人类飞行史的大问题（还原人类飞行史）

文 | 星球研究所

人类自诞生以来

就对自身被局限于地表之上颇为不满

我们爬树、登山，以求居高望远

我们羡慕飞鸟、诸神，可以俯瞰众生

如果我们想要真正脱离地表

就必须击败一个强大的敌人

地心引力

（标准称谓应是“地球引力”，现代物理学认为其源于地球质量对时空的弯曲，下图为示意；图片源自@universetoday.com）

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它是将人类束缚在地表的根本力量

既可以让苹果砸中牛顿的脑袋

（虽然剑桥大学还有这颗苹果树的后裔，不过牛顿因此发现万有引力的故事并不可信）

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也可以轻易将试图飞上天空的古人

重重地摔回地面

（西方航天界认为中国明代官员Wan Hoo曾试图用爆竹将自己送上天空，却不幸被炸身亡，因此月球上的一座环形山被命名为Wan Hoo，不过此事并无中文史料佐证，因此我们不予采信；下图为希腊神话中的伊卡洛斯，他将鸟类羽毛粘到身上来飞翔，却最终摔死，由1906年法国画家Edmund J Sullivan绘制）

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Ⅰ

人类所有的尝试无不以失败告终

直到公元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

成功完成历史上首次载人飞行

人类摆脱地心引力束缚的伟大进程才真正开始

他们在巴黎上空一边俯瞰大地

一边接受市民的阵阵欢呼

（两人在热气球上俯瞰欢呼的市民，画作印刷于19世纪，藏于美国国会图书馆）

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这次飞行共持续25分钟、里程达9公里

飞行高度最高达到

1000米

在这个高度

距离地面2000米以内的

雨层云、层积云等低云族已经触手可及

一些接近地面的层云甚至被览之脚下

（瑞士古斯塔德的低云，摄影师@Bob Martin）

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仅仅半年后

罗奇尔再次用热气球刷新纪录

将高度提升到了约

4000米

欧洲的大部分山峰都已在这个高度之下

距离地面2000米-6000米的

高积云、高层云等中云族历历在目

（一种高积云，一朵一朵飘浮空中；摄影师@Marcin Kocybik）

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又过了大约80年

1862年9月5日

两个英国冒险家同样采用热气球升空

将高度纪录提升到了

11887米

两人对高空中愈发稀薄的氧气没有充足准备

其中一人甚至一度昏死

但是他们却创造了一个新的历史

这个高度比珠峰还要高出3000米

人类首次跃升至地球表面所有固态地貌之上

低云族、中云族统统从脚下流过

距离地面6000米-12000米之间的

卷云、卷积云、卷层云等高云族在高空与人类对望

（2008年非洲上空的直展云，一种特殊的云，云底位于低云族，云顶直达高云族，并向四周展开如平面；图片源自@NASA）

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至此

地球上的绝大部分云族

都可以被曾经囿于地表的人类近距离观赏

那些以云或高山为居所的诸神

正在失去被他们独占的家园

一切“神秘感”都将烟消云散

（云族的分类及对应高度图，注意不同地区不同温度条件下的云族对应高度并非完全如图所示；图片源自@世界气象组织，星球研究所增加中文标注；）

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Ⅱ

云族已经完全暴露在人类的视野

但我们摆脱地心引力束缚的进程还任重道远

云族大部分都处于大气层中最低的一层

对流层

高度占整个地球大气层不足1/200

之上还有约40公里高的平流层

约50公里高的中间层

约500公里高的热成层

以及可能高达上千公里的散逸层

我们今日时常乘坐的民航飞机

一般也只是在对流层顶部或平流层底部飞行

（大致按实际比例制作的地球大气层垂直结构图；图片源自@KrAtul/维基百科，星球研究所修订）

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1931年5月27日

瑞士物理学家Auguste Piccard和同伴

为了测量宇宙射线

将他们的热气球升至

15787米

在简陋的防护装备之下

这次行动显得相当冒险

但冒险却让他们成为率先进入平流层的人类

平流层是一个能见度极高的区域

水汽、悬浮固体颗粒、杂质等比对流层少了太多

飞鸟也已经基本绝迹

（澳门上空，云层之上为平流层，淡淡的新月正在大气层上方升起；图片源自@NASA）

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地球的曲线在太空中也变得清晰可见

（菲律宾以东洋面上方，云层上方为透明的平流层，远处淡蓝色为大气层某一层的边界；图片源自@NASA）

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平流层还有一个重要作用

这里是臭氧分布的主要区域

臭氧吸收从太空来的紫外线

可以保护地球上的生物免受侵袭

同时

因为大量太阳辐射被臭氧吸收

平流层的顶部气温甚至可以与地面相近

