科学家在地球上发现了长期寻找的全球电场

一个国际科学家小组利用美国宇航局亚轨道火箭的观测数据，首次成功测量了全球电场，该电场被认为对地球而言与重力和磁场一样重要。

双极电场，即科学家们在60多年前首次提出的假设，认为它决定了地球大气层如何逃逸到地球的南北极。NASA的“耐力”号火箭的测量结果证实了双极电场的存在，并量化了其强度，揭示了它在推动大气逃逸和更广泛地塑造电离层(高层大气的一层)方面的作用。

了解地球大气层的复杂运动和演变不仅可以为地球的历史提供线索，还可以让我们了解其他行星的奥秘，并确定哪些行星可能适合生命生存。有关该主题的研究论文发表在《自然》杂志上。

电场将粒子拉向太空

自20世纪60年代末以来，飞越地球两极的航天器已探测到从地球大气层流向太空的粒子流。理论家预测了这种外流，并将其称为“极地风”，并促使人们研究其成因。

预计大气中会有一定量的外流。强烈的、未经过滤的阳光应该会导致空气中的一些粒子逸出到太空，就像一壶水中蒸发出的蒸汽一样。但观测到的极地风更加神秘。其中的许多粒子是冷的，没有迹象表明它们被加热了——但它们却以超音速飞行。

“一定有某种东西将这些粒子从大气中吸出来，”美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心的“耐力”号首席研究员、该论文的主要作者格林·科林森说。科学家们怀疑，一种尚未发现的电场可能在起作用。

假设的电场是在亚原子尺度上产生的，预计会非常微弱，其影响范围只有数百英里。几十年来，探测它超出了现有技术的极限。2016年，科林森和他的团队开始发明一种他们认为可以测量地球双极场的新仪器。

从位于北极上空477英里(768公里)的“耐力”号火箭上看到的北极。图片顶部的淡红色和绿色条纹是镜头眩光造成的。图片来源：NASA

从北极发射火箭

该团队的仪器和想法最适合从北极发射的亚轨道火箭飞行。为了向1914年载着欧内斯特·沙克尔顿前往南极洲的著名航行的船只致敬，该团队将他们的任务命名为“坚忍号”。科学家们将航线设定为斯瓦尔巴群岛，这是挪威的一个群岛，距离北极仅几百英里，也是世界上最北端的火箭发射场所在地。

英国莱斯特大学空间物理学家、论文共同作者苏西·伊姆贝尔(SuzieImber)表示：“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测量的火箭发射场。”

2022年5月11日，“耐力号”发射升空，达到477.23英里(768.03公里)的高度，19分钟后坠入格陵兰海。在收集数据的322英里高度范围内，“耐力号”测量到的电势变化仅为0.55伏。

“半伏的电压几乎不算什么——它只相当于一块手表电池的强度，”柯林森说。“但这个强度刚好可以解释极地风。”

氢离子是极地风中最丰富的粒子类型，它受到的向外力比重力强10.6倍。

美国宇航局戈达德耐力号项目科学家、论文共同作者亚历克斯·格洛瑟说：“这足以抵消重力——事实上，足以将它们以超音速发射到太空。”

较重的粒子也会得到增强。处于同一高度的氧离子，浸没在半伏特的磁场中，重量只有原来的一半。总体而言，研究小组发现，双极场使电离层的“标高”增加了271%，这意味着电离层在更高的地方仍比没有双极场时更密集。

“它就像一条传送带，将大气层提升到太空，”科林森补充道。

耐力号的发现为探索开辟了许多新道路。双极场是地球与重力和磁力并列的基本能量场，它可能以我们现在可以开始探索的方式不断塑造着我们大气层的演变。由于它是由大气层的内部动力学产生的，因此预计其他行星上也存在类似的电场，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双极场。现在我们终于测量了它，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。”

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