WeChat ID kexueyougushi About Feature 比科学故事更重要的是科学精神 你知道大气层对我们来说有多重要吗？首先，它给我们以温暖。如果没有大气层，整个地球就会成为一个毫无生机的冰冻之球，平均温度会低于零下50℃。然后，大气层吸收或反射来自宇宙的各种射线、带电粒子、紫外线等等。对于抵御宇宙射线来说，大气层相当于一层 4.5 米的混凝土层能达到的效果，没有了这层保护，这些天外来客会像一把把小匕首一样插入我们的血肉之躯，把我们细胞中的 DNA 长链打的四分五裂。大气层对于生命的必要之处实在是太多了，如果没有大气层，就不会有地球上的天气系统，如果没有了大气对水的搬运，那么，内陆就不会有水，也不可能诞生现在的生命。一个没有大气的地球，老天，是不可想象的。 但是，大气层真正令我吃惊之处在于它是如此的稀薄。一般认为，从地表向上延伸 100 公里左右，就是卡门线，它是地球大气层与太空的分界线，当然，在卡门线的上面一直延伸到 1000 公里也都会有极为稀薄的大气分子。从地面上看来，你可能会觉得大气很丰富。但是，你要想啊，地球的半径有6000多公里，如果把地球缩小到只有一个苹果大小的话，那么大气层的厚度不会比苹果皮更厚。从太空中看地球，地球的大气就是紧贴着地球的一层蓝色外壳。 学术界把大气层分为四层：对流层、平流层、中间层和热层（它包含电离层和外逸层）。其中，对流层可以说是最宝贵的，它保存了足以供我们生存的热量和氧气。但当你向上穿越它时，它很快就会变得不适宜生命。在赤道地区，对流层的厚度约17公里，在地球人口最多的温带地区，对流层的厚度不超过10至11公里，到了两极，就只有7公里左右了。就是这么薄薄的一层，却占了整个大气层 80% 的质量，和几乎全部的水分，所有的天气变化也都在这里面。 对流层之上，我们叫平流层。在夏天的时候，我们很容易看到对流层和平流层的分界线。在气象上有一个术语叫雷雨云砧，砧字就是石字旁一个占领的占字，切菜的时候，下面垫的切菜板就叫砧板。典型的雷雨云砧的样子就像是一个大漏斗，云就像是地上长出一朵蘑菇，底端离地面很近，而顶端扩展开来像一块砧板。在扩展开来的地方，就是对流层和平流层的分界处，这一隐形的天花板被称为对流层顶，它是一个叫博尔特（Bort）的法国人在1902年乘气球上升时发现的。对流层顶离我们其实并不远，现代摩天大楼的快速电梯用20分钟就可以把我们送到那里，但我建议你最好别去。因为一旦快速上升而又不保持标准气压的话，你至少也会患上脑水肿和肺水肿，身体组织中的体液会上升到很危险的水平。所以，如果真有这种电梯，当电梯门到达观景平台一打开时，里面的乘客即便不死也只剩一口气了。即便上升的速度是精心调节过的，你也会感到极大的不适。在一万米的高度，气温会降到零下57℃，而且，你还会严重缺氧。 一旦离开对流层，温度又会再次迅速升高到 4℃ 左右。这是由于臭氧层的紫外线吸收作用而产生的（这也是博尔特在1902年那次勇敢的攀升中发现的）。接着到了中间层后，温度又会骤降到零下 90℃。再往上又会到达热层，顾名思义，热层中的温度又会窜升到 1500℃ 以上。不过，我们必须好好理解一下“温度”这个概念，你可能会被这么高的温度吓一跳，实际上人要是暴露在热层中，肯定不是被烫死而是被冻死。因为，从理论上来说，温度实际上是分子活跃程度的一个度量单位。我们的皮肤要感受到热，分子的密度也是个非常重要的指标，关键在于热交换。在海平面附近，空气中的分子是如此的密集，一个分子只需运动极小的一段距离，精确地说大约是百万分之一厘米，就会撞上另外一个分子。数以万亿计的分子互相碰撞着，热量因此得以交换。但是到了热层那样超过 80 公里的高度后，空气变得极端稀薄，任意两个分子间的距离都会拉得很开。在物理学中有一个术语来给这种距离定量，就是自由程，路程的程，也就是一个粒子平均运动多长的距离会撞到另外一个粒子。