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一張紙從太空飄落回地球時(shí)會發(fā)生什么？

這似乎是一個(gè)很容易回答的問題，我原計(jì)劃用一個(gè)小時(shí)的時(shí)間解答它。但是當(dāng)我真正開始動(dòng)手寫這篇文章時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)它并不簡單，知道嗎？為了講清楚這張紙的太空回歸之旅我足足花了兩天時(shí)間。
一張紙從太空飄落回地球時(shí)會發(fā)生什么？
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飄落的紙
A4紙的飄落
你手頭有A4紙嗎？沒錯(cuò)，就是我們最常見的那種復(fù)印紙。找一張平整的紙，站起舉高再松手，你會看到它翩然下落，紙落到地面時(shí)很輕，只會發(fā)出很小的摩擦聲音。
我不建議你用手機(jī)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，除非你站在厚厚的床墊上。
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不要拿手機(jī)來試，你會后悔的
為什么會這樣？
我們知道地面上所有物體都受到地球引力影響，在失去支撐時(shí)會向下墜落，并且它的重力加速度與物體的質(zhì)量沒有關(guān)系。也就是說一張4.4克重的A4紙與一部200克的手機(jī)受到的重力加速度是相同的，之所以它們落到地面的速度差異很大，是因?yàn)榧埵艿降目諝庾枇λ侣涞乃俣扔绊懜蟆?br />現(xiàn)在你已經(jīng)知道，由于紙本身既輕又薄，受空氣阻力的影響，它的下落速度很慢，即便是你將其從10000米的高空扔下，它也只會搖搖擺擺緩慢地往下飄，一直飄落到地面。
那么問題來了：地球大氣層的上方空氣非常稀薄，三、四百公里的太空幾乎沒有空氣，如果從這樣的高度往下扔一張普通A4紙會怎么樣？它還會慢慢飄到地面嗎？
大氣層的邊緣在哪里？
與其它許多行星一樣，在地球的周圍包裹著一層大氣層，對于大氣層的厚度卻有許多不同的說法。有說大氣層厚度為100千米的，有的說它的厚度為10000千米，最新的研究結(jié)果證明地球的大氣層延伸到了60萬千米的高空，也就是說月球?qū)嶋H上是在地球的大氣中穿行。
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地球的大氣層
由于氣體分子本身有質(zhì)量，它們互相之間又因電荷力而互相排斥，受地球引力的影響，越靠近地面的空氣密度越大，越往上空氣越稀薄。在距離海平面100千米的高空，空氣的密度僅有海平面的220萬分之一。在這個(gè)高度，飛機(jī)要想依靠機(jī)翼來獲得升力，它就需要達(dá)到一個(gè)非常快的向前的速度，而在這個(gè)速度下它即使不需要機(jī)翼也能通過離心運(yùn)動(dòng)保持飛行高度。換句話說，飛機(jī)的翅膀變得多余。于是我們將100千米的高度定義為大氣層與太空的邊界，這就是“卡門線”。
卡門線并不是一條有形的線，也不是一個(gè)嚴(yán)格意義的面或者一堵“空氣墻”。與我們常見的水面不同，事實(shí)上從90千米到110千米高度，空氣密度的變化并不大，這是一個(gè)平滑過渡的區(qū)域。了解這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)閹缀跛械男l(wèi)星都在卡門線以上飛行，它是一國領(lǐng)空最上方的邊界，它也決定了本文中這張A4紙的命運(yùn)。
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從太空扔紙
紙的自由落體運(yùn)動(dòng)
自由落體運(yùn)動(dòng)的前提是重力和真空環(huán)境，在卡門線上方的空間里盡管依然存在空氣，由于空氣實(shí)在過于稀薄，它對物體運(yùn)動(dòng)阻力十分輕微，以至于在落體運(yùn)動(dòng)中我們常常忽略不計(jì)。
所以說，當(dāng)我們在距離地面大約400千米（國際空間站軌道高度）向下扔一張A4紙，并且假設(shè)它的橫向初始速度為零時(shí)，紙會開始向下做自由落體運(yùn)動(dòng)。之所以做這個(gè)假設(shè)，是因?yàn)楫?dāng)你真的從國際空間站上向外扔任何東西，它都會與空間站一起以每小時(shí)27600千米的速度繞地球飛行，它每個(gè)月只會下落2千米，這意味著紙很難落回地面。近地軌道上許多太空垃圾就是這樣的情況。
一張紙從太空飄落回地球時(shí)會發(fā)生什么？
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太空垃圾會很長時(shí)間保持軌道高度
由于受空氣阻力非常小，紙的下落速度會越來越快，當(dāng)它接近卡門線時(shí)，其向下的速度已經(jīng)達(dá)到2000米/秒。
聰明的朋友可能立刻想到，由于接下來劇烈的空氣摩擦，高速下落的紙會很快燒毀！
果真如此嗎？
我們在前邊已經(jīng)提到了，卡門線其實(shí)是一個(gè)非常平滑的過渡帶，在長達(dá)幾十千米的落差里，空氣阻力是一點(diǎn)一點(diǎn)緩慢增加的，也就是說我們的復(fù)印紙有機(jī)會一點(diǎn)一點(diǎn)地減速，它不會像其它的衛(wèi)星殘骸那樣因摩擦加熱到2000℃，然后在黑障區(qū)變成一個(gè)火球。
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太空垃圾會在大氣層中燒毀

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