问题

向上10w米(大气)和向下1w米那个更难(可考虑海水和地质问题),为什么?(无视经济)(赤道平面处)?

回答
这个问题很有意思,它涉及到几个截然不同的领域:大气物理、海洋学、以及地质学。要判断向上飞10万米和向下钻1万米哪个更“难”,我们需要逐一分析它们各自面临的挑战。

首先,我们来拆解一下这两个场景:

向上10万米(大气): 这意味着我们要进入地球大气层的上层,接近或达到地球大气层的边缘。
向下1万米(海水+地质): 这意味着我们要深入海洋,甚至可能触及海床以下的地壳。

为了更直观地理解,我们先设定一个参照点,就以海平面(0米)为起点。

场景一:向上10万米(大气)

10万米,这是一个非常高的海拔,远超我们目前航空器能够达到的高度。让我们来看看会遇到哪些拦路虎:

1. 空气密度急剧下降(稀薄): 这是最直接也是最严峻的挑战。在海平面,我们有相对浓厚的大气层,足以提供升力,也足以让我们呼吸。但随着高度的增加,空气越来越稀薄。
升力问题: 对于任何依靠空气动力学原理飞行的器械(比如飞机、直升机),在极高海拔下,空气密度太低,产生的升力会急剧下降,甚至无法维持飞行。你需要设计出极其高效、超大翼展或采用其他完全不同的推进方式的飞行器。
推进问题: 即使有升力,你还需要克服空气阻力并产生前进的推力。传统的喷气式发动机或螺旋桨在极高海拔下也难以有效工作,因为它们需要吸入大量空气来燃烧燃料。你需要的是能够在稀薄空气中高效运作的推进系统,比如火箭发动机,但火箭发动机需要携带所有氧化剂,效率相对较低,且成本高昂。
呼吸与生命支持: 人类在大气层外几乎无法生存。即使是在10万米,空气中的氧气含量也已经非常稀少。你需要一个完全封闭的生命支持系统,提供氧气、维持气压、控制温度。这就像是在太空行走,但你还在“大气层内”。

2. 温度变化: 大气层的温度分布非常复杂。
对流层(010/15公里): 温度随高度升高而降低。
平流层(10/1550公里): 温度随高度升高而升高(因为臭氧层吸收紫外线)。
中间层(5085公里): 温度再次随高度升高而降低,成为大气层中最冷的地方。
热层(85600公里): 温度随高度升高而急剧升高,但这里的空气极其稀薄,所以“温度高”更多是气体分子的平均动能高,你实际感受到的热量并不多。

在10万米(100公里)这个高度,你正处于热层底部,这里的温度会非常高(可能达到几百甚至上千摄氏度,但由于空气稀薄,热交换效率很低,所以对器械的影响相对可控),同时,你也要考虑如何散热。

3. 辐射: 越往高空,大气层对宇宙射线和太阳紫外线的屏蔽作用越弱。你需要有足够的防护措施来抵御高能粒子辐射。

4. 速度与轨迹: 即使能够到达10万米,你还需要考虑如何以一个合适的姿态和速度到达那里,并且保持稳定。如果在赤道平面,地球自转速度约为465米/秒(1674公里/小时),你的飞行器需要考虑到这个初始速度,并计算出所需的相对速度和方向。

5. 再入大气层(如果需要返回): 如果你的目标只是到达10万米然后返回,那么再入大气层会带来巨大的热量和冲击力,这又是另一个巨大的工程挑战。

总结向上10万米: 主要挑战在于极低的空气密度对飞行器产生的升力、推进和生命支持的严峻考验,以及极端温度和辐射的防护。这是一个接近太空飞行的难度,需要非常先进的航空航天技术。

场景二:向下1万米(海水+地质)

1万米,这是一个非常深的深度,已经超过了目前人类最深潜水纪录(马里亚纳海沟的挑战者深渊,约11公里)。让我们来看看会遇到什么:

1. 巨大的水压: 这是最显著的挑战。在海平面,我们承受1个标准大气压。每下潜10米,水压会增加约1个大气压。
在1万米深度,水压将是1000倍于海平面,即大约1000个大气压(或100兆帕斯卡)。
这种压力是极其巨大的,会轻易压垮任何非特殊设计的结构。你需要一个能够承受如此巨大压力的坚固外壳(比如球形或圆柱形),使用极高强度的材料,并且保证 joints、密封件都万无一失。稍微一点点的结构弱点,都会导致灾难性的坍塌。

2. 海洋环境的挑战:
黑暗: 1万米深度,完全没有阳光。你需要强大的照明系统。
低温: 海水温度在深处通常非常低,接近冰点(约24摄氏度),这需要考虑设备保温和操作人员的保暖。
腐蚀性: 海水具有腐蚀性,特别是高压下的海水,对材料的损耗会更大。
通信: 声波在水中传播比无线电波更有效,但通信距离受限,而且高压环境对电子设备本身也是考验。