在热层，分子自由程会迅速地拉大，到了 600公里的高度，分子的自由程可以达到 105 米，这在微观尺度上来看，已经是遥远的不得了的距离。因此，尽管每一个分子都很热，但它们之间发生碰撞的概率却不高，于是热量的传递就变得非常慢了。人的皮肤要是暴露在那里，偶尔会有这么一个分子撞在皮肤上，尽管单个分子的运动速度很快，但人根本感觉不到。 但是，也不能小看外层大气的稀薄空气，航天器依然需要特别谨慎对待，尤其当它们返回地球时。航天器返回时，飞行方向与大气层的夹角被称为再入角，虽然大气层只有薄薄的一层，但再入角一般不能大于 6 度，否则会导致航天器撞上足够多的分子，产生足以烧毁航天器的热。现在的航天器，通过气动外形的设计，可以将热量的 98% 以上都被耗散掉，但是，仅仅这不到 2% 的热量传递给航天器，也能把航天器的表面加热到 2000 摄氏度以上。但是，如果航天器的再入角度太小，它又会像打水漂的石头一样被弹回太空中。 人类是非常不习惯高处的，凡是去过一些高海拔城市的人都知道，只要在海拔几百米以上的高度，你的身体就开始抗议了。即便是那些经验丰富的登山者，受过良好的健身训练，带着氧气瓶，到了高原上也极易生病。表现为头晕、恶心、虚弱、冻伤、体温过低、偏头疼、厌食和许多其他的机能障碍。总之，我们的身体会用 100 种方法提醒主人自己并不是被设计成生活在高海拔地区的。 登山者哈伯勒（Peter Habeler）这么描述珠峰顶上的情况：“即便是在气象良好的条件下，在那种高度下，每走一步都需要极大的意志力。你必须强迫自己往前走，抓住任何能抓的东西。你会始终处于一种像是要死掉了一样的极度疲劳中。”在另一本叫《珠峰另一侧》的书中，英国登山家兼电影制片人迪金森（Matt Dickinson）记录了萨默维尔（Howard Somervell）的一次遭遇，他在1924年随一个英国考察队攀登珠峰时，“突然感到一块发炎的烂肉脱落下来堵住了自己的气管，几乎把自己憋死了。”萨默维尔用尽全身力气拼命咳出了异物，那竟然是“整个喉部粘膜”。 在海拔 7500 米以上，人的身体就会出现极大的痛苦反应，这也被登山者称为死亡地带。其实，只要到了海拔 4500 米以上，人就会变得极为虚弱，甚至有生命危险。并且身体健壮的人不见得抵抗力更强。去过西藏的人大概都有体会，有时候老奶奶反而在这种环境中生龙活虎，而强壮的小伙子们却一个个哼哼唧唧地倒下了，不得不拼命吸氧。我没去过西藏，我是听人说的。去过西藏的听众朋友们可以留言谈谈你的高原反应。 人类能够长期生存的极限海拔高度估计是 5500 米左右，但即便是长期在高海拔地区生活的人也不愿意忍受在那种高度下长时间住着。阿什克罗夫特在《极端条件下的生命》一书中说，在安第斯山脉有海拔 5800 米的硫矿，但矿工们宁愿每天晚上往下走460米，第二天再爬上来，也不愿意长时间在上面住着。生活在高海拔地区的人们经过几千年的进化，会逐渐长出相对普通人大得多的胸腔和肺，并且他们血液中能携带氧气分子的红细胞密度比普通人多三分之一。不过红细胞的数量是有一定上限的，因为红细胞过多会导致血液过于粘稠而流通不畅。并且，即便是最适应高原生活的妇女，在 5500 米以上的高度，也无法为生长中的胎儿供应足够的氧气，所以也就无法足月怀胎。 在18世纪80年代，当人们首次乘坐气球升空时，他们对气温不升反降感到十分惊讶。每升高 1000 米，气温大约下降 6℃。当时的人们觉得从逻辑上来说，离热源越近，应当感觉到更热才对嘛，但事实上却不是。对此的解释是这样：首先，从人的感受能力来说，你其实并没有离太阳更近一些。你想，太阳距离我们 1.5 亿公里之遥，向它靠近个几百米就好比你站在上海，朝着澳大利亚发生的丛林大火的方向走近一步，难道你就想指望就此闻到烟火的气息吗？真正的原因还是在于大气分子的密度分布。阳光提高了分子的动能，使得它们运动的速率和碰撞的频率都提高了，这种相互撞击让你感受到热量。