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把一張紙從太空扔下地球,這張紙最終會完好落地嗎?

2024-03-02科學

這個問題看起來很容易回答,甚至會有些「無聊」,就像很多人經常調侃的一個問題:水滴從高空落下會不會砸死人?

但實際上這個問題一點也不簡單,當你深入分析這張紙的下落過程時,就會發現真的有些復雜,涉及到很多物理學知識。

一張紙,這裏暫且以A4紙來舉例。我們身邊隨便就能找到一張A4紙,工作時我們也會不小心把一張A4紙落在地上,當然我們都知道A4紙會輕飄飄地落在地上,幾乎不會有任何聲音,當然最後也會完好無失真。

當然我們也都知道,即便你在1000米的高空扔下一張A4紙,最終A4紙仍舊會輕飄飄地落在地面上,紙張本身也幾乎不會有任何變化,沒有任何破損。

那是因為空氣阻力的作用,紙張下落的速度是很慢的。而且如果當時的風很大,A4紙需要花費很長時間才能落下。

以上都是我們的日常生活經驗告訴我們的,但是我們的生活經驗都是局限在地球這個狹小的空間內,往往帶有很大的局限性。

就比如說,日常生活經驗告訴我們,一張A4紙最終一定會完好無失真地落到地面上。不過,這種生活經驗一旦來到太空就不適用了,因為太空沒有大氣,意味著幾乎沒有任何摩擦力,一張紙與一個鉛球下落的速度是一樣的。

關於這一點早就在月球上實驗過了,登陸月球的太空人,讓一根羽毛與一把錘子同時下落,結果羽毛和錘子同時落到月球地面。

而太空中的環境與月球表面環境幾乎沒有任何區別,都沒有大氣,沒有摩擦力。

不過這裏有一個問題,距離地球多遠的太空才算是真正的太空呢?換句話說,地球大氣層的邊緣在哪裏呢?

我們都知道,地球表面裹著一層厚厚的大氣層,距離地球越近,大氣層也稠密,越往外大氣層越稀疏。

科學研究發現,在距離地球表面100千米的高空,大氣層密度僅為表面大氣密度的220萬分之一,這裏的大氣如此稀薄,因此我們通常把100千米的高度定義為地球大氣層與太空的分界線,也就是所謂的「卡門線」。

不過這裏需要強調一點,卡門線並不像它的名字那樣,它並不是一條線,而是一個相對平滑過渡的區域。在90千米到110千米的高空,空氣密度的變化其實是很小的。人類發射的所有衛星幾乎都在卡門線以上飛行。而卡門線也是一個國家領空最上方的邊界。

自由落體,有一個重要的提前就是真空環境,沒有或者說幾乎沒有任何摩擦力。卡門線附近雖然仍舊有極其少量的大氣分子,但對物體下落過程的阻力作用很輕微,這裏我們就忽略不計。

而空間站的高度會更高,通常都在距離地面400千米附近,這裏的空氣更稀薄,我們就假設在空間站上扔下一張A4紙,這張紙受到的空氣摩擦力忽略不計,做自由落體運動。

那麽,這張紙剛被扔下時,由於慣性作用,會與空間站保持一致,以每小時27600千米的速度繞地球飛行,每個月只會向下墜落大約2千米,很難落回地面。

實際上這張紙就等同於「太空垃圾」,人類在近地軌域發射的各種飛行器,最終都會成為太空垃圾,雜亂無章地繞地球飛行。

不過,總體來講,A4紙還是會緩慢地向地面墜落,而且下落的速度越來越快。當接近卡門線時,下落速度會達到每秒2千米左右。

而由於卡門線是一個相當平滑的過渡帶,雖然有空氣阻力,但是很小,而且空氣阻力也是一點點增加的,這意味著A4紙會一點點減速,並不會因為摩擦迅速升溫,當然也不會燒毀。

在距離地面80千米進入黑障區之前,A4紙的速度會下降到每秒300米左右,但這張紙仍舊不會被燒毀。

那麽,按照這個趨勢,A4紙最終能落到地面上嗎?

很抱歉,並不能落到地面。

紙,是由非常薄的植物纖維組成的,燃點相當低,在大約130-180度時就可以燃燒。在天空中即使沒有任何摩擦力,太陽的強烈輻射熱也可以讓紙的溫度達到120度。在這個溫度的基礎上,再加上A4紙與空氣摩擦產生的熱能,很容易就達到130度的燃點。

而物體的燃燒需要有三個條件,分別是可燃物,溫度達到燃點,還有助燃物,也就是氧化劑。

剛才講了,紙是可燃燒,而且是易燃物,溫度也很容易達到燃點,但紙並不是燃燒,因為卡門線附近的空氣密度很低,氧氣的含量就更低了。沒有氧氣,A4紙當然不會燃燒了。

而如果溫度足夠高,但沒有氧氣,那麽紙纖維中的有機物會發生分解幹餾,說白了就是碳化現象,紙會變成焦黃色,而且會變脆,這時候主要遇到較強的氣流,很脆的紙就會破裂成碎片飄落下來。

看到了吧,一張小小的A4紙從太空落下,原來還會經過這麽復雜的過程。雖然以上只是理論分析,但實際上從太空飄落的紙,大概率也會跟理論上分析的差不多。

當然,最終的答案或許不是最重要的,重要的是我們從中能了解一些太空天文學知識,還有動力學知識。

這裏再強調一下,紙張與很多其他物體並不同,因為紙張的質素很小,受力面積很大,因此更容易受大氣阻力的影響,而其他物體受大氣阻力的影響就會小很多。

還有,大氣層邊緣的空氣密度並不是突然增加的,而是一點點增加的,所以A4紙在進入濃密的大氣層前,並不會突然減速,只會一點點減速,最終也不會被燒毀。

最終的結局就是A4紙受到太陽強烈輻射的趙申,溫度升高,加上摩擦力本身產生的熱,會把A4紙烤焦變脆,最終落到地面的是焦黃的小碎片。

這就是這張A4紙的最終命運,與我們的日常生活經驗有很大不同,但也恰恰表明了地面環境與太空環境的巨大差異!