大氣層:我們頭頂的防護罩

文 / 一流人      2018-04-25
大氣層:我們頭頂的防護罩


是否想過:為什麼人類要發射火箭載望遠鏡到大氣之上?

我們常稱的「可見光」,背後藏著幾許奧祕。我們的太陽光偏黃色,屬於可見光的範圍,而可見光是一般化學反應最主要的能量範圍。比可見光波長長的紅外線,能量通常不足以引發化學反應,而比可見光波長短的紫外線,則化學活性太強,譬如我們都知道高日照的大晴天要防紫外線,還有即使上高山也需防曬的常識。有趣的是,地球的大氣正好容許可見光穿透,到達地表,而從電波到伽瑪射線等其他的光多半會被我們的大氣所吸收,不會穿透到達地表。在微波與超長電波之間,倒有另一個波段的無線電波可以到達地面。十九世紀以來,人類對電波的掌握最為嫻熟,這也是為何電波接收站、通訊衛星等設備如此發達,但另一根本的原因則是無線電波在大氣中的穿透力。

只有可見光與無線電波可穿透大氣,到達地表。

試想:正是到達地表的可見光被植物藉葉綠素轉換成能源;也正是地表充沛的「可見光」,促成動物眼睛的演化,用「看」作為增強生存競爭力的手段,而「看」再逆推回來便是我們稱此波段的光線為「可見光」的理由。原本基於生存競爭發展出的「看」的能力刺激了動物腦部的發展,腦部發達後,竟然成為人類探索與瞭解自然的利器,甚至遠眺回宇宙之起初。

再往另一方面想:高空的大氣有機制形成臭氧層,過濾紫外線,我們才得以在地表活動而不會死於皮膚癌;大氣層不僅提供賴以呼吸的空氣,還提供了保護,隔開X 射線、伽瑪射線以及宇宙線等外太空輻射線,否則我們難以存活。但是可見光卻能穿透大氣層,使生物界獲得能量。我們頭頂的防護罩真是太重要了,多該心存感恩啊!

但就望遠鏡而言, 多半的「光」線無法穿透大氣層,因而無法用於觀測,這是為什麼原本的望遠鏡都以光學、也就是可見光為主。二次大戰之後,雷達與電波技術發達,遂有電波望遠鏡的發展,也是藉著二戰的刺激,人類發展出火箭技術。既然地表看不見X 射線與伽瑪射線,人們便透過發射火箭發展出X光望遠鏡,最終做成人造衛星的X 射線望遠鏡,如錢卓拉(Chandra)X 光太空望遠鏡。時至近代,人類甚至製成伽瑪射線偵測器發射升空為衛星,如費米(Fermi-LAT,LAT意為大面積望遠鏡)伽瑪射線太空望遠鏡。X 光望遠鏡還保有望遠鏡的樣貌,但伽瑪射線望遠鏡根本只是個粒子物理偵測器,已經看不出望遠鏡的雛型了。兩張照片中像翅膀的側翼都是太空望遠鏡的太陽能板。此外,地球的大氣擾動和散射也造成一般光學望遠鏡的天生限制,使星光到達地表前受到擾動而有「一閃一閃亮晶晶」、難以清晰成像(註一)的問題。這也是為何人類也製作如哈伯與韋伯的太空望遠鏡。從哈伯拍攝照片之漂亮,證明值回票價。

星星原來的氫是從哪來的?銀河是如何有的?為何宇宙是由這些幾萬光年大小的星系組成?我們有好多、好多問題。

而人類手上有了各種工具,就讓我們遠眺過去,回探宇宙起初幾分鐘、那比哈伯超深景更古遠的過去。注意到了嗎?人類探尋的宇宙乃是時空,向遠方前進,就是回溯遙遠的過去。

錢卓拉X 光太空望遠鏡。

Fermi-LAT 伽瑪射線太空望遠鏡。

註一:一般星星是點光源,只要光線路徑上有些許的大氣擾動變化,光線就會偏折因而造成閃爍。但如木星般有個盤面,因而等價於有許多道光線的不同路徑,集合起來它就幾乎不會閃爍,這是行星看似不閃爍的道理。

本文節錄自:《演化、宇宙、人》一書,侯維恕著,聯經出版。

圖片來源:pixabay

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