一个国际科学家小组利用美国国家航空航天局（NASA）亚轨道火箭的观测数据，首次成功测量了一个被认为与地球引力场和磁场同样重要的全地球电场。这个电场被称为"伏极性电场"，科学家们在 60 多年前首次提出假设，认为它是地球大气层在地球南北两极上空逸散的驱动力。美国国家航空航天局（NASA）"耐久"号火箭的测量结果证实了伏极电场的存在，并量化了它的强度，揭示了它在推动大气逸散和塑造我们的电离层（上层大气的一层）方面的广泛作用。
从北极上空 477 英里（768 公里）处的 "耐力 "号火箭飞船上看到的地理北极点。图像顶部微弱的红色和绿色条纹是镜头眩光的伪影。资料来源：美国国家航空航天局
美国国家航空航天局（NASA）的"耐力"（Endurance）任务首次测量了笼罩地球的伏极电场，揭示了它对大气逃逸的重大影响，并为了解潜在宜居行星的大气条件提供了重要依据。图片来源：NASA/概念图像实验室
了解我们星球大气层的复杂运动和演变不仅能为地球的历史提供线索，还能让我们深入了解其他星球的奥秘，并确定哪些星球可能适合生命生存。该论文于2024年8月28日发表在《自然》杂志上。
电场将粒子引向太空
自 20 世纪 60 年代末以来，飞越地球两极的航天器探测到一股粒子流从大气层流向太空。理论家们预测到了这种外流，并将其称为"极地风"，从而推动了对其成因的研究。
我们的大气层预计会有一定量的外流。强烈的、未经过滤的阳光应该会使我们空气中的一些微粒逃逸到太空中，就像水蒸气从锅里蒸发一样。但观测到的极地风更加神秘。其中的许多粒子都是冷的，没有被加热过的迹象，但它们却以超音速飞行。
位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的"耐力"项目首席研究员、论文第一作者格林-科林森（Glyn Collinson）说："一定有什么东西把这些粒子从大气中吸引出来。科学家们怀疑可能是一种尚未发现的电场在起作用。"
假设的电场产生于亚原子尺度，预计会非常微弱，只有在数百英里范围内才能感受到它的影响。几十年来，探测电场超出了现有技术的极限。2016年，科林森和他的团队开始着手发明一种新仪器，他们认为这种仪器能够胜任测量地球伏极性电场的任务。
安培极场的工作原理
科学家们推测，这种电场应该从大约 150 英里（250 公里）的高度开始，大气层中的原子会在这里分裂成带负电的电子和带正电的离子。
电子轻得令人难以置信--最轻微的能量都能让它们射向太空。离子的重量至少是电子的 1836 倍，往往会向地面下沉。如果仅仅是引力在起作用，那么这两个种群一旦分离，就会随着时间的推移而渐行渐远。
但是，由于它们的电荷相反，就会形成一个电场，把它们拴在一起，防止电荷分离，抵消重力的一些影响。
动画以电离层的特写开始，电离层在缓慢旋转的地球上空呈现为一条蓝色弧线（未按比例）。然后视角放大，显示出构成大气层大部分的氮（N2）。视图向上平移，显示出电离层上部的轻元素原子氧。当来自太阳的光子与这些气体碰撞时，电子会被撞散。当原子和分子失去电子时，它们就会带正电，成为离子。这个过程被称为电离。在氧原子电离后，视角会发生变化，显示出这些电离气体的集合，即等离子体。当电子和离子的数量相等时，等离子体整体上既不带正电也不带负电，而是中性的。然而，单个粒子之间的磁场会像胶水一样将它们拴在一起。这种电场被称为安培极电场。资料来源：美国国家航空航天局/概念图像实验室
这种电场是双向的，或称"双极"，因为它在两个方向上都起作用。离子在重力作用下下沉时，会把电子也拉下来。与此同时，电子将试图逃逸到太空中的离子提升到更高的高度，就像一只小狗拽着它迟钝的主人的皮带一样。两极场的净效应是延长大气层的高度，将一些离子提升到足以随极地风逃逸的高度。
该动画展示了伏极电场的两个主要作用：使电离层膨胀和产生极地风。地球周围闪闪发光的蓝雾代表电离层中的等离子体。动画开始时，电离层密度很高，离地球很近，但当对等离子体施加伏极性电场时，电离层就会膨胀，变得更高。这是因为与重离子相连的通电电子的牵引力略微超过了重力，从而产生了向上的升力。然而，氢离子非常轻，磁场的向上力是重力向下力的十倍。这使得氢离子加速上升到超音速，足以让氢离子逃逸到地球磁极上方的太空中。这种氢离子外流被称为极地风，在动画中表现为闪闪发光的白光沿着蓝色磁场线向上移动，然后离开画面。资料来源：美国国家航空航天局/概念图像实验室
从北极发射火箭
研究小组的仪器和想法最适合从北极发射亚轨道火箭飞行。为了向 1914 年欧内斯特-沙克尔顿（Ernest Shackleton）前往南极洲的著名航程中搭载他的那艘船致敬，研究小组将他们的任务命名为"耐力号"（Endurance）。科学家们设定了前往斯瓦尔巴群岛的航线，斯瓦尔巴群岛是挪威的一个群岛，距离北极只有几百英里，也是世界上最北端火箭发射场的所在地。
英国莱斯特大学空间物理学家、论文合著者苏西-英博尔（Suzie Imber）说："斯瓦尔巴群岛是世界上唯一一个可以穿越极地风并进行我们所需的测量的火箭靶场。"
2022年5月11日，"耐力"号发射升空，飞行高度达到477.23英里（768.03公里），19分钟后坠落在格陵兰海。在其收集数据的 322 英里高度范围内，"耐力"号测量到的电势变化仅为 0.55 伏。
科林森说："半伏特几乎不算什么--它只有手表电池那么强。但这恰好可以解释极地风。"
耐力号火箭飞船从斯瓦尔巴群岛的尼-奥勒松发射升空。图片来源：Andøya Space/Leif Jonny Eilertsen安多亚太空公司/莱夫-乔尼-艾勒森
氢离子是极地风中最丰富的粒子类型，它从这个场中受到的向外力比重力强 10.6 倍。美国宇航局戈达德分部"耐力"项目科学家、论文合著者亚历克斯-格洛瑟（Alex Glocer）说："这足以抵消地心引力--事实上，这足以将它们以超音速向上发射到太空。"
较重的粒子也会得到推动。同一高度的氧离子浸泡在半伏电场中，其重量只有原来的一半。总的来说，研究小组发现，伏极性场将电离层的"尺度高度"提高了 271%，这意味着电离层的密度在更高的高度仍比没有伏极性场时高。
科林森补充说："它就像一条传送带，将大气提升到太空中。"
耐力"号的发现为探索开辟了许多新的道路。伏极性电场是我们星球上与重力和磁力并存的基本能量场，它可能以我们现在可以开始探索的方式持续影响着我们大气层的演变。由于它是由大气层的内部动力产生的，因此类似的电场预计也会存在于其他行星上，包括金星和火星。
科林森说："任何有大气层的行星都应该有一个两极场。现在我们终于测量到了它，我们可以开始了解它是如何随着时间的推移塑造我们的星球以及其他星球的。"
编译自/ScitechDaily