天文科普:一張紙從太空飄落,是像流星一樣被燒毀,還是會(huì)落到地表?
發(fā)布時(shí)間:2021-07-21
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這是回答網(wǎng)友類似問題。這個(gè)問題雖然有點(diǎn)意思,但結(jié)果卻會(huì)出乎很多人的預(yù)料。因?yàn)檫@張紙既不能平安的到達(dá)地面,也不太可能燃燒殆盡,而是以另外一種方式消失了。

要精確地回答這個(gè)問題,首先要給這張紙的高度設(shè)定一個(gè)值,也就是這個(gè)“太空”距離地表有多遠(yuǎn)。如果太遠(yuǎn),如在數(shù)十萬千米的地方,這張紙很可能就不會(huì)回到地球了,而是永遠(yuǎn)飄蕩在太空,或者被距離更近的星球所捕獲;如果這個(gè)太空是在國(guó)際空間站的高度,也就是距離地表約400千米的地方,這個(gè)返回過程就有些像回收載人飛船返回艙了。

我們先來了解一下載人飛船的回收

載人飛船返回艙的返回過程是,到達(dá)地球引力圈,剎車減速速被地球引力所捕獲,返回艙與軌道艙、動(dòng)力艙分離,以一定角度進(jìn)入大氣層,然后以自由落地方式下落,速度可達(dá)數(shù)千米每秒。

到達(dá)80~100千米高度時(shí),地球大氣開始變得濃密起來,飛船速度激波與濃密大氣分子碰撞發(fā)生數(shù)千攝氏度高溫,對(duì)飛船防熱涂層進(jìn)行燒蝕,隨后在大氣阻力下,飛船迅速減速,最終每秒200米的均速下落。

到達(dá)距地表約10千米高度時(shí),返回艙的回收著陸系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)開始工作,先后拉出引導(dǎo)傘、減速傘和主傘,經(jīng)過約30秒鐘,飛船先在減速傘作用下,下降速度從200m/s降到80米/s,再經(jīng)主傘減速,飛船速度降到8~10m/s。

當(dāng)飛船降落到距離地面1米時(shí),安裝在艙底的4臺(tái)反沖發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)同時(shí)啟動(dòng),對(duì)地面進(jìn)行反沖,將下降速度減小到1~2m/s,這時(shí),里面的乘員就能安全平穩(wěn)落地了。

這張紙會(huì)像飛船一樣達(dá)到燒蝕高溫嗎?

從上面飛船降落過程可以看到,在400千米左右的太空,空氣非常稀薄,飛船是在接近真空的狀態(tài)下,以自由落體方式下墜。實(shí)驗(yàn)證明,在真空中自由落體速度,不管密度怎樣,也就是不管是輕還是重,一根羽毛還是一個(gè)鐵球,下落速度都是一樣的。

自由落體運(yùn)動(dòng)末端速度計(jì)算公式為v^2=2gh。這里的v表示末端速度,單位m;g為地球重力加速度,取近似值為9.8m/s^2;h為下降高度,我們假定這張紙?jiān)?00km高度開始自由落體,下降到80km高度遇到空氣阻力,這樣自由落體下降了320km。

我們根據(jù)公式可以計(jì)算出這張紙到達(dá)距離地表80km時(shí),真空自由落體下降速度會(huì)達(dá)到2504m/s。這張紙以這個(gè)速度沖進(jìn)大氣層,必然要燒毀得一點(diǎn)渣子都不剩。

但為啥不可能燒毀呢?這是因?yàn)榇髿鈱?00~400km高空,雖然近似于真空,卻并非完全真空,而是越接近地面,空氣密度會(huì)漸漸加大,并不是到了80千米高空就突然濃密起來的。

這樣這張紙的自由落體就與一個(gè)鐵疙瘩似的飛船返回艙完全不一樣了,而是隨著空氣密度的增加,速度漸漸變慢的,這張紙到達(dá)80千米高空時(shí),就已經(jīng)失去勢(shì)能,速度并不快了。

