地球的大气层
我们盼望着像鸟儿一样翱翔，在起飞愿望的驱使下，人类在古老的故事中飞上了天空。在许多文化的古代传说和神话中，人类飞行的故事层出不穷。亚历山大大帝经常被描绘成乘坐长着翅膀的战车，由四只神话中的狮鹫（狮身鹰翼鹰首兽）拉着腾空而起。考伊琴原住民的传说讲述了这样的故事：两个男孩对着独木舟唱歌，让独木舟从建造它的山顶飞过他们的村庄，飞向大海。古梵文史诗《罗摩衍那》和其他古印度典籍都描述了飞行的“维摩那”（vimana），即众神的自动战车。
最著名的人类飞行故事之一，是希腊神话中代达罗斯和他的儿子伊卡洛斯的故事。如果有人告诫过你不要飞得离太阳太近，他们就是在回顾这个古老的传说，警告你不要受到过度冒险和刺激的诱惑。
为了逃离克里特岛，工匠兼飞行员代达罗斯用蜡封粘的羽毛制作了两副翅膀：一副给自己，另一副给伊卡洛斯。他叮嘱儿子飞行时既不要太靠近大海，以免打湿羽毛，也不要太靠近太阳，以免高温熔化蜡。但是，年少叛逆的伊卡洛斯向着太阳越飞越高，直到翅膀上的蜡熔化，他坠入了无情的爱琴海中死去。这个警世故事比我们理解热力学、空气动力学和大气物理学的年代早了两千年，所以我们可以原谅故事中的不准确之处。伊卡洛斯肯定会死，但死因不是太阳的热量。
我们现在知道，伊卡洛斯和讲述这个故事的古希腊人并不知道，地球的大气层分为五层：对流层是所有动植物赖以生存和呼吸的地方，聚集了地球上四分之三的空气分子和99%的水蒸气。几乎所有的天气都出现在这一密度最大的层——根据纬度和季节的不同，对流层距离地球表面4～12英里[1]。由于地球的温度不断攀升，对流层的高度每十年会上升近200英尺[2]。在对流层的底部，即海平面，如今全球平均气温盘旋在59华氏度[3]左右。在对流层顶与平流层的交汇处，平均气温降至零下70华氏度，甚至更冷。
但是如果阳光在到达地球之前必须首先穿过大气层，而且如果通过向上飞行，你离太阳越来越近，那么对流层顶部区域不应该像伊卡洛斯这个故事的作者推测的那样，比海平面更暖和吗？任何到过高海拔地区的人都可以回答这个问题。事实上，他们的经验表明可能情况恰恰相反。登山者们知道，根据计算，每上升1 000英尺，平均气温下降约3.5华氏度。在珠穆朗玛峰基地营，春季白天的平均气温为60华氏度，夏尔巴人和登山者如果能活着到达顶峰，身边的气温会下降到零下20华氏度左右。事实证明，地球表面的温度波动与地球和太阳的距离完全无关，温度变化一定另有原因。
《伊卡洛斯的坠落》（1606—1607），卡洛·萨拉切尼（Carlo Saraceni）绘
我们先来看看伊卡洛斯离太阳有多近。我们假设他上升了10英里，这已经比任何飞机飞得都高了。太阳距离地球9 300万英里，那么伊卡洛斯飞得离太阳近了0.00001%。这么一点距离还不足以解释故事情节。
至于空气温度本身，我们必须首先掌握光和热之间的联系。我们的太阳发出电磁波谱中各种波长的光，为地球上几乎所有的生命提供能量。从长波长的柔和的无线电波到短波长的强烈的伽马射线，光谱是无穷无尽的。在长波和短波之间有一个狭窄的波段，我们称之为可见光，这是人眼能感知到的光谱的唯一部分。太阳等恒星散发出的近一半能量是可见光，一小部分是紫外线（UV，波长稍短），其余大部分是红外线（IR，波长稍长），我们感受到的是热。因此，地球上大多数动物进化出了能够感知无边界的电磁波谱中这些特定部分的复杂器官，这绝非巧合。
根据地球居民的进化过程，我们可以推测，环绕着不同类型恒星的另一颗行星上的外星人，也会发展出针对这种光组合的精密感知器官。环绕又冷又小的红矮星（银河系中最常见的恒星类型）的行星上的外星人，可能会看到他们的世界充斥着红外线，而难以感知高频的蓝色。
