作者：孫建穎 / 中科院空天信息創新研究院
臨近空間是一片神秘地帶，不僅具有奇特的自然現象，還有很多科研價值。然而傳統的航空航天飛行器卻很少涉足臨近空間高度，這究竟是為什麼呢？臨近空間又有哪些有待探索的科學價值呢？
一、臨近空間在哪裡？
地球表面被大氣層包圍著，這個圈層有1000km的厚度，從近地面以上是對流層、平流層和高層大氣，而1000km以外就是外太空了。臨近空間（也被稱為「近空間」、「空天過渡區」、「亞太空」或「亞軌道」等）一般是指距離地面20km-100km左右的地球空間（美國定義為20km至120km），跨越了對流層、平流層和中間層的高空區域，有著比較特殊而複雜的環境，具有高輻射、低溫、乾燥等特點，也受到電磁輻射的極大影響。
（圖1 大氣圈層分布，圖片來源於網絡）
臨近空間處在一個很「尷尬」的高度範圍，普通航空飛行器的飛行高度通常在20km以下，天基衛星的飛行高度通常在100km以上，而在20km-100km的空域範圍，飛機和衛星難以長時間駐留，可謂「飛機上不去，衛星下不來」。
（圖2 飛行器飛行高度分布，圖片來源於Ohbot）
相較於相鄰大氣圈層，臨近空間的物質構成、能量輸運以及相互作用極其複雜，臨近空間蘊含著豐富的待探測的物理現象和待發現的科學規律，科學認知有待深入。
二、臨近空間有哪些特殊現象？
除了大氣圈層的劃分外，還有電離層的劃分。電離層是地球大氣的一個電離區域，電離層從離地面約50km-60km開始，一直伸展到約1000km高度的地球高層大氣空域，是由太陽電磁輻射、宇宙線和沉降粒子作用於地球高層大氣，使之電離而生成的由電子、離子和中性粒子構成的能量很低的准中性等離子體區域。
（圖3 gif動圖太空上拍攝到的電離層，圖片來源於網絡）
臨近空間與電離層的D層（離地面約60km-90km）、E層（離地面約90km-140km）也有著交集，因此在臨近空間存在著許多特殊的現象。
最典型的如極光，實際上，它是大氣粒子受激發光的現象，就像是靠近南北極地帶上空的彩色光帶。極光的受激激發是臨近空間中高空氣體分子（或原子）自身能級變化的過程。當粒子從高能級變為低能級的時候就會向外輻射電磁波。如果輻射的電磁波是可見光頻率範圍，那麼氣體就發光了。高空分子氣體有很多種類，每種的能級都不相同，因此它們產生的極光也是五顏六色，各不相同。
（圖4 空間站上拍攝的極光，圖片來源於NASA）
氣輝是中高層大氣普遍存在的一種微弱發光現象，一般是由中高層大氣自身的過程激發的。氣輝雖然黯暗，但分布廣闊，因此也是中高層大氣的示蹤物（Tracer，也就是追蹤物或標記物），其分布和變化過程蘊含著中高層大氣多種參數信息。
（圖5 氣輝，圖片來源於網絡）
臨近空間還有一種特殊的雲——珠母雲。珠母雲通常形成於冬季極地(高緯度地區)的平流層，即海拔15km-25km左右的大氣層。在「黃昏」期間，也就是當太陽位於地平線以下1°至6°之間，一天中第一道或最後一道光線從下面照射到這些海拔雲層上時候。這種光被雲中的冰晶折射，這一過程被稱為雲彩彩虹，產生閃爍的彩虹效果。
（圖6 2008年1月20日攝影師F. Prata在挪威南部Leirsund拍攝的一組珠母雲隨時間變化的照片）
紅色精靈（又稱紅閃或精靈閃電），是一種高層大氣中非常壯觀的放電現象，通常發生在雷雨云云層的頂部，距離地面約50-90km。紅色精靈上半部是紅色，底部則漸漸轉變為藍色，寬度約在5km-10km內。紅色精靈的發生機率比較小，隨機性很強，通常呈現出巨大而微弱的閃光，其亮度相當於中等亮度的極光，可持續約十到一百毫秒，如同閃電般轉瞬即逝。
（圖7 2019年8月瑞士攝影師Roger Spinner在義大利北部拍攝到的紅色精靈）
除了紅色精靈，還有藍色噴流，是一種局限在低於40km大氣層中的一種發光現象。通常呈細錐形，從積雨雲頂端出現後以大約每秒100km的速度向上傳播，直到40km-50km的高度開始消散，持續時間約200-300ms。其藍色可能是來自氮氣分子的發射光譜，並且比紅色精靈要亮。
（圖8 2016年，天文攝影愛好者在拍攝英仙座流星雨時記錄下的藍色噴流）
這些特殊的發光現象壯麗絢爛、變幻奪目，也賦予臨近空間一種神秘的色彩。而實際上大多數發光現象的主導者是太陽，科學家們形象地把太陽耀斑（增強電磁輻射）、太陽質子事件（高能帶電粒子流）和日冕物質拋射稱為太陽風暴的三輪衝擊，它們是臨近空間大氣演化的主要驅動源之一，同時也牽引底層大氣發生相應變化。因此，對於這些現象的進一步觀測與分析，以及對太陽物理、空間天氣的相關研究，是臨近空間的科學方向之一。
