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如何离开地球？
一直以来，人类并不满足于站在地表。
我们登上高山，极目远望、手摘星辰。
星空，拍摄于西藏阿里地区革吉县 | 摄影师@No One 晓东
我们艳羡飞鸟，翱翔蓝天、俯瞰大地。
燕隼，拍摄于北京 | 摄影师@徐永春
甚至展开想象，幻想飞天的曼妙。
敦煌莫高窟第322窟飞天壁画 | 摄影师@孙志军
但是，想要真正离开地表，冲出地球，就必须战胜一个强大的敌人。
它就是地心引力。
是它，传说中让苹果砸中了牛顿的脑袋，也让试图飞天的古人一次次地摔回地面。
就这样被束缚于地表的我们，真的会甘心吗？
01
离开地表
发明飞机的莱特兄弟（Wright Brothers），不会甘心。1903年12月17日，莱特兄弟的“飞行者一号”飞机进行了首秀。
3米 是这次飞行的最大高度，仅仅相当于一层楼的高度。
莱特兄弟与“飞行者一号”飞机 | 图片来源@美国国会图书馆
火箭工程师罗伯特 · 戈达德（Robert Goddard），也不会甘心。他在1926年放飞了人类第一枚液体火箭。
56米 是这枚火箭飞抵的高度。尽管也不算高，但这次飞行的意义非凡，因为这枚看起来简陋的火箭，可以摆脱空气的束缚获得动力，未来还将释放无限潜能。
罗伯特与第一枚液体火箭 | 图片来源@NASA
其实，早在飞机首飞的120年前，人类就开始尝试摆脱地心引力。不过当时的主角还不是飞机和火箭，而是热气球。
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，成功完成了历史上首次载人飞行。
两人在热气球上俯瞰欢呼的市民，画作印刷于19世纪 | 图片来源@美国国会图书馆
1000米 是热气球首飞的高度。乘坐热气球，那些距离地面2000米以内的层云、层积云等低云族已经触手可及，一些接近地面的云层甚至被揽之脚下。
奥地利山区飞行的热气球 | 图片来源@视觉中国
仅仅过了半年，罗奇尔就用热气球刷新了自己的纪录。
4000米 是这次飞行的高度，超出上次3000米，也超越了欧洲的大部分山峰，而且距离地面2000-6000米的高积云、高层云等中云族历历在目。
贡嘎山周围的高层云，贡嘎山的海拔7556米 | 摄影师@行影不离
但是，载人热气球飞行的高度，大多数仍处于大气层结构的最低层——对流层。继续向上，热气球就相当乏力了。
而对流层的高度还不足整个地球大气层的1/200，其上还有约40千米高的平流层、约30千米高的中间层、约700千米高的热成层，甚至可能高达上千千米的散逸层。
地球大气层结构受到气压、地形、纬度等多方面因素的影响，因此本文所涉及的大气层各个结构的高度均为参考值，下图为地球大气层垂直结构示意 | 制图@杨宁/星球研究所
既然热气球已经无法依赖，人们该如何飞向更高的天空呢？
02
高空翱翔
这个时候，轮到喷气式飞机登场了。
10000米 是人类首架喷气式民航飞机“哈维兰彗星”达到的最高高度。乘客们悠闲地坐在舱内，可以远眺或俯视飞机外的风景。
飞机外的风光 | 摄影师@陈肖
从此以后，人类的足迹超过了世界最高峰——珠穆朗玛峰，这意味着地球上所有的地貌都已被人类踩于脚下。
当然，环绕在人们周围的云朵，已经从低云族和中云族变成了卷云、卷积云、卷层云等高云族。它们分布的高度范围在距离地面6000-12000米。
絮状卷积云，拍摄于宁夏贺兰山 | 摄影师@计云
地球上的绝大部分云族终于能够被曾经囿于地表的人类近距离观赏。
甚至可以看到云朵变成波浪，化成一个个的涟漪，宛如梵高笔下的星空。
波浪云，即开尔文-亥姆霍兹波，是一种比较罕见的大气现象 | 图片来源@视觉中国
那些传说中居于云层之上的诸神，正在失去他们独占的家园，一切“神秘感”都将烟消云散，因为云族已经完全暴露在人类的视野中。
云族的分类示意 | 制图@杨宁/星球研究所
这样的高度，也意味着人类已经突破对流层，进入平流层。
平流层是一个能见度极高的区域。与对流层相比，这里的水汽、悬浮固体颗粒、杂质等大幅减少，飞鸟也基本绝迹。
对流层的平均高度为11千米，热带地区为15-18千米，中纬度10-12千米，两级附近8-9千米。下图为夜间飞行的航班，高度约10千米 | 摄影师@陈肖