当你在夏天感到背上被太阳晒得暖烘烘时，你其实感觉到的是那些活跃的大气分子。而你爬得越高，大气中的分子也就越少，相互碰撞自然也就越少，所以你感受到的热量也就越少。空气是一种挺会玩把戏的物质。 空气在它们安静的时候，就好像不存在一样。正如海洋科学家托马斯在一个多世纪前所写的，“有时候我们早上醒来时，发现气压计上升了1英寸（2.54cm），那可意味着昨儿晚上多了半吨重的空气悄悄地压在我们的身上啊，但是我们没有经历半点不适，依旧愉快得很。”你之所以感觉不到额外的半吨空气的压力，那是因为我们人体不是个密闭的瓶子，我们内外是连通的，气压是平衡的。 但是，一旦让空气流动起来，形成一阵强风，或者像夏天台风过境，就会立即提醒你空气其实具有相当大的质量。地球上所有的空气总质量约为 5200 万亿吨，每平方公里拥有 900 多万吨空气，实在是不小的一个数量。一场台风，其实就是数以百万吨计的大气裹挟着数以亿吨计的水，以 50 到 60 公里的时速运动，有时候我们会经常在新闻中看到，说一场台风释放的能量相当于多少颗原子弹的爆炸能量，但是说法很不一致，又说几百颗的，也有说几百万颗的。那么我今天给大家一个比较靠谱的数据，经过多方的查证，一场典型飓风，飓风和台风只是因为生成的海域不同，不同的国家起的名称不一样，实质上一样的，飓风平均一天能释放出的能量大约是在10的19次方焦耳的数量级，而广岛原子弹释放的能量比较好查，大约是10的13次方焦耳的数量级，相差6个数量级，所以，结论就是，一场典型台风或者飓风平均每天释放的能量相当于几十万到上百万颗广岛原子弹爆炸释放的能量，相当惊人，飓风一般会持续几天到十几天不等，有记录以来最长的是 1994 年的约翰飓风，持续了 31 天，太夸张，相当于爆了上千万颗原子弹，我得老天。那么，你看到台风过境的时候，大树被连根拔起，屋顶被掀翻恐怕也就一点不奇怪了吧。一次典型的气象锋面，就可能会由 10 亿吨的热空气加上压在下面的 7.5 亿吨冷空气组成。想想也是一件非常壮观的事情。 我们头顶的天空从来就不缺少能量。据计算，在一片雷雨云中所蕴含的能量相当于全美四天的用电量。在适当的条件下，雷雨云能上升到10至15公里的高空，其中包含的上升和下降气流甚至能达到 150 公里的时速。而且这些升降气流常常并排出现，这就是为什么飞行员都不愿穿越雷雨云的原因。在雷雨云混乱的内部，组成云团的微粒会获得电荷。由于一些尚未完全明确的原因，较轻的微粒趋向于带正电，并被气流带到云层顶部。积聚在下部的较重粒子则会积累负电荷。这些带负电的粒子有一种冲向带正电大地的强烈趋向，这就形成了闪电，一次闪电能以大约每秒钟 100 到 1400 公里的速度划破天际，把周围的空气加热到 27000℃ 左右，相当少太阳表面的温度的四倍，我查下来，这居然还是美国中学地理考试题库中的一道考题，想来是靠谱的，连我自己也吃了一惊。这种高温足以把任何东西瞬间汽化。在全球范围内，每时每刻都有超过 1800 场雷雨在发生，一天超过 40000 场。不论白天黑夜，每一秒钟大约有 100 次闪电击中地面。我们的天空真是一个充满活力的地方。 我们对天上发生的这些事情大多数都是最近才了解的，这一点挺令人惊讶的。在 9000 米到 10000 米的高空中，有时会发生急流现象，这种空气的急速运动能达到 300 公里/小时，对整个大陆的天气系统都有很大的影响。但这种现象直到二战期间才被飞行员发现，人们之前从未想到过。即便是现在，依然有许多大气现象我们知之甚少。我给你讲一个发生在 50 多年前的悲剧。 1966年3月5日，日本羽田国际机场，一架波音 707 客机平稳地飞离了地面。这架飞机隶属于英国海外航空，航班号居然叫 911 号，喜欢玄学的朋友你又多了一个素材了。飞机起飞后不久，机长就很高兴地通知乘客，因为天气原因，空管局更改了本次航班的航路，我们将从富士山上空飞过，希望各位乘客不要错过从高空俯瞰富士山的美景。