这似乎是一个很容易回答的问题,我原计划用一个小时的时间解答它。但是当我真正开始动手写这篇文章时,却发现它并不简单,知道吗?为了讲清楚这张纸的太空回归之旅我足足花了两天时间。
飘落的纸
A4纸的飘落你手头有A4纸吗?没错,就是我们最常见的那种复印纸。找一张平整的纸,站起举高再松手,你会看到它翩然下落,纸落到地面时很轻,只会发出很小的摩擦声音。
我不建议你用手机做这个实验,除非你站在厚厚的床垫上。
不要拿手机来试,你会后悔的
为什么会这样?
我们知道地面上所有物体都受到地球引力影响,在失去支撑时会向下坠落,并且它的重力加速度与物体的质量没有关系。也就是说一张4.4克重的A4纸与一部200克的手机受到的重力加速度是相同的,之所以它们落到地面的速度差异很大,是因为纸受到的空气阻力对它下落的速度影响更大。
现在你已经知道,由于纸本身既轻又薄,受空气阻力的影响,它的下落速度很慢,即便是你将其从10000米的高空扔下,它也只会摇摇摆摆缓慢地往下飘,一直飘落到地面。
那么问题来了:地球大气层的上方空气非常稀薄,三、四百公里的太空几乎没有空气,如果从这样的高度往下扔一张普通A4纸会怎么样?它还会慢慢飘到地面吗?
大气层的边缘在哪里?与其它许多行星一样,在地球的周围包裹着一层大气层,对于大气层的厚度却有许多不同的说法。有说大气层厚度为100千米的,有的说它的厚度为10000千米,最新的研究结果证明地球的大气层延伸到了60万千米的高空,也就是说月球实际上是在地球的大气中穿行。
地球的大气层
由于气体分子本身有质量,它们互相之间又因电荷力而互相排斥,受地球引力的影响,越靠近地面的空气密度越大,越往上空气越稀薄。在距离海平面100千米的高空,空气的密度仅有海平面的220万分之一。在这个高度,飞机要想依靠机翼来获得升力,它就需要达到一个非常快的向前的速度,而在这个速度下它即使不需要机翼也能通过离心运动保持飞行高度。换句话说,飞机的翅膀变得多余。于是我们将100千米的高度定义为大气层与太空的边界,这就是“卡门线”。
卡门线并不是一条有形的线,也不是一个严格意义的面或者一堵“空气墙”。与我们常见的水面不同,事实上从90千米到110千米高度,空气密度的变化并不大,这是一个平滑过渡的区域。了解这一点非常重要,因为几乎所有的卫星都在卡门线以上飞行,它是一国领空最上方的边界,它也决定了本文中这张A4纸的命运。