在其中约15-35千米的高度，还是臭氧主要分布的区域。虽然臭氧在大气中的含量较少，但却相当重要。它可以吸收太空中的紫外线，保护地球生物免受伤害。
同时，臭氧吸收太阳辐射，使得平流层顶部的温度升高，甚至可以与地面相近。于是便出现了顶部高温、底部低温的“上热下冷”现象，大气的上下对流基本消失，平流层因此得名。
2015年，南极上空的臭氧层空洞 | 图片来源@NASA，标注@星球研究所
如今，现代商业客机的飞行高度一般都在平流层的底部附近。
而飞机的航迹，也会形成一种特殊的云——航迹云。正所谓“你在云层之上看风景，看风景的人也在看你”。
民航客机的航迹云 | 摄影师@杨云国
再往上，一个特殊的高度出现了。
19000米 附近，超过两个珠穆朗玛峰的高度。在这个高度，随着大气压强变低，水的沸点降低至大概37℃。如果没有防护措施，体液会在短时间内沸腾，严重危害人类的生命安全。这便是阿姆斯特朗极限。
南极麦克默多站附近，图中彩色云团为贝母云，贝母云多发生在高纬度地区，距离地表15-25千米高度范围内，高度基本与阿姆斯特朗极限线相近 | 图片来源@wikimedia commons
想要继续往上，冲向更高的天空，人类就必须使用火箭、航天飞机等更加先进的技术了。
03
冲向太空
85千米，纳粹德国的V2火箭第一次成功发射就创下了这个记录，这是人类历史上第一个进入太空的飞行器。但人类的智慧，却在战争之中被用来荼毒他人的生命。二战后，美国及苏联沿袭了V2火箭技术，继续研发各种类型火箭，火箭时代就此开启。
俄罗斯远征52联盟号火箭发射 | 图片来源@NASA
1962年7月，美国飞行员罗伯特·怀特（Robert Michael White），驾驶着以火箭为动力的新型飞机X-15冲向天空。
96千米 是此次飞行的最大高度。而这个高度已经到达了中间层。眼前的景象让他不禁惊叹：“地球真的是圆的”。
画面右下为平流层，左上为对流层，中央为奋进号航天飞机 | 图片来源@NASA
除了可以看到明显的地球轮廓，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大气摩擦，产生大量的热量，使得大部分的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。
英仙座流星雨，拍摄于河北省石家庄市嶂石岩 | 摄影师@陈炜坚
当然，中间层的这些令人震撼的风景，并非唾手可得，这里也曾经给人类留下过惨痛的回忆。
2003年2月1日，美国哥伦比亚号航天飞机完成任务，准备返回大气层。当飞机返回至约64千米的高度时，在起飞时被隔热瓦砸伤的机翼遭到了高温的破坏，导致了航天飞机的解体。
蓝色的天空上演了一场悲剧，散落的飞机部件化作了一颗颗“流星”。舱内7名宇航员的生命，也永远定格在了美国东部时间早晨8时59分。
哥伦比亚号残骸 | 图片来源@NASA
但惨痛的经历并没有让人类退缩，在火箭、航天飞机、宇宙飞船等加持下，人类的飞行高度继续攀升。
100千米 的高度被认为是地球大气层与外太空的界线，也被称为卡门线（Kármán line）。在此线之上，空气过于稀薄，无法提供足够的升力，所以飞行器必须依靠自身携带的燃料及助燃剂燃烧，以反推力作为新的动力。
315千米，这个高度已经直接穿过中间层，到达更外侧的热成层（电离层）。苏联宇航员尤里·加加林（Yuri Gagarin）乘坐东方一号飞船，第一次达到这个高度。因此他成为了第一个进入外太空的人。
1961年，苏联宇航员尤里·加加林 | 图片来源@wikimedia commons
人类绝不会满足于此，更大胆的冒险也就此展开。
1965年3月18日，苏联航天员列昂诺夫（Leonov）借由一根牵引绳，缓缓走出了上升2号飞船的舱门。这便是人类历史上的第一次太空行走。
400千米 是当时飞船所在的高度。
列昂诺夫第一次太空行走时的情景 | 视频来源@苏联电视台直播片段
舱门外的列昂诺夫被眼前的景色所震撼：
“这是一幅宇宙的画卷，我从中看见了它的宏伟、无垠、壮美和绚丽，深邃的暗夜中耀眼的流星划过，让我为之神往”。
上文引自1965年列昂诺夫对公众的演讲，图片为国际空间站所拍摄的景象 | 图片来源@NASA