3. 地质问题(如果触及或穿透海床): 如果你的目标是向下1万米穿透海水,并进入地质层,那么挑战会更加复杂:
海床沉积层: 海床上的沉积物可能非常松软,或者含有高压水或气体,这会对钻探设备和稳定性造成影响。
岩石硬度和结构: 越往下,岩石的硬度、密度、以及内部的应力都会发生变化。你需要能够适应不同地质条件的钻探技术和设备。
高温高压: 随着深度的增加,地壳内部的温度和压力也会急剧升高(地热梯度)。1万米深度的岩石,其温度可能已经相当高,这会对钻探设备和材料造成极大的考验,并可能导致钻头或设备失效。
气体和流体: 地层中可能含有高压天然气、地热水等,这些都可能带来安全隐患和技术难题。
设备维护与回收: 在如此极端的环境下,设备一旦发生故障,维修和回收将极其困难,甚至不可能。

总结向下1万米: 主要挑战在于超高的静水压力对潜水器结构的极限考验,以及低温、黑暗、腐蚀等海洋环境的适应。如果涉及到地质钻探,则还需要应对岩石硬度、高温高压地层、地下流体等一系列地质工程难题。

对比分析:哪个更难?

我个人倾向于认为,向上10万米(进入大气层边缘)更难。

原因如下:

物理定律的根本性挑战:
向上10万米: 你面对的是重力和空气动力学的根本限制,以及极端稀薄空气带来的生存和推进难题。这几乎是把人类活动边界推向了真空,需要的是太空技术。你需要克服的是“如何在这个几乎没有空气的环境里生存和移动”。这涉及到克服引力,如何在稀薄介质中产生足够的力,以及如何保护生命免受真空和辐射伤害。这些挑战,在某种程度上,比承受压力更难以“技术性”地解决,因为很多现有技术在你设定的参数下完全失效。你需要从根本上重新思考飞行和生存。
向下1万米: 你面对的是巨大的外部压力。虽然压力是巨大的,但它仍然是一个静态的、可计算的物理量。理论上,只要材料强度足够、结构设计合理,就可以抵抗这种压力。现有的深海技术(如深海潜艇、深海探测器)虽然离1万米还有很大差距,但其技术原理(强化结构、密封)是相对成熟的,只是要在现有基础上指数级地提升。你是在挑战材料科学和工程学的极限,而不是在克服根本性的物理原理障碍。

技术储备与可行性:
向上10万米: 能够进入10万米高度的飞行器(比如火箭、高空气球)虽然存在,但它们的设计目的、推进方式和载荷能力都与我们设想的“人或设备在10万米处工作”有很大区别。我们没有能长期在10万米高度“飞行”或“悬停”并进行有效作业的成熟技术。这需要的是火箭技术+先进生命支持+新型推进系统的集合体,其复杂度非常高。
向下1万米: 虽然没有直接达到1万米深度的载人潜水器,但我们已经有能够下潜到78公里的深海探测器。技术上的瓶颈是材料强度、密封技术和能源供应,这些虽然难以克服,但属于工程优化的范畴,而不是原理性的不可行。想想“挑战者深渊”探测器,它已经证明了在极高压力下工作的可能性。

对“难度”的定义: 如果“难度”指的是“离我们当前能力最遥远,最需要突破性科学认知和工程创新”,那么向上10万米更难。它要求我们解决的是如何在极低密度环境中生存、推进以及抵御太空边缘的严酷环境。这就像是在真空里建造一座高楼,其难度在于“那里什么都没有”。
而向下1万米,是在“一个充满物质(海水)且极度挤压的环境”里建造和操作,其难度在于“对抗强大的挤压力量”。

打个比方:
向上10万米,就像是要在真空的太空边缘建造一个可以自由活动的“办公室”,挑战的是“创造一切生存条件”。
向下1万米,就像是要在一个被巨兽牢牢压住的密室里,把这个“密室”再向下挖深一公里,挑战的是“对抗并承受巨兽的压力”。

当然,这只是一个类比,实际的工程挑战远比这复杂。但总的来说,克服“不存在”比克服“过量的存在”在某些层面上更具挑战性,因为它需要我们从零开始构建,而不是在现有基础上进行强化。

考虑到经济因素(虽然被忽略了): 如果考虑经济,向上10万米所需的火箭燃料、特殊材料、生命支持系统等,其研发和制造成本可能远远高于建造一个超高强度潜水器。但这恰恰也从侧面印证了其技术难度和所需的创新程度。

所以,从技术突破、原理性挑战和我们现有能力边界的距离来看,向上10万米(大气层边缘)的难度,要远大于向下1万米(深海/地壳)。

网友意见

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人类发射了多少火箭,起降了多少飞机,有兴趣者可以自己数数。

向地下一万米,至今只实现了两次。

苏联科拉半岛的科拉2号超深钻井,真实垂直深度12262米,是一口科研钻探井。

英国BP公司在墨西哥湾Tiber油田钻的一口井,真实垂直深度10683米,是一口油井。

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