人类飞行史，为何我们拼命逃离地球？

人类自诞生以来，就对自身被局限于地表之上颇为不满。我们爬树、登山，以求居高望远，我们羡慕飞鸟、诸神，可以俯瞰众生，如果我们想要真正脱离地表，就必须击败一个强大的敌人：地心引力。

（标准称谓应是“地球引力”，现代物理学认为其源于地球质量对时空的弯曲，下图为示意；图片源自@http://universetoday.com）

它是将人类束缚在地表的根本力量，既可以让苹果砸中牛顿的脑袋。

（虽然剑桥大学还有这颗苹果树的后裔，不过牛顿因此发现万有引力的故事并不可信）

也可以轻易将试图飞上天空的古人，重重地摔回地面。

（西方航天界认为中国明代官员Wan Hoo曾试图用爆竹将自己送上天空，却不幸被炸身亡，因此月球上的一座环形山被命名为Wan Hoo，不过此事并无中文史料佐证，因此我们不予采信；下图为希腊神话中的伊卡洛斯，他将鸟类羽毛粘到身上来飞翔，却最终摔死，由1906年法国画家Edmund J Sullivan绘制）

Ⅰ

人类所有的尝试无不以失败告终，直到公元1783年11月15日，法国科学家罗奇尔（Jean Francois Pilatre De Rozier）和军官安兰蒂斯侯爵（Marquis d'Anlandes）坐上刚刚发明不久的热气球，成功完成历史上首次载人飞行，人类摆脱地心引力束缚的伟大进程才真正开始。他们在巴黎上空一边俯瞰大地，一边接受市民的阵阵欢呼。

（两人在热气球上俯瞰欢呼的市民，画作印刷于19世纪，藏于美国国会图书馆）

这次飞行共持续25分钟、里程达9公里，飞行高度最高达到1000米，在这个高度距离地面2000米以内的雨层云、层积云等低云族已经触手可及，一些接近地面的层云甚至被览之脚下。

（瑞士古斯塔德的低云，摄影师@Bob Martin）

仅仅半年后，罗奇尔再次用热气球刷新纪录将高度提升到了约4000米，欧洲的大部分山峰都已在这个高度之下，距离地面2000米-6000米的高积云、高层云等中云族历历在目。

（一种高积云，一朵一朵飘浮空中；摄影师@Marcin Kocybik）

又过了大约80年，1862年9月5日，两个英国冒险家同样采用热气球升空，将高度纪录提升到了11887米，两人对高空中愈发稀薄的氧气没有充足准备，其中一人甚至一度昏死，但是他们却创造了一个新的历史，这个高度比珠峰还要高出3000米，人类首次跃升至地球表面所有固态地貌之上，低云族、中云族统统从脚下流过，距离地面6000米-12000米之间的卷云、卷积云、卷层云等高云族在高空与人类对望。

（2008年非洲上空的直展云，一种特殊的云，云底位于低云族，云顶直达高云族，并向四周展开如平面；图片源自@NASA）

至此，地球上的绝大部分云族都可以被曾经囿于地表的人类近距离观赏，那些以云或高山为居所的诸神正在失去被他们独占的家园，一切“神秘感”都将烟消云散。

（云族的分类及对应高度图，注意不同地区不同温度条件下的云族对应高度并非完全如图所示；图片源自@世界气象组织，星球研究所增加中文标注；）

Ⅱ

云族已经完全暴露在人类的视野，但我们摆脱地心引力束缚的进程还任重道远，云族大部分都处于大气层中最低的一层对流层，高度占整个地球大气层不足1/200，之上还有约40公里高的平流层，约50公里高的中间层，约500公里高的热成层，以及可能高达上千公里的散逸层。我们今日时常乘坐的民航飞机一般也只是在对流层顶部或平流层底部飞行。

（大致按实际比例制作的地球大气层垂直结构图；图片源自@KrAtul/维基百科，星球研究所修订）

1931年5月27日，瑞士物理学家Auguste Piccard和同伴为了测量宇宙射线将他们的热气球升至15787米，在简陋的防护装备之下这次行动显得相当冒险，但冒险却让他们成为率先进入平流层的人类

