一張紙從太空飄落,是像流星一樣被燒毀,還是會落到地…


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一張紙從太空飄落,是像流星一樣被燒毀,還是會落到地表?

這是回答網友類似問題。這個問題雖然有點意思,但結果卻會出乎很多人的預料。因為這張紙既不能平安的到達地面,也不太可能燃燒殆盡,而是以另外一種方式消失了。

要精確地回答這個問題,首先要給這張紙的高度設定一個值,也就是這個“太空”距離地表有多遠。如果太遠,如在數十萬千米的地方,這張紙很可能就不會回到地球了,而是永遠飄蕩在太空,或者被距離更近的星球所捕獲;如果這個太空是在國際空間站的高度,也就是距離地表約400千米的地方,這個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、動力艙分離,以一定角度進入大氣層,然後以自由落地方式下落,速度可達數千米每秒。

到達80~100千米高度時,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生數千攝氏度高溫,對飛船防熱塗層進行燒蝕,隨後在大氣阻力下,飛船迅速減速,最終每秒200米的均速下落。

到達距地表約10千米高度時,返回艙的回收著陸系統自動啟動開始工作,先後拉出引導傘、減速傘和主傘,經過約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,再經主傘減速,飛船速度降到8~10m/s。

當飛船降落到距離地面1米時,安裝在艙底的4台反沖發動機會同時啟動,對地面進行反沖,將下降速度減小到1~2m/s,這時,裡面的乘員就能安全平穩落地了。

  • 這張紙會像飛船一樣達到燒蝕高溫嗎?

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下,以自由落體方式下墜。實驗證明,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,一根羽毛還是一個鐵球,下落速度都是一樣的。

自由落體運動末端速度計算公式為v^2=2gh。這裡的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,我們假定這張紙在400km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。

我們根據公式可以計算出這張紙到達距離地表80km時,真空自由落體下降速度會達到2504m/s。這張紙以這個速度衝進大氣層,必然要燒毀得一點渣子都不剩。

但為啥不可能燒毀呢?這是因為大氣層100~400km高空,雖然近似於真空,卻並非完全真空,而是越接近地面,空氣密度會漸漸加大,並不是到了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80千米高空時,就已經失去勢能,速度並不快了。

因此,這張紙只會飄落到濃密的大氣層上,緩緩下降。那麼這張紙就會平安降落到地面嗎? no,它還是會一點渣子都很難留下,這是因為:

  • 這張紙一路掉落要經歷冰與火的考驗

首先,先要經歷冷熱電離考驗

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

這張紙在400km高空時,處於大氣熱層中間。熱層是距地表85km~800km高空的大氣層,這裡空氣稀薄,在300km處已經小於地表大氣的千億分之一。但這裡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。

由於這里大氣極其稀薄,空氣粒子的高溫影響不了環境,環境溫度還是在零下100多攝氏度。但這張紙在這個地方就不一樣了,在陽光照射下,這張紙吸收了陽光紫外輻射,憑紙的密度足以達到數百攝氏度。但那裡由於沒有足夠的氧氣助燃,這張紙很難燒起來,因此很可能得以倖存。

隨後,這張紙將飄落到中間層,這個層次是在距離地面約50km~85km之間,處於平流層之上。在這個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,生命在這個區域如果沒有保護會受到嚴重傷害,但這張紙應該無大礙,繼續忽忽悠悠的往下飄。

接著就進入了平流層,距離地面一般在10km以上到50km之間。這個地方是個較為穩定的地方,空氣沒有對流,只有橫向平行移動,飛機一般在這個區域底部飛行。這裡幾乎沒有水汽,因此極少天氣變化。

但由於夏冬季陽光最極地的照射不同,大氣在兩極地帶會形成不同且變換的壓差,由此形成季節性東西風向變化,有時候風速會達到50m/s,這可是17級颶風的風速。這張紙會不會不幸遇到這種颶風被撕得粉碎呢?這就要看它的運氣了。

然後,再遭受風霜雨雪的摧殘

再往下就進入我們生活的世界了,這就是大氣層的對流層。對流層在距地面8~17km之間,這是因為地球自轉導致緯度不同地區的離心力不一樣,越到極地離心力越小,對流層就相應薄一些,只有約8km厚度;而赤道地區離心力最大,對流層就達到了17km厚度。

這個區域是大氣層最濃密的地方,佔據了整個大氣質量的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層次發生。對流層空氣對流強烈,主要是冷暖空氣上下對流翻滾,高空有各種雲層,其中飽含著水滴和冰粒,在大氣上下左右流動翻滾下風起雲湧。

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

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罷了,歡迎討論,感謝閱讀。如喜歡別忘了關注和點贊,再次感謝。

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