三、臨近空間還有哪些科學問題？
1. 大氣物質交換
臨近空間大氣圈層的物質交換是一個非常複雜的過程。在青藏高原，存在特殊的「煙囪」效應，就與平流層-對流層間的物質交換過程緊密相關。
（圖9 青藏高原，圖片來源於網絡）
青藏高原處在一個特殊的地形，青藏高原的氣旋受季風影響。科學家認為，從南亞通過季風輸送的水汽、污染物等會進入到這個氣旋，而反氣旋環流的上升運動，將低層大氣中大量物質吹到平流層，形成「煙囪」效應，改變上層大氣的成分，引起了額外的氣候效應，隨後水汽、污染物等就可能會隨著大氣循環到達全球各個角落。
（圖10 青藏高原「煙囪」效應，圖片來源：鴻鵠專項）
而「煙囪」究竟如何輸送？輸送了什麼？輸送了多少？以及其對全球氣候的影響是什麼？這些理論尚待進一步驗證，因此需要通過高空科學氣球、球載探測設備、地基探測設備等共同配合，進行臨近空間的大氣科學研究。
（圖11 中科院鴻鵠先導專項在青海開展的臨近空間大氣原位探測及下投實驗，圖片來源：鴻鵠專項）
2. 臨近空間生物研究
臨近空間也可能存在一些生物群落，包括美國和前蘇聯在內的一些國家曾在20km-77km高度發現了微生物，但他們使用的生物學手段只能探查少量的生物類群。現代分子生物學、基因組學、電子顯微學、單細胞同位素等技術進展，為全面深入研究臨近空間生物圈提供了契機。
（圖12 臨近空間生物圈示意圖，圖片來源：鴻鵠專項）
那麼，臨近空間又對生物有哪些影響呢？科學家們正通過高空科學氣球等飛行器將一些生物（如一些常見的微生物、植物）的樣本帶上臨近空間，開展生物暴露實驗，再將樣本返回地面實驗室進一步研究。臨近空間的生物研究可幫助科學家認識受到臨近空間極端環境影響後，這些生物是如何通過「改變自己」來適應環境的。
（圖13 中科院鴻鵠先導專項在青海開展的臨近空間生物大氣載荷綜合驗證實驗，圖片來源：鴻鵠專項）
（圖14 臨近空間生物暴露裝置，圖片來源：鴻鵠專項）
將臨近空間生物「採下來」，將地球生物「帶上去」，尋找「天外來客」（地外生命），探查地球生命生存的極限、提升對地球生物圈「上邊界」的認識，進而追溯地球生命的起源。
3. 行星觀測
受臭氧層的保護，人類才能夠在地球表面不被紫外線過度傷害。然而對於行星觀測而言，在類地行星大氣的關鍵成分中，其主要的特徵輻射在近紫外波段（200-400 nm），然而這些輻射被距離地表0-30km高度範圍內稠密大氣所吸收，無法在地面展開觀測。科學家們計劃將高空科學氣球升至30km以上，避開臭氧吸收，從而大大提高行星觀測數據的質量。這就需要高空氣球平台具有極高的穩定性和指向精度，這將是前所未有的挑戰。
（圖15 臨近空間行星觀測概念圖，圖片來源：鴻鵠專項）
4. 太陽電池標定
近年來，新型太陽電池有了長足的發展，而太陽電池的應用與太陽電池空間標定技術是密不可分的。在設計空間用太陽電池能源系統時，需要獲得太陽電池在標準陽光下的精確的性能參數，常用的空間標定方法包括衛星標定、火箭標定、飛機標定、高山標定等。
（圖16 高空氣球太陽電池標定成果登上《中國科學》2019年第7期雜誌封面）
利用高空氣球平台在臨近空間對太陽電池進行標定，是對其他標定的補充，尤其是在35km以上的高度，沒有灰塵和水蒸氣，沒有主要的臭氧帶，這裡的太陽光（考慮到矽太陽電池的光譜響應波長為0.35-1.1μm）基本就是外層空間的太陽光，因此35km及以上的高空是標定AM0太陽電池合適的空間。臨近空間太陽電池標定對全面和準確評價空間光譜條件下太陽電池性能具有重要的意義。
（圖17 2018年8月，鴻鵠專項利用高空科學氣球進行太陽電池的臨近空間標定試驗，中國科學院成為全世界第三個能夠獨立進行35km以上太陽電池高空標定的科研機構，圖片來源：鴻鵠專項）
臨近空間環境不僅適合太陽電池的空間定標，也適宜開展空間探測各類新型手段的驗證試驗。
四、結束語
臨近空間是地球空間多圈層的重要組成部分，從科學認知角度看，臨近空間對下與中低層稠密大氣之間存在緊密的相互耦合關係，對上則通過電離層接受太陽活動的驅動，並反過來影響低電離層的形態，對地球大氣的整體認知具有重要學術研究價值。
（圖18 高空氣球搭載高清攝像機遠眺臨近空間，圖片來源：鴻鵠專項）
由中國科學院空天信息創新研究院牽頭的中國科學院A類戰略性先導科技專項「臨近空間科學實驗系統」（鴻鵠專項）於2018年3月啟動，旨在建設我國首個基於多飛行平台的臨近空間科學實驗系統，大幅度提升我國臨近空間開發利用能力，引領國際臨近空間科學研究。
來源：中國科學院北京分院
編輯：Quanta Yuan