温度只是分子振动的一种度量，而所有分子都会振动。（在我们继续宇宙之旅的过程中，这是一个重要的事实。）任何温度高于绝对零度的物体，即宇宙万物，包括寒冷的冰山和最黑暗、最深邃的太空中的物质，都会释放电磁能。在较高温度下，发射的电磁能组合偏向于波长较短的光。温度越低，波长越长。太阳的平均表面温度约为10 000华氏度，在可见光频率上达到峰值，其他温度相近的物体也是如此。与此同时，地球上几乎所有的东西，包括我们98.6华氏度的身体和地球表面本身，都主要辐射波长较长（且不可见）的红外频率。这就是为什么晚上的篝火即使不再明显发光，第二天仍然会有余温。随着曾经烧得通红的煤块逐渐冷却，它发出的光的峰值频率会向下移动到更长的波长，并最终离开可见光谱。在你吃饱喝足后的很长一段时间里，这块煤炭依然暖烘烘的，充满了红外能量。
你是否注意到，正午的太阳处于最高点，但此时并不是一天中最热的时候，最热的时候出现在正午过后几个小时。我们在篝火中感受到但看不到的红外线，正是夏日午后闷热的原因。大气层会吸收太阳发出的部分红外光，并将其余的红外光传输到地球表面。但是太阳光最容易穿透空气的能量来自可见光，它可以毫发无损地穿透我们的大气层。我们的大气层对可见光是透明的，这一简单而深刻的事实让我们能够看到太阳、月亮和星座。
少量波长较短的紫外线也能穿透大气层和云层，这就是为什么黑色素缺乏的人即使在阴沉的日子里也要涂抹防晒霜，以避免晒伤和最终患上皮肤癌。当我们把脸转向太阳时，可见光和紫外线会与我们皮肤中的分子发生碰撞，激发其中的电子，将运动转化为热量，并将热量以红外辐射的形式散发出去。同样，地球表面的分子一旦吸收了各种波长的辐射，就会转化为红外线，并从地面重新发射出去。然后，红外能量通过大气层向上辐射，使吸收红外线的空气变暖。七月的一天之所以感觉炎热，不是因为太阳从上面加热了空气，而是因为地面从下面加热了空气。因此，对流层最热的部分位于地球表面。
地球发射的大部分红外线在返回太空的过程中，会与大气层中特定的分子发生碰撞，并被这些分子吸收。吸收能量后，这些分子会向各个方向重新发射能量，包括返回地球，在地球上被重新吸收和发射。我们把这种持续往复的循环称为温室效应。在更小的范围内，这种效应与发生在真正的温室和所有车窗紧闭的汽车内是一样的。可见光穿透透明玻璃，在内部转化为红外线，然后红外线被允许可见光穿透的窗户阻挡而无法逃逸。这样，室内空气的温度就会大大高于外部空气的温度，从而创造出一种封闭的小气候，让热带花卉感到舒适，而对于无人看管的宠物和儿童来说，这却是致命的。除非有车载木槿花或无花果的习惯，否则即使在阳光微弱的日子里，也最好把车窗打开。
事实上，地球上的生命受益于温和的温室效应。如果没有温室效应，地球的平均气温将保持在冰点以下，地球表面将变成冰雪冻原，不会出现我们所知的生命。幸运的是，我们的大气层通过气流在很大程度上稳定了昼夜温差。而在没有大气层的月球上，其表面温度波动很大，从白天炙热的250华氏度到夜晚寒冷的零下200华氏度。
那么，可怜的伊卡洛斯究竟会怎样呢？他的第一个愚蠢之处在于不了解空气动力学：他根本不可能升空逃离克里特岛。我们可以从小天使和秃鹰身上得到启示。它们都有翅膀，重量也差不多。但是，秃鹰真的会飞，而且不需要文艺复兴时期的画家的帮助。因此，小天使如若要飞，就需要像秃鹰那样的10英尺的翼展。如果按比例放大到一个成年人的体重，那么伊卡洛斯就需要大十倍的翅膀，以及需要合适的胸肌来扇动翅膀。因此，如果伊卡洛斯想飞，他就会摔个四脚朝天。
撇开这一点不谈，如果伊卡洛斯真的朝太阳飞去，他的身体和翅膀非但不会熔化，反而会在上升的过程中冻结，从而注定也会摔个粉身碎骨。1920年，著名的天体物理学家阿瑟·爱丁顿爵士对这一传说做出了更为宽容的解释：“也许伊卡洛斯还是有些可取之处的……我更愿意认为是他揭示了当时飞行器在结构上的缺陷。”