半世纪谜团终揭晓：地球大气层存在微弱却关键的电力场
科学家们半个多世纪以来一直怀疑，一种安静但强大的电力场可能影响着地球的高层大气。如今，得益于在北极附近进行的一次大胆的火箭任务，这个谜团终于被解开。这项发现证实，一种隐藏的电力在地球高层大气中延伸，在地球空气逃逸到太空的过程中发挥着重要作用。
这种微弱但稳定的电力场，被称为双极性电力场（ambipolar electric field），有助于带电粒子从两极附近离开地球大气层。虽然人们长期以来一直预测这种电力场的存在，但从未被测量过——直到NASA的“Endurance”任务最终捕获了它。
微小的电力场，巨大的作用
在地球高空，大气层开始变得稀薄，原子分解成带电粒子——轻电子和重离子。通常情况下，重力会将离子向下拉，而轻得多的电子则会向上漂移。但是，电荷不喜欢被分离。随着电子开始逃逸，一种电力场形成以将它们和离子结合在一起。该电力场将离子向上推，同时减慢电子的速度。
科学家们将这种平衡称为双极性电力场。它就像一场无形的拔河比赛，防止电荷分离。虽然强度很小——不到一伏特——但它作用于巨大的距离，从地球上方约250到770公里。它的影响是微妙的，但却是强大的。
领导NASA这项最终测量该电力场任务的首席科学家格林·柯林森（Glyn Collinson）说：“它就像一条传送带，将大气层提升到太空。”
双极性电力场不会加热粒子。相反，它悄悄地将它们移动到更高的高度，在那里，其他的力量可以将其带到更远的地方进入太空。科学家们现在知道，它的强度足以以超音速将氢离子从地球发射出去，使其获得的向上力是重力的10倍以上。
“Endurance”任务：穿越极地风
NASA的“Endurance”任务于2022年5月11日从斯瓦尔巴德群岛（Svalbard）发射，这是一个靠近北极的偏远群岛。该发射场使研究小组能够进入极地风（polar wind），极地风是从地球大气层上方两极流出的带电粒子流。
参与这项任务的空间物理学家苏西·因伯（Suzie Imber）说：“斯瓦尔巴德群岛是世界上唯一的火箭发射场，您可以在那里穿越极地风并进行我们需要的测量。”
该火箭达到了768公里的高度——约477英里——然后在19分钟后重新进入大气层并溅落在格陵兰海。在飞行过程中，“Endurance”号收集了13分钟的宝贵数据，捕捉到粒子能量水平如何随高度变化。
通过测量阳光产生的电子在升高时速度减慢的程度，科学家们可以跟踪电力场的影响。这些电子能量的变化显示了电力场对它们的拉力有多大。这就是研究小组如何测量到整个区域的总电势降仅为0.55伏特。
“半伏特几乎不算什么——它的强度只相当于一块手表电池，”柯林森说。“但这正好足以解释极地风。”
小数字，大影响
即使测量的电压很小，但其影响是巨大的。该电力场为氢离子提供了足够的能量来克服地球的引力并逃逸到太空。这些离子构成了极地风的大部分，如果没有这种温和的提升，许多离子将不会离开大气层。
该电力场还提升了较重的离子，例如氧气。它使电离层的厚度——或“标高”——增加了271%。这意味着如果没有该电力场，该层在太空中保持的密度会更高。由于该电力场，地球磁边界边缘附近的等离子体密度增加了3800%以上。
柯林森解释说：“这表明双极性电力场为更高的高度提供了初步的提升。其他机制，例如波粒相互作用，从那里接管以推动粒子达到逃逸速度。”
如果没有这种提升，较重的粒子可能永远无法达到摆脱地球大气层所需的高度。
60年理论后的首次真实测量
自1960年代以来，科学家们注意到粒子以极地风的形式从地球两极逃逸。但是，一些粒子，特别是冷的氢离子，似乎没有足够的热量来以如此快的速度行进。一定还有另一种解释。
理论指向了一种隐藏的电力场，但从未有人测量过它。仪器不够灵敏，无法检测到如此小的电力场延伸数百英里。当柯林森的研究小组制造了一种定制的光电子能谱仪（PES）时，这种情况发生了变化，该光谱仪能够捕获由该电力场引起的粒子能量的微小变化。
PES使用太阳辐射，特别是来自30.4纳米处氦的明亮发射，以触发电离层中的电子。这些电子产生了PES跟踪的能量峰值。随着火箭的升高，这些峰值在能量上降低了——证明了电力场正在对抗电子。
除了PES之外，另外两个仪器——FIELDS和扫描朗缪尔探针——帮助确认了整个火箭飞行过程中该电力场的强度和一致性。所有三个仪器都对该电力场的测量结果一致：约1.09微伏/米，在测量区域内产生0.55伏特的电势降。
“这个微小的电压足以解释整个极地风，”Endurance的项目科学家亚历克斯·格洛瑟（Alex Glocer）说。
确认来源：纯电子压力
研究小组还想知道是什么导致了该电力场。他们根据电子的垂直压力（即其热压力随高度的变化）进行了计算。如果压力差与观察到的电力场相符，则将证实该理论。
数据吻合。双极性电力场与基于经典电子压力的预测相符，而无需包括其他力。这意味着整个电力场是由一个基本的物理原理驱动的：较轻的电子试图逃逸并拖动较重的离子。
与火星和金星不同，火星和金星可能存在来自其他来源的更强的电力场，地球的极地双极性电力场似乎完全来自这个过程。这是了解地球高层大气以及其他行星的关键。
柯林森说：“任何具有大气层的行星都应具有双极性电力场。既然我们终于测量了它，我们就可以开始了解它如何随着时间的推移塑造了我们的星球以及其他星球。”
了解地球以及其他世界的新方法
“Endurance”号的发现为大气如何演化的新研究打开了大门。由于双极性电力场来自内部动力学——不需要外部力量——因此它应出现在任何具有带电高层大气层的行星上。
例如，金星和火星已经显示出其电离层中存在强电力场的迹象。但是，地球新测量的电力场要弱得多，也微妙得多。通过直接测量它，科学家们可以更好地了解地球的大气如何随时间变化以及有多少物质损失到太空中。
这对寻找生命也有影响。了解哪些行星具有正确类型的大气层——以及该空气是保留还是逃逸——可以帮助科学家们决定下一步在哪里寻找。
回到地球，“Endurance”号的成功表明了智能工程和大胆科学结合在一起的可能性。曾经只是理论的电力场现在已经被测量和绘制出来，为长期存在的问题提供了答案，并开启了探索的新途径。
该研究论文发表在《自然》杂志上。