因此,這張紙只會(huì)飄落到濃密的大氣層上,緩緩下降。那么這張紙就會(huì)平安降落到地面嗎?no,它還是會(huì)一點(diǎn)渣子都很難留下,這是因?yàn)椋?/span>

這張紙一路掉落要經(jīng)歷冰與火的考驗(yàn)

首先,先要經(jīng)歷冷熱電離考驗(yàn)

大氣層從地表到高空分為對(duì)流層、平流層、中間層(電離層)、熱層等不同層次,每一個(gè)層次都不是那么好過的。

這張紙?jiān)?00km高空時(shí),處于大氣熱層中間。熱層是距地表85km~800km高空的大氣層,這里空氣稀薄,在300km處已經(jīng)小于地表大氣的千億分之一。但這里吸收了來自太陽的幾乎全部紫外輻射,讓大氣粒子溫度上升到1000~2000K。

由于這里大氣極其稀薄,空氣粒子的高溫影響不了環(huán)境,環(huán)境溫度還是在零下100多攝氏度。但這張紙?jiān)谶@個(gè)地方就不一樣了,在陽光照射下,這張紙吸收了陽光紫外輻射,憑紙的密度足以達(dá)到數(shù)百攝氏度。但那里由于沒有足夠的氧氣助燃,這張紙很難燒起來,因此很可能得以幸存。

隨后,這張紙將飄落到中間層,這個(gè)層次是在距離地面約50km~85km之間,處于平流層之上。在這個(gè)層次以上的大氣開始被電離,一直到熱層,大氣分子幾乎都被電離,生命在這個(gè)區(qū)域如果沒有保護(hù)會(huì)受到嚴(yán)重傷害,但這張紙應(yīng)該無大礙,繼續(xù)忽忽悠悠的往下飄。

接著就進(jìn)入了平流層,距離地面一般在10km以上到50km之間。這個(gè)地方是個(gè)較為穩(wěn)定的地方,空氣沒有對(duì)流,只有橫向平行移動(dòng),飛機(jī)一般在這個(gè)區(qū)域底部飛行。這里幾乎沒有水汽,因此極少天氣變化。

但由于夏冬季陽光最極地的照射不同,大氣在兩極地帶會(huì)形成不同且變換的壓差,由此形成季節(jié)性東西風(fēng)向變化,有時(shí)候風(fēng)速會(huì)達(dá)到50m/s,這可是17級(jí)颶風(fēng)的風(fēng)速。這張紙會(huì)不會(huì)不幸遇到這種颶風(fēng)被撕得粉碎呢?這就要看它的運(yùn)氣了。

然后,再遭受風(fēng)霜雨雪的摧殘

再往下就進(jìn)入我們生活的世界了,這就是大氣層的對(duì)流層。對(duì)流層在距地面8~17km之間,這是因?yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn)導(dǎo)致緯度不同地區(qū)的離心力不一樣,越到極地離心力越小,對(duì)流層就相應(yīng)薄一些,只有約8km厚度;而赤道地區(qū)離心力最大,對(duì)流層就達(dá)到了17km厚度。

這個(gè)區(qū)域是大氣層最濃密的地方,占據(jù)了整個(gè)大氣質(zhì)量的75%和水汽的90%以上,人類感受到的所有天氣變化都是在這個(gè)層次發(fā)生。對(duì)流層空氣對(duì)流強(qiáng)烈,主要是冷暖空氣上下對(duì)流翻滾,高空有各種云層,其中飽含著水滴和冰粒,在大氣上下左右流動(dòng)翻滾下風(fēng)起云涌。

如果這張紙有幸來到了這里,除非遇到晴空萬里,否則一定會(huì)被風(fēng)霜雨雪撕扯浸泡擊打得體無完膚,“骨灰”隨風(fēng)飄落不知所蹤。

這張紙能夠飄落到你的腳下概率有多大呢?就由各位自己去揣度了。本文只不過通過這張紙的飄落,科普一下大氣層和自由落體常識(shí)罷了,歡迎討論,感謝閱讀。


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