【微课堂】走进临近空间探索奥秘

除了月光和星光，地球大气层也有很多独特的发光现象，绚丽了我们的苍穹。这些发光现象中最为熟知的就是发生在临近空间高度（距离地面20km至100km左右的地球空间）的两种天象：极光和气辉。

/极光/

极光是极区特有的一种瑰丽多彩的高空发光现象，是由太阳风暴的冲击激发的。科学家们形象地把太阳耀斑（增强电磁辐射）、太阳质子事件（高能带电粒子流）和日冕物质抛射称为太阳风暴的三轮冲击，它们是临近空间大气演化的主要驱动源之一，同时也驱动底层大气发生相应变化。这些驱动具有明显的短期时变特性，严重影响临近空间及航空飞行器的正常工作。然而，由于底层稠密大气对高能粒子的沉降作用，这些变化在底层大气的观测效果并不显著，因此我们形象地说临近空间环境是空间物理现象的“放大器”。

/气辉/（请将手机横放）

相比极光，气辉虽然黯暗但分布广阔。气辉是中高层大气普遍存在的一种微弱发光现象，一般是由中高层大气自身的过程激发的。极光和气辉同时也是中高层大气的示踪物（Tracer，也就是追踪物或标记物），其分布和变化过程蕴含着中高层大气多种参数信息。在临近空间直接观测这些现象有助于弥补我们对地球宜居环境上边界认知的短板。

同样，青藏高原由其特殊地形引发的“烟囱”效应不仅能够实现平流层-对流层的物质交换，同时能对全球气候产生重要影响。夏季，反气旋环流的上升运动，将低层大气中大量物质吹到平流层，形成一个高效大“烟囱”效应，改变上层大气的成分，引起了额外的气候效应。《自然》等杂志发表的相关成果引起了广泛关注。

例如，通过这个大“烟囱”吹上高空的“PM2.5”总量与2000-2015年期间火山喷发上来的总和相当。而随着亚洲经济的持续增长，污染物大量排放并被输送到高空，青藏高原的“烟囱”作用可能更为显著。因此需要进一步了解“烟囱”究竟如何输送？输送了什么？输送了多少？以及其对全球气候的影响。

/青藏高原“烟囱”效应/

仰望星空，既有恒星流光溢彩，也有行星有条不紊运行，时而还有天外来客彗星呼啸而过。在太阳系内，我们的地球并不孤单，离我们比较近的几颗类地行星：如水星、金星和火星，他们的大气环境要么与远古地球相似，要么与地球临近空间的极端环境相似，要么可能是地球的未来。类地行星大气中的关键成分，其主要的特征辐射均在近紫外波段（200-400nm），然而这些辐射被距离地表0-30km高度范围内稠密大气所吸收，无法在地面展开观测。搭载临近空间飞行平台升高至30km以上，可大大提高观测质量。科学家们通过多星的比较研究，可以揭示地球宜居性的成因和演化，探索太阳系类地行星起源和多样性等问题。

/临近空间开展的比较行星学研究/

答案是肯定的。包括美国和前苏联在内的一些国家曾在20km-77km高度发现了微生物，但他们使用的生物学手段只能探查少量的生物类群。现代分子生物学、基因组学、电子显微学、单细胞同位素等技术进展，为全面深入研究临近空间生物圈提供了契机。科学家们可以借助临近空间飞行器，搭载自主研发的生物原位收集和实验搭载装置，将地球生物如细菌、藻类、噬菌体、类器官等“带上去”，将临近空间生物“采下来”，探查地球生命生存的极限、提升对地球生物圈“上边界”的认识，进而追溯地球生命的起源。

/临近空间生物圈/

/临空类火星环境/

临近空间的谜团远不止如此，例如大气科学家关心的红色精灵、蓝色喷流的现象，目前都还没有建立起解释这些现象的完备理论体系。

为了解开这些谜团，中国科学院启动了“鸿鹄”专项，由中科院光电研究院（现为空天信息研究院）牵头。专项聚焦临近空间环境和生态系统，开展迄今覆盖参量最全、高度范围最完整的临近空间综合探测，旨在深度刻画临近空间天气、电磁环境与辐射环境，探查临近空间生物多样性，揭示临近空间关键环境要素的生物效应，将建设我国首个基于多飞行平台的临近空间科学实验系统，大幅度提升我国临近空间开发利用能力，引领国际临近空间科学研究。