高温层在顶部，低温层在底部

上热下冷，大气的上下对流基本消失了

稳定的大气让平流层因此得名

（著名的臭氧层破洞，位于南极洲上方，2006年达到面积最大；图片源自@NASA）

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再往上突破地心引力

人类就必须用到更先进的技术了

20世纪中叶

美国开始试验一种新型飞机

X-15

这是一个高超音速（hypersonic）飞行器

它以火箭为动力

时速超过7000公里

相当于现今民航飞机的10倍速度

（图中大飞机为其母船B-52，下方悬挂的黑色飞机即为X-15；远处为伴飞的T-38教练机；图片源自@圣地亚哥航空航天博物馆）

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1962年7月17日

美国飞行员罗伯特·怀特（Robert Michael White）

驾驶X-15飞升至距离地面

96公里

这个高度位于中间层

眼前的景象让他不禁惊叹

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“The Earth is really round”

“地球真的是圆的”

（下图可以看到下方黑色的地平线更有曲线了；最上方蓝色发光的云彩为北半球上空的极地中气层云，又名“夜光云”，位于中间层，是目前已知最高的云；拍摄于2012年6月13日；源自@NASA）

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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气态粒子相撞

产生大量的热力

使得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

（2011年8月13日国际空间站拍摄到的流星，在中间层划出一道光芒；此处位于中国西部上空；图片源自@NASA）

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Ⅲ

但是罗伯特·怀特和他的X-15

却并非第一个到达中间层的人类和载人飞行器

因为人类历史上最疯狂的太空竞赛开始了

宇宙飞船直接超越飞机

成为人类摆脱地心引力的最大利器

一年前的1961年4月12日

苏联宇航员尤里·加加林乘坐东方一号飞船

直接穿过中间层

到达更外侧的热成层

最远处距离地球表面达

315公里

第一个到达中间层的人

第一个到达热成层的人

第一个进入外太空的人

全由加加林一人包揽

（国际航空联合会将距离地表100公里之外定义为外太空，因此东方一号到达的位置既是热成层也是外太空；1961年被华沙人民热烈欢迎的加加林）

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此后越来越多的人类和载人航天器

开始到达热成层

航天飞机、国际空间站、人造卫星

大部分都位于该层

（2011年奋进号航天飞机穿越大气层的画面，图片源自@NASA）

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被无数人追逐的极光

则是热成层的代表性景观

（2015年在阿拉斯加发射的火箭与极光同时出现，图片源自@NASA/Jamie Adkins）

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在这样的高度

整个大气层的结构都可以被清楚地观察到

（下图为位于热成层轨道的奋进号，左下方为地表，橙色为对流层、白色为平流层、蓝色为中间层、右上方黑色为热成层；图片源自@NASA）

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地球表面的景象更是让“地表人类”无法想像

人类完全获得了上帝的视角

从河流

（俄罗斯的勒拿河三角洲，图片源自@NASA）

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到山脉

（喜马拉雅山脉的假彩色照片，图片源自@NASA）

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从火山

（巴布亚新几内亚的一处火山，图片源自@NASA）

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到冰川

（阿拉斯加的Susitna冰川，图片源自@NASA）

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Ⅳ

现在

人类距离真正摆脱地心引力的束缚

还有最后一步

1968年12月21日

阿波罗8号载着3名宇航员

从近地轨道加速到10公里/秒

这是一个可以脱离地球引力、奔向星际空间的速度

即第二宇宙速度

宇航员们在途中拍摄了

历史上第一幅地球的完整照片

（1968年阿波罗8号拍摄，拍摄点距离地球约3万公里，图片源自@NASA）

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69个小时后

他们到达了38万公里外的月球轨道

人类第一次彻底击败了地心引力

从此地表人类进化为星际人类

地表，再见了

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... The End ...

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