从国际空间站拍摄的这张日落照片中可以看到地球大气层的分层结构
在浩瀚的宇宙中，地球大气层就像一层薄薄的纱布，为地表生命提供了关键的保护。然而，当我们仰望星空时，我们不禁会想：大气层的尽头和外太空的起点在哪里？这个看似简单的问题，实际上蕴含着复杂的科学知识。
地球的大气层始于海平面附近的对流层，一直延伸到最外层的外逸层。大气的每一层都有其独特的温度变化、化学成分、密度和内部气体运动特征。这些特征共同决定了大气的层状结构。
然而，当我们试图确定大气层的终点和外层空间的起点时，问题就变得复杂了。
卡门线：外太空的起点
随着我们距离地球表面越来越远，大气的密度逐渐减小，空气的密度逐渐减小，它所能提供的升力也减弱。为了保持飞行状态，飞机必须不断提高速度。
在某一高度，维持飞行所需的速度将等于该高度的轨道速度。高于这个高度，空气动力效应不再有效，太空环境占主导地位，这意味着传统飞机无法产生足够的升力来维持飞行。
正因为如此，这一区域被科学家指定为大气层的尽头和外太空的开始。这条边界被称为卡门线，以匈牙利裔美国工程师和物理学家西奥多·冯·卡门的名字命名。 1957年，卡门成为第一个尝试界定地球与外太空边界的人。
冯·卡门（Von Kármán），匈牙利裔美国物理学家，加州理工学院教授，美国宇航局喷气推进实验室（JPL）创始人。
卡门线是一个粗糙的区域，通常定义为距地球表面约 100 公里的高度，作为大气层和太空之间的边界。事实上，卡门线的实际计算结果并不完全等于100公里，但卡门仍然提出以海拔100公里作为外层空间与地球大气层的边界。
值得注意的是，大气状态时刻在变化，各种参数随时间和地点的变化而变化，因此计算结果并不是固定的。因此，虽然采用100公里的数值，但卡门线并不是一个绝对精确的定义。直到国际航空联合会通过后，卡门线才成为相关领域普遍接受的边界标准。
然而，并非所有组织都接受这个定义。例如，美国空军和NASA将大气层和太空的边界定义为80公里。此外，国际法对此边界也没有明确的定义。
尽管存在这些差异，卡门线在航空航天领域仍然很重要。它标志着航空飞行的高度极限，对于航天器和卫星成功绕地球运行至关重要。在卡门线以上，卫星将能够至少绕地球运行一次，而不会因空气阻力而燃烧或脱轨。
大气层能延伸多远？
据欧洲航天局称，近地轨道卫星的高度通常在1000公里以下，有时低至160公里。然而，这并不意味着1000公里之外就无法探测到地球大气层。
事实上，在人造卫星运行的区域，大气层仍然存在，只是随着距离的增加，大气层的密度和成分逐渐发生变化。地球大气层最外层——地冕（外逸层的发光部分）中的氢原子可以延伸到月球轨道之外。如果我们将外逸层视为大气层的一部分而不是外层空间的一个类别，那么大气层的高度在空中可达约10000公里。
地冕覆盖示意图
如果我们能够穿过卡门线，我们会观察到什么？答案可能会让你失望。因为卡门线并不是一个物理边界，而是基于航空航天领域的一些因素定义的一个相对突变的边界。
因此，我们没有观察到任何特定的变化。然而，随着海拔的升高，大气层变得越来越稀薄，蓝色光晕逐渐消失，只剩下黑色的空间作为背景。
综上所述，地球大气层与外太空的边界是一个复杂而神秘的话题。尽管卡门线被广泛认为是大气和太空之间的边界，但它并不是一个严格精确的定义。随着技术不断进步，人类对宇宙的探索不断深入，我们或许能够更准确地定义这个边界。
参考
编译：文兴
审稿人：刘勇
中国科学院国家空间科学中心研究员、中国航天科普大使
