“流星”和“航天器”，在空氣中穿梭的勇者

流星雨，一直是宇宙中浪漫而神秘的存在，許多人都期待着親眼目睹流星劃破天際的美景。一般到了年底，能觀測到的流星雨還有很多，比如11月份的獵戶座流星雨，以及12月份的雙子座流星雨等等。

大家在觀賞這些流星雨的時候有沒有想過一個問題：流星爲什麼會發熱、發光呢？

美麗迷人的流星雨（圖片來源：veer圖庫）

很多人可能以爲，流星的光是由於隕石進入大氣層和大氣層的空氣摩擦生熱而引起的，其實這樣說在很大程度上是不對的。事實上，隕石在進入大氣層後所產生的熱量大部分都是由於空氣的壓縮而產生的，摩擦空氣產生的熱量只是很小的一部分。隕石壓縮空氣產生的熱量最終使隕石燃燒發光，形成曇花一現的流星，大多數隕石最終也在高溫下燃燒殆盡。下面我們來解說一下這個過程。

隕石在進入大氣層後，壓縮了它前面的空氣，使得隕石前面的空氣溫度迅速升高至幾千度，然後點燃了隕石，從而使隕石發光變成了我們可以看見的流星。也就是說，是壓縮空氣成就了流星的悽美“絕唱”，而不是摩擦空氣。

隕石進入大氣層後，最先燃燒的是隕石前端空氣被壓縮最厲害的部分（圖片來源：https://sputniknews.com/science/201804291064008986-five-asteroids-heading-past-earth-today/）

壓縮空氣爲什麼會產生大量的熱量呢？這其實和能量守恆定律有關係。當隕石進入大氣層時，速度是非常快的（通常是幾十千米每秒），這時隕石前部的空氣無法快速地被“擠到”隕石周圍，因此會被迅速壓縮。根據能量守恆定律，對氣體壓縮所做的功會轉爲氣體的內能，進而表現爲氣體溫度的升高。

這種現象在日常生活中很常見，例如我們用打氣筒給輪胎打氣，由於我們在壓縮氣體做功，打氣筒內的空氣溫度會升高，因而打氣筒會發熱。同理，由於隕石前部的空氣被壓縮的非常厲害，因此溫度也會升的非常高，通常會在2000攝氏度左右，在這麼高的溫度下，大多數隕石都會被燒燬，地球上的生命也因此得到了有效的保護。

當然，還是會有極少數比較耐燃的隕石在未燃燒完就降落到了地球，這就是我們在各種航天博物館裡見到的隕石了。這種隕石一般都十分稀少，是十分寶貴的科學研究材料。

對於各種人造航天器（包括人造衛星、載人飛船，甚至是空間站等）返回大氣層時發光發熱，原理和隕石其實是相近的，它們的壓縮空氣的效率甚至比隕石還高。這裡我們就用載人飛船的返回艙來舉例說明。載人飛船返回艙的形狀一般都如下所示：

阿波羅登月飛船的返回艙（圖片來源：http://www.pinsdaddy.com/apollo-command-module-model_3Zsivj3AOYNXNR0BgInRlmH9JmWQBRPkGA8FmDvWHbQ/）

或者是這樣的：

神舟十號載人飛船返回艙（圖片來源：人民圖片網，方陽攝）

儘管在細節上可能有所不同，但它們的樣子都是大同小異——上小下大，並且下面是一個很鈍的平面。這樣的鈍形平面能保證被壓縮的空氣產生的熱量主要集中於航天器鈍形一面，而不會流失到航天器後面，從而有效的保護後面的航天員或者其他科學設備。因此，現在任何的載人航天器的返回艙都被設計成鈍形的。在返回艙返回大氣層時，它的受熱情況大概如下所示：

返回艙壓縮空氣示意圖（圖片來源：https://www.quora.com/Why-does-a-spacecraft-heat-up-during-reentry）

可以看出，它的熱量主要集中在前部，因而處於後面的航天員就得到了有效的保護。當然在返回艙進入大氣層後會和大氣層產生摩擦，肯定也會產生一部分熱量，但是這部分熱量和壓縮空氣所產生的熱量相比是微不足道的。另外，載人飛船的返回艙的外殼是由防火耐高溫的材料製作的，因此不會像隕石那樣燃燒起來，但是高溫還是會把返回艙的外殼烤焦。

如下圖所示的我國神舟號載人飛船的返回艙，大家可以和上圖進入太空前的返回艙對比一下，就會發現這個是被“烤焦”了的返回艙。

返回地球后的神舟號返回艙（圖片來源：https://commons.wikimedia.org/wiki/Shenzhou）

對於其他的一些不耐燃的航天器，儘管形狀和返回艙不一樣，但是原理幾乎都是一樣的。進入大氣層後，經過一段時間，由於壓縮空氣產生的高溫，整個航天器都會燃燒起來。例如前蘇聯的“和平號”空間站和中國的“天宮一號”空間站墜毀的時候大部分部件都在大氣層中被燒成灰燼了，只有一小部分散落在了太平洋。

可能有的同學會問，爲什麼航天器在離開地球時不會發熱？原理其實很簡單，因爲各種航天器（包括載人飛船，空間站，衛星等等）離開地球時都是通過火箭來運載的，火箭的形狀是流線型的，很容易“擠開”前進方向的空氣，而摩擦產生的熱量相對來說又很小，因此火箭在離開地球時並不會經歷很高的溫度考驗。

長征系列火箭，可以看出火箭都有尖尖的頭部，目的之一就是爲了更好的排開運動方向的空氣，減少阻力（圖片來源：http://calt.spacechina.com/n482/n498/index.html）

當然，我們也可以用火箭來對返回地球的返回艙進行減速，但是那樣就意味着雙倍的燃料，這不但增加了發射的費用，而且會嚴重降低火箭的有效負荷，是一項費力不討好的舉措。況且，大自然已經給我們提供了——大氣層——這麼好的免費“剎車器”，爲什麼不去用呢？