我們經常能看到一些網友在網上放出一些奇怪的雲彩照片,這種雲彩與我們平日裡所見到的雲不同。
它們明顯具有方向性,在起初往往拖著長長的尾巴,到達一定長度時突然開始膨脹起來,頂端往往還有一個亮點向前移動。
這種天象往往會被目擊者稱為不明飛行物,即UFO,然後引發一陣熱議。
2018年6月29日『獵鷹9號』搭載龍飛船前往國際空間站
實際上這種事情早在冷戰時期就發生過很多次,這種奇異天象曾經讓不少人以為是對方陣營的核導彈來襲而引發恐慌。
不過熟悉天文和氣象的人對此應該不會大驚小怪,因為這種天象往往都是由於火箭或者導彈發射時造成的一種人造天象——火箭雲。
何謂火箭雲?
2017年12月23日的聖誕節前夜,太空探索技術公司的獵鷹9號火箭搭載10顆銥星星座衛星,在美國卡納維拉爾角太空軍基地發射,由火箭造成的火箭雲嚇到了不少人,而當地媒體也做了報道以讓大家放心
2017年12月23日獵鷹9號火箭,在美國卡納維拉爾角太空軍基地發射
發射時形成的火箭雲
我們有時抬頭就能看到由飛機造成的軌跡雲。
它們和火箭發射時所造成的火箭雲,在本質上是一樣的,不過火箭雲往往要比飛機的軌跡雲高得多。
在英文裡,由火箭造成的獨特天象可以被叫做space jellyfish,中文翻譯過來為太空水母,因為其膨脹段與水母的外型非常相像。
2018年6月29日黎明前,從卡納維拉爾角太空軍基地升空的『獵鷹9號』
如果從氣象方面來描述,這種雲則可以被稱為夜光雲。
自然條件下,夜光雲往往由直徑達100納米的微小水冰晶體組成。
一般來說,夜光雲存在於約76~85千米的高度,這個高度已經十分接近大氣層邊緣,是大氣中能存在的最高的雲,是屬於高空卷雲的一種。
自然條件下往往隻能在高緯度地區觀測到,觀測到的時機也往往是在清晨或黃昏。
由於這種雲彩的高度十分接近太空,如果我們視陽光作為地球這個球體的一條切線,在地面已經進入黑夜時,處於高空的夜光雲在切線以外,依然能夠被陽光所照耀,這時在地面上的人們就可以看見在漆黑的天空中有一朵閃耀的雲彩。
如果能親眼見到,想來應該是一次人生中難得的體驗。
火箭雲可以說是我們在火箭發射中非目的性地造成的一種人造天象。
它在火箭的飛行過程中被創造出來,其在可視范圍內都可以被人們所觀察到,但是最好的觀察方向是平行於火箭的發射方向。
這樣,就可以一睹火箭發射造成的美麗的火箭雲。
說到火箭雲,就需要說到目前火箭所使用的燃料。
綜合目前國內外的火箭,主要燃料有這幾類:四氧化二氮/肼類化合物;液氧/煤油;液氧/液氫;液氧/甲烷和固體燃料。
這些燃料中,固體燃料被點燃時可以產生大量的顆粒物;其他幾種燃料在燃燒過程中都可以產生大量的水蒸汽,處於高層的水蒸汽由於氣溫低於零度會變成冰晶,而顆粒、水蒸汽、冰晶往往是形成雲層的重要因素。
在火箭發射過程中,火箭不斷向後排出尾氣,火箭雲便隨之被制造出來。
近年來,國內的火箭雲目擊事件也逐漸增多,是因為中國航天事業快速發射,火箭發射次數越來越多。
看火箭雲的『門道』
火箭雲的形態往往和火箭的型號和類型密切相關。
比如,中國的長征五號B火箭,是一種十分獨特的一級半火箭,由芯級和助推器組成,芯級一次點火可以直接將載荷送入軌道,沒有其他更多的級,所以這種火箭發射產生的雲便不會出現斷續。
不過,世界上大多數火箭都有二級或者更多的級,所以我們仍然以多數火箭可以造成的火箭雲作為討論對象。
火箭雲的間斷,即一二級分離時雲的狀態與火箭芯級點火時間有著密切關系,可以說每一種火箭所造成的雲都是獨一無二的。
而同一種火箭造成的雲,又由於其發射的軌道和當時的天氣、風的強度等而變得十分多樣,所以無法一概而論。
總而言之,當你真的有幸看到火箭雲時,還得具體情況具體分析。
太空探索技術公司的『獵鷹9號』是十分特別的可回收火箭,它的一二級分離、二級點火後,一級便會返回發射地或者回到特定的回收船上,此時甚至會有兩個相反的『太空水母』同時出現的奇景。
中國在2021年12月23日發射長征七號甲火箭時,有一位飛行員《微博賬號:@天邊的貝洛斯》十分幸運地看到了火箭發射的過程,並且看見了非常完美的火箭雲並拍了視頻。
為了方便,我們就以中間的間斷作為間隔,分為前半段與後半段來分別進行分析。
2021年12月23日飛行員拍到的,長征七號甲火箭雲
火箭雲的前半段,雲往往比較平直而濃密,這主要是火箭剛剛起飛時所造成的。
這一階段火箭需要盡快離開大氣層,幾乎與地面保持平行並不斷提升自己的垂直和橫向速度。
如果抽象一些來看,這個過程與數學中對數函數中的lnX的第一象限圖像十分相像,不過由於地面和高空往往都有風,所以前半段的雲過不了多久就會被吹得像一條彎曲的細蛇,然後逐漸消失在天空中。
而在火箭雲的後半段,此時火箭的助推器和芯級都與二級分離,二級點火,火箭所在的高度的大氣已經十分稀薄,氣壓很低,這時從二級噴口噴出的尾氣可以比在海平面高度的尾氣的擴張范圍大得多,火箭二級產生的水蒸汽在高空處凝結後因氣壓稀薄而擴散,其產生的火箭雲也隨之逐漸變得大而稀薄,像一隻箭頭一樣直刺蒼穹。
這種雲會一直持續到火箭完全脫離大氣層。
此後,火箭便不再產生可見的軌跡,向著既定軌道飛去。
長征七號甲發射時,菲律賓網友看到的景象
之後,雲彩就會在風的作用下逐漸變形,成為一條彎曲的蛇形,然後逐漸在天上消失。
這就是火箭雲從產生到結束的過程。
這個過程變化很快,和自然產生的夜光雲一樣,火箭雲從產生到消失也就不過幾個小時,壽命不長。
也許有些讀者會注意到,有些關於火箭雲的照片和視頻中隻有後半段。
這是因為一二級分離後的火箭飛行速度已經相當快了,它在很短的時間裡就飛出去很遠,火箭從起飛到載荷分離所經過的距離甚至能跨越一個大陸,路過觀察者頭上時它已經到了後半段。
2021年12月25日,歐空局阿裡安5型火箭發射詹姆斯·韋伯空間望遠鏡。
它從南美洲的法屬圭亞那庫魯起飛,在望遠鏡與二級分離時載荷已經跨越了大西洋和整個非洲大陸,如果此時我們站在非洲大陸的最西角上觀察火箭雲,那肯定就看不見早就分離的一級和助推器所造成的前半段火箭雲,最多隻能看見後半段。
除了火箭可以形成這種天象,和火箭親緣關系較近的彈道導彈也能形成類似的效果,畢竟彈道導彈的飛行過程與火箭頗為相似,隻不過火箭是把載荷送到太空,導彈是把載荷送到目標的頭頂,它們的形成原理是一樣的。