现在可以看得越来越清楚了。但如无科学的进步和探测太空等技术手段的出现,我们只能是茫然无知,现在得到认识也仅仅是开始。

相关阅读