机舱中传来了几声欢呼，要知道那时候坐飞机还是件稀罕的事情，能在高空观看富士山，这对机上的 124 名乘客加机组人员来说，都是一次难得的机遇。 几分钟后，飞机就爬升到了 5000 米的高空，天空一片晴朗，美丽的富士山出现在了乘客的眼中，靠近过道的乘客纷纷把脖子伸向舷窗的方向。就在此时，飞机突然剧烈地颠簸了起来，这种颠簸的剧烈程度是有着 6 年驾龄，经验丰富的机长也从未遇到过的。坐在机尾的乘客透过舷窗，惊恐地看到，飞机尾舵在猛烈地摇晃中居然咔的一声断裂了，而且迅速地砸向了飞机左侧的升降舵上，把升降舵也瞬间砸断，两个重要的舵这就这么同时脱离了机身，瞬间消失在视野中。接着，更可怕的事情发生了，挂在机翼下面的四个引擎也在剧烈的摇晃中一个接一个地脱落，此时的飞机就像一只边飞一边掉羽毛的大鸟，完全失去了控制，左摇右摆地朝地面栽下去，最终坠毁在地面，124 名机上人员全部遇难，无一幸免。 这架飞机到底遇到了什么？为什么在如此晴朗的空中，居然会解体呢？这就是航空业的梦魇——晴空湍流。虽然，现在飞机的机身强度已经不大可能被湍流弄的解体，但晴空湍流导致的飞行事故依然时有发生，最近的一次报道就是2015年8月11日，一架海南航空由成都飞往北京的航班，在下降到 4200 米高度时，遭遇强烈的晴空湍流，据机上乘客回忆，有的乘客没有系安全带就被直接弹到天花板上，把天花板都砸烂了，这次事故一共造成 30 人不同程度地受伤。根据国际航空运输协会的统计，在非致命的飞行事故中，晴空湍流是造成旅客和机组人员受伤的最大原因。 大气中的空气运动过程与地幔的运动过程其实是一样的，这种过程就是“对流”。温暖湿润的空气从赤道地区升起，到达对流层顶时扩散开来，离开赤道上空后就会逐渐冷却，开始下沉。沉到对流层底部后，一部分空气会试图填充到低压区域，这就使它们掉头返回赤道，完成一个循环。 在赤道地区，由于对流过程较为稳定，所以天气以晴朗为主。但是到了温带，天气随季节变化很大，地区差异明显，还带有随机性。这都是高气压系统与低气压系统之间无尽的斗争引发的结果。低气压系统是由上升气流生成的，把大量的水分子带到空中，形成云，最后又变成雨。暖空气可以比冷空气携带更多的水汽，这也是为什么热带地区与夏季的暴雨最多的原因。这也解释了为什么低处多雨，多云，而高处则总是阳光普照，天气晴好。当冷暖空气交锋时，往往可以从云的形状中看出来。例如，当携带水汽的上升气流无法突破上头一层较稳定的空气时，就会在顶端扩展出来，就像烟遇到了天花板一样。这时就形成了“层云”，那种弄得天空阴沉沉的、毫无特点又令人讨厌的云层。实际上，如果你在一间无风的屋子中仔细观察从香烟中袅袅上升的烟雾，你就能对云的运作机制形成很好的概念。一开始，烟雾会笔直上升（如果你想在人前卖弄一下的话，你可以称它为“层流”），接着，烟雾会扩散开形成波纹状的层次结构。世界上运行最快的超级计算机，也无法精确地预测这些涟漪般的烟雾变化，用专业术语来说，就是形成了湍流，这是经典物理学中最后一个尚未攻克的堡垒。所以，你可以想象一下，当气象学家要在我们这个经常刮风又不停自转的地球上，预报类似的气象运动，该面对多么巨大的困难啊。 咱们本期节目先讲到这里，你可能奇怪，不是讲生命吗，怎么这期节目全在谈大气。我想说这是非常必要的，因为要让你真正理解生命的奇迹，就必须要对地球的环境做一番深入地理解，生命与环境是息息相关的，而要充分了解地球的环境，那么就必须要先了解大气和海洋，所以咱们下期节目还要继续讲大气和海洋，千万别着急，生命的壮丽诗篇需要一个宏大的序曲。 更多： 揭晓 | 2017 科学有故事最受关注 10 篇公号文章 视频 | NASA 的 2017 年度成果盘点 听众问答 | 进化论是科学理论吗？ 中国公民防骗自测题，看看你能答对几题？ 长按识别二维码，收听更多 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