在距離地球表面50至100千米之間，分布著一層幾乎未被深入研究的大氣——中間層。它對(duì)飛機(jī)和氣象氣球來(lái)說(shuō)過(guò)于高遠(yuǎn)，對(duì)衛(wèi)星來(lái)說(shuō)又過(guò)于低矮，現(xiàn)有技術(shù)幾乎無(wú)法對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。然而，深入了解這一層大氣有助于提升天氣預(yù)報(bào)和氣候模型的準(zhǔn)確性。為了填補(bǔ)這一“觀(guān)測(cè)缺口”，科學(xué)家一直在尋找突破這一高度限制的新途徑。

在一項(xiàng)新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的解決方案：他們制造了一種依靠陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)的輕質(zhì)飛行結(jié)構(gòu)，可以在這一“禁區(qū)”實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期漂浮。

從原理到設(shè)計(jì)

這項(xiàng)突破的靈感可以追溯到150多年前。英國(guó)化學(xué)家威廉·克魯克斯（William Crookes）曾制造出一種在陽(yáng)光照射下會(huì)旋轉(zhuǎn)的裝置——光能輻射計(jì)。光能輻射計(jì)背后隱藏著一種特殊的物理機(jī)制——光泳，即由光引發(fā)的稀薄氣體流動(dòng)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，光泳指的是，當(dāng)氣體分子撞擊物體時(shí)，如果物體的某一側(cè)因吸收光而溫度更高，因而分子從這側(cè)反彈時(shí)獲得的動(dòng)量比另一側(cè)更大，從而在稀薄氣體中產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)升力的現(xiàn)象。這種效應(yīng)在地面幾乎察覺(jué)不到，但在中間層那樣低壓、低密度的環(huán)境中格外顯著。

長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家嘗試?yán)霉庥拘?yīng)讓物體懸浮，但這些裝置要么僅能在微觀(guān)尺度上實(shí)現(xiàn)，要么需要強(qiáng)烈的人造光源。在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)借鑒光能輻射計(jì)的原理，通過(guò)納米工程制造出一種厘米級(jí)的飛行裝置，能在自然陽(yáng)光強(qiáng)度下懸浮。

這種裝置由兩片帶孔的陶瓷氧化鋁薄片構(gòu)成，并由稀疏分布的氧化鋁“紐帶”相連。這種設(shè)計(jì)既能最大限度減少上下薄片之間的熱傳導(dǎo)，又能保證孔洞中的氣流產(chǎn)生足夠的升力。

飛行裝置示意圖。（圖/Schafer et al. / Nature）

為增強(qiáng)光吸收，研究人員在底部薄片鍍上了一層鉻。如此一來(lái)，當(dāng)陽(yáng)光照射時(shí)，底部的升溫速度會(huì)快于頂部，形成溫差。這種溫差導(dǎo)致與底部薄片碰撞的空氣分子，在反彈時(shí)獲得的動(dòng)量大于與頂部薄片碰撞的分子，從而在材料內(nèi)部形成光泳空氣流，產(chǎn)生向上的升力。

飛行裝置周?chē)臍饬魇疽鈭D。（圖/Ben Schafer & Jong-hyoung Kim）

在制作出這種厘米級(jí)的結(jié)構(gòu)后，研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室的低壓艙中直接測(cè)量了這種裝置所承受的光泳升力，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與高層大氣條件下的理論預(yù)測(cè)進(jìn)行對(duì)比。一個(gè)關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在氣壓為26.7帕、光照強(qiáng)度僅為太陽(yáng)55%的條件下，一個(gè)寬1厘米的裝置可實(shí)現(xiàn)懸浮。這一氣壓對(duì)應(yīng)于地球表面上空約60千米的高度——恰好位于中間層。

真實(shí)結(jié)構(gòu)在光照下飛行的延時(shí)攝影。（圖/Ben Schafer, Jong-hyoung Kim & Gyeong-Seok Hwang）

應(yīng)用前景

長(zhǎng)期以來(lái)，中間層被視為天然的“飛行禁區(qū)”——這里的空氣稀薄到不足以支撐飛機(jī)或氣球，又稠密到軌道衛(wèi)星無(wú)法穿行。探空火箭雖能短暫進(jìn)入并攜帶測(cè)量?jī)x器，但測(cè)量時(shí)間通常僅能維持幾分鐘；衛(wèi)星與地面雷達(dá)雖能提供長(zhǎng)期遙感數(shù)據(jù)，但對(duì)中間層的覆蓋正在下降，觀(guān)測(cè)缺口在不斷擴(kuò)大。

如果能將這些精密的超輕結(jié)構(gòu)能被放大到可搭載輕型傳感器，它們就有望在中間層實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期原位觀(guān)測(cè)，采集風(fēng)速、氣壓、溫度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這類(lèi)數(shù)據(jù)對(duì)校準(zhǔn)氣候模型至關(guān)重要，而氣候模型正是天氣預(yù)報(bào)和氣候變化預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)?？梢哉f(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)讓我們得以探索一個(gè)此前完全無(wú)法持續(xù)飛行的高空大氣區(qū)。

設(shè)備的潛在應(yīng)用場(chǎng)景示意圖。（圖/Ben Schafer & Jong-hyoung Kim）

除此之外，這項(xiàng)技術(shù)還可應(yīng)用于國(guó)防與應(yīng)急通信。例如，部署一組此類(lèi)飛行器，可形成漂浮的天線(xiàn)陣列，其數(shù)據(jù)傳輸能力可媲美低軌衛(wèi)星（如 Starlink），但因離地更近而延遲更少。由于地球高層大氣與火星稀薄大氣的物理特性相似，這項(xiàng)技術(shù)在行星探索與外星通信中同樣具備潛力。

#參考來(lái)源：

https://seas.harvard.edu/news/2025/08/new-window-earths-upper-atmosphere

https://www.nature.com/articles/d41586-025-02355-7

https://www.sciencenews.org/article/sunlight-lightweight-aircraft-mesosphere

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：Ben Schafer & Jong-hyoung Kim