太空迴歸,我花了兩天時間,才發現一張紙的飄落竟然是這樣的. . .

這似乎是一個很容易回答的問題,我原計劃用一個小時的時間解答它。但是當我真正開始動手寫這篇文章時,卻發現它並不簡單,知道嗎?為了講清楚這張紙的太空迴歸之旅我足足花了兩天時間。

太空迴歸,我花了兩天時間,才發現一張紙的飄落竟然是這樣的. . .

飄落的紙

A4紙的飄落

你手頭有A4紙嗎?沒錯,就是我們最常見的那種影印紙。找一張平整的紙,站起舉高再鬆手,你會看到它翩然下落,紙落到地面時很輕,只會發出很小的摩擦聲音。

我不建議你用手機做這個實驗,除非你站在厚厚的床墊上。

太空迴歸,我花了兩天時間,才發現一張紙的飄落竟然是這樣的. . .

不要拿手機來試,你會後悔的

為什麼會這樣?

我們知道地面上所有物體都受到地球引力影響,在失去支撐時會向下墜落,並且它的重力加速度與物體的質量沒有關係。也就是說一張4。4克重的A4紙與一部200克的手機受到的重力加速度是相同的,之所以它們落到地面的速度差異很大,是因為紙受到的空氣阻力對它下落的速度影響更大。

現在你已經知道,由於紙本身既輕又薄,受空氣阻力的影響,它的下落速度很慢,即便是你將其從10000米的高空扔下,它也只會搖搖擺擺緩慢地往下飄,一直飄落到地面。

那麼問題來了:地球大氣層的上方空氣非常稀薄,三、四百公里的太空幾乎沒有空氣,如果從這樣的高度往下扔一張普通A4紙會怎麼樣?它還會慢慢飄到地面嗎?

大氣層的邊緣在哪裡?

與其它許多行星一樣,在地球的周圍包裹著一層大氣層,對於大氣層的厚度卻有許多不同的說法。有說大氣層厚度為100千米的,有的說它的厚度為10000千米,最新的研究結果證明地球的大氣層延伸到了60萬千米的高空,也就是說月球實際上是在地球的大氣中穿行。

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地球的大氣層

由於氣體分子本身有質量,它們互相之間又因電荷力而互相排斥,受地球引力的影響,越靠近地面的空氣密度越大,越往上空氣越稀薄。在距離海平面100千米的高空,空氣的密度僅有海平面的220萬分之一。在這個高度,飛機要想依靠機翼來獲得升力,它就需要達到一個非常快的向前的速度,而在這個速度下它即使不需要機翼也能透過離心運動保持飛行高度。換句話說,飛機的翅膀變得多餘。於是

我們將100千米的高度定義為大氣層與太空的邊界,這就是“卡門線”

卡門線並不是一條有形的線,也不是一個嚴格意義的面或者一堵“空氣牆”。與我們常見的水面不同,事實上從90千米到110千米高度,空氣密度的變化並不大,這是一個平滑過渡的區域。瞭解這一點非常重要,因為幾乎所有的衛星都在卡門線以上飛行,它是一國領空最上方的邊界,它也決定了本文中這張A4紙的命運。

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從太空扔紙

紙的自由落體運動

自由落體運動的前提是重力和真空環境,在卡門線上方的空間裡儘管依然存在空氣,由於空氣實在過於稀薄,它對物體運動阻力十分輕微,以至於在落體運動中我們常常忽略不計。

所以說,當我們在距離地面大約400千米(國際空間站軌道高度)向下扔一張A4紙,並且

假設它的橫向初始速度為零時,紙會開始向下做自由落體運動

。之所以做這個假設,是因為當你真的從國際空間站上向外扔任何東西,它都會與空間站一起以每小時27600千米的速度繞地球飛行,它每個月只會下落2千米,這意味著紙很難落回地面。近地軌道上許多太空垃圾就是這樣的情況。

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太空垃圾會很長時間保持軌道高度

由於受空氣阻力非常小,紙的下落速度會越來越快,當它接近卡門線時,其向下的速度已經達到2000米/秒。

聰明的朋友可能立刻想到,由於接下來劇烈的空氣摩擦,高速下落的紙會很快燒燬!

果真如此嗎?

我們在前邊已經提到了,卡門線其實是一個非常平滑的過渡帶,在長達幾十千米的落差裡,空氣阻力是一點一點緩慢增加的,也就是說我們的影印紙有機會一點一點地減速,它不會像其它的衛星殘骸那樣因摩擦加熱到2000℃,然後在黑障區變成一個火球。

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太空垃圾會在大氣層中燒燬

所以,我們的A4紙在接近卡門線的地方就已經開始減速,隨著空氣阻力的逐漸增大,紙的速度也越來越慢。在80千米高度進入黑障區之前,紙的下落速度已經低於300米/秒,它不會被燒燬。

那麼,我們可以在地面等到紙的降臨嗎?

很遺憾,並不能。

紙是由一層薄的植物纖維製成,它的燃點很低,一張乾燥的書寫紙大約在130℃~180℃時就能燃燒

。而在太空中,由於強烈的太陽輻射熱,紙的表面溫度可以達到120℃,再加上它在下落過程中與空氣摩擦而產生的熱能,溫度是很容易超過130攝氏度的。

物體的燃燒需要具備三個條件:有可燃物,適合的溫度,和氧化劑

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紙的燃燒需要滿足三個條件

紙是易燃物,它的溫度已經超過了燃點,為什麼不能燃燒呢?因為在卡門線的附近空氣密度很低,氧氣更是幾乎沒有。

缺乏氧化劑,紙燒不起來

在高溫缺氧的狀態下,紙纖維中的有機物質會發生分解乾餾,也就是俗稱的碳化現象。紙會變成焦黃色,並且變得很脆,只要遇到強烈的氣流擾動,它就會碎裂成小片飄落下來。

太空紙飛機

有沒有人從太空扔過紙呢?到目前為止還沒有。

2008年時,日本科學家曾經嘗試將紙折成飛機的樣子,由宇航員從國際空間站向外扔100個,看看它是不是可以安全地返回地面。這個實驗的目的是驗證透過低速摩擦進行太空返回的可能性,但更多的科學家認為對紙飛機的有效追蹤無法實現,並且它下降的時間可能長達幾個星期甚至幾個月,即便有一架小飛機成功降落也沒有意義,實驗最終沒有做成。

考慮到紙飛機再入大氣層的速度比一張紙要快得多,日本科學家們採用了一種耐高溫的玻璃纖維紙折成的小飛機,這架紙飛機在東京大學的超高速風洞試驗中,它在200℃高溫和7馬赫的速度下堅持了10秒鐘。

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日本紙飛機在做風洞實驗

回顧和總結:

本文為你簡單分析了一張紙的太空旅程,儘管結局並不美好,但我們至少從中瞭解了一些太空和力學的知識。

首先,紙張的下落與其它物體不同,它的重量輕並且面積很大,因此更容易受到空氣阻力的影響。

其次,我們大氣層100公里以上的高空,空氣極其稀薄,紙張可以以近似自由落體的狀態下降,並且達到很高的速度。

太空迴歸,我花了兩天時間,才發現一張紙的飄落竟然是這樣的. . .

紙從太空飄落

同時,大氣層邊緣空氣密度是逐漸增大的,因此紙會在進入稠密大氣層之前一點點減速,它不會像其它墜毀的衛星那樣燒燬。

太空中受到太陽照射的地方溫度很高,紙會被烤焦變脆,它會在對流層稠密空氣的擾動下碎裂成焦黃的碎片飄落下來。

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