此后，越来越多的航天员和航天器，开始到达热成层。但是，短暂的太空飞行已经无法满足人类对于高空探索的需求，人类还渴望在太空长期驻留。
自1998年11月15日起，人类开始搭建一座太空堡垒——国际空间站（International Space Station）。
420千米 是这座堡垒的飞行高度。它以大约28000千米的时速，昼夜不息地环绕着地球飞行，代表人类在热成层凝视、守护着这颗蓝色地球。
从国际空间站上拍摄的太平洋 | 图片来源@NASA
从空间站眺望，映入眼帘的是一些从未得见的风景：颜色变幻的日出与日落、水天一色的灯光与银河、绚丽夺目的云层与闪电。还有极光，被无数人追逐的极光，这是属于热成层的代表性景观。
从国际空间站看到的极光 | 图片来源@NASA
这样的高度下，河流、山脉、冰川、森林等景物让“地表人类”无法想像，因为在这里，人类完全获得了上帝的视角。
俄罗斯千岛群岛萨里切夫火山喷发 | 图片来源@NASA
人类也曾突发奇想，将一件退役的太空服，从国际空间站抛出，于是一颗独特的人造卫星就此诞生。
2006年2月3日，由国际空间站“发射”的俄罗斯人造卫星SuitSat -1 | 图片来源@NASA
人类也发射了巨大的天文望远镜——哈勃望远镜，星云、星系、星团、甚至黑洞等各种太空和外太空景观尽收眼底。
559千米 是这双太空巨眼的高度。
2011年4月，哈勃望远镜拍摄的Arp 273星系 | 图片来源@NASA
此外，还有许多人造卫星，也都处于这个高度范围之内，这便是低地球轨道（LEO，Low Earth Orbit）。
2000千米，这是低地球轨道的上限高度。再往上，就是中地球轨道（MEO，Medium Earth Orbit）。我国北斗卫星导航系统的大部分卫星分布在这里。它们组成了一个庞大的太空网络，时刻为地表人类指引方向。
北斗卫星系统完全体运行示意 | 制图@郑伯容/星球研究所
36000千米，这是更远处的地球同步轨道（GEO，Geostationary Earth Orbit）的高度。
当赤道上空的卫星达到这个高度时，它便与地表保持相对静止。诸如通信、广播之类的卫星便可以利用这个特点，可以时刻对准目标区域，全时段向地表传输信息。
地球静止轨道示意 | 制图@郑伯容/星球研究所
如今，环绕在地球周围的在轨工作卫星超过2700多颗，未来还将越来越多。有了它们，我们和太空的联系变得更加紧密。由致力于关注环保与科技发展的嘉实基金所冠名的“动力先锋”号卫星，便是其中之一。
嘉实基金动力先锋号遥感卫星 | 图片来源@嘉实基金
这颗遥感卫星由我国自主研发，计划于明年年初发射升空，并在500千米高的轨道上运行，对全国范围内的环境变化进行遥感监测，以科技的力量助力环境改善和低碳发展。
而为了让更多人能够体验智能科技带来的改变，嘉实基金还特别发起了“动力先锋，全民上星”计划，无论你身处何方，都可以将你心中的愿望、曾经的故事，或是对未来的畅想、对宇宙的渴望，记录在“动力先锋”号的存储器中，和卫星一起冲出卡门线，飞向浩瀚无垠的太空。
04
星际空间
现在，人类距离真正摆脱地心引力的束缚，还差最后一步。
1968年12月21日，阿波罗8号飞船载着3名宇航员，从近地轨道加速到10千米/秒，这是一个可以奔向月球的速度。宇航员们在飞行途中拍摄了人类历史上第一幅地球的完整照片。
380000千米，在经过69个小时后之后，他们到达了月球轨道，人类第一次“击败”了地心引力，从此“地表人类”进化为“星际人类”。
在月球轨道区域，物体主要受月球引力影响，但地心引力对航天器及宇航员的运动影响依旧存在。图为1968年，阿波罗8号拍摄的地球 | 图片来源@NASA
约22700000000千米，这是旅行者一号——目前人类发射的最远的航天器——与地球的距离。人类对于“高度”的探索，正在突破太阳系。
经典科幻作品《星际迷航》中，曾经有过这样的台词：
“勇敢地航向前人所未至的宇宙洪荒。”
（To boldly go where no one has gone before.）
未来，是星辰大海。未来，是曙光降临。
地表，再见啦。
来源：原创 星球研究所
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