平流层是一个能见度极高的区域，水汽、悬浮固体颗粒、杂质等比对流层少了太多，飞鸟也已经基本绝迹。

（澳门上空，云层之上为平流层，淡淡的新月正在大气层上方升起；图片源自@NASA）

地球的曲线在太空中也变得清晰可见

（菲律宾以东洋面上方，云层上方为透明的平流层，远处淡蓝色为大气层某一层的边界；图片源自@NASA）

平流层还有一个重要作用，这里是臭氧分布的主要区域，臭氧吸收从太空来的紫外线可以保护地球上的生物免受侵袭。同时因为大量太阳辐射被臭氧吸收，平流层的顶部气温甚至可以与地面相近，高温层在顶部，低温层在底部上热下冷，大气的上下对流基本消失了，稳定的大气让平流层因此得名。

（著名的臭氧层破洞，位于南极洲上方，2006年达到面积最大；图片源自@NASA）

再往上突破地心引力，人类就必须用到更先进的技术了。20世纪中叶，美国开始试验一种新型飞机X-15，这是一个高超音速（hypersonic）飞行器，它以火箭为动力，时速超过7000公里，相当于现今民航飞机的10倍速度。

（图中大飞机为其母船B-52，下方悬挂的黑色飞机即为X-15；远处为伴飞的T-38教练机；图片源自@圣地亚哥航空航天博物馆）

1962年7月17日，美国飞行员罗伯特·怀特（Robert Michael White）驾驶X-15飞升至距离地面96公里，这个高度位于中间层，眼前的景象让他不禁惊叹“The Earth is really round”“地球真的是圆的”

（下图可以看到下方黑色的地平线更有曲线了；最上方蓝色发光的云彩为北半球上空的极地中气层云，又名“夜光云”，位于中间层，是目前已知最高的云；拍摄于2012年6月13日；源自@NASA）

中间层最具代表性的景象便是流星，当流星体进入中间层与气态粒子相撞产生大量的热力，使得流星在到达地表前就被燃烧殆尽，于是天空中便会发出我们肉眼可见的光芒。

（2011年8月13日国际空间站拍摄到的流星，在中间层划出一道光芒；此处位于中国西部上空；图片源自@NASA）

Ⅲ

但是罗伯特·怀特和他的X-15却并非第一个到达中间层的人类和载人飞行器，因为人类历史上最疯狂的太空竞赛开始了。宇宙飞船直接超越飞机成为人类摆脱地心引力的最大利器。一年前的1961年4月12日，苏联宇航员尤里·加加林乘坐东方一号飞船，直接穿过中间层到达更外侧的热成层，最远处距离地球表面达315公里。第一个到达中间层的人、第一个到达热成层的人、第一个进入外太空的人全由加加林一人包揽。

（国际航空联合会将距离地表100公里之外定义为外太空，因此东方一号到达的位置既是热成层也是外太空；1961年被华沙人民热烈欢迎的加加林）

此后越来越多的人类和载人航天器开始到达热成层，航天飞机、国际空间站、人造卫星大部分都位于该层。

（2011年奋进号航天飞机穿越大气层的画面，图片源自@NASA）

被无数人追逐的极光则是热成层的代表性景观。

（2015年在阿拉斯加发射的火箭与极光同时出现，图片源自@NASA/Jamie Adkins）

在这样的高度整个大气层的结构都可以被清楚地观察到。

（下图为位于热成层轨道的奋进号，左下方为地表，橙色为对流层、白色为平流层、蓝色为中间层、右上方黑色为热成层；图片源自@NASA）

地球表面的景象更是让“地表人类”无法想像，人类完全获得了上帝的视角。

从河流

（俄罗斯的勒拿河三角洲，图片源自@NASA）

到山脉

（喜马拉雅山脉的假彩色照片，图片源自@NASA）

从火山

（巴布亚新几内亚的一处火山，图片源自@NASA）

到冰川

（阿拉斯加的Susitna冰川，图片源自@NASA）

Ⅳ

现在，人类距离真正摆脱地心引力的束缚还有最后一步。1968年12月21日，阿波罗8号载着3名宇航员从近地轨道加速到10公里/秒，这是一个可以脱离地球引力、奔向星际空间的速度，即第二宇宙速度，宇航员们在途中拍摄了历史上第一幅地球的完整照片。

（1968年阿波罗8号拍摄，拍摄点距离地球约3万公里，图片源自@NASA）

69个小时后，他们到达了38万公里外的月球轨道，人类第一次彻底击败了地心引力，从此地表人类进化为星际人类。地表，再见了。