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一个神秘的全球电场 终于被发现了!

20世纪60年代末起,飞越地球两极的航天器探测到了一股粒子流从大气流向太空。理论物理学家将其称为“极地风”。

事实上,从大气中流出一定量的粒子流是意料之中的事情。未经过滤的强烈阳光会让空气中的一些微粒逃逸到太空中,就像水蒸气从锅里蒸发了一样。

然而,极地风则更为神秘,因为其中的许多粒子都是冷的,并没有被加热的迹象,却能以超声速飞行。也就是说,一定有什么东西把这些粒子从大气中吸引了出来。科学家怀疑,可能是一个尚未发现的全球电场在起作用。

近日,一组国际科学家团队利用NASA亚轨道火箭“坚忍”号(Endurance Mission)的观测数据,首次证实了这个假说。他们量化了这个电场的强度,并揭示了它在推动大气逃逸和塑造电离层(上层大气的一层)方面的广泛作用。论文已发表在《自然》上。

将粒子引向太空

理论学家推测,在高层大气中,微弱的电场可能会将带电粒子抛入太空。他们预测这种电场应该始于大约250千米的高空。

当阳光照射到大气上层时,能量足以将电子从原子上“击落”,原子会在这里分成带负电的电子和带正电的离子。电子非常轻,只要最轻微的能量就能将它们射向太空。而离子的重量至少是电子的1836倍,它们往往会向地面沉降。

当来自太阳的光子与大气中的气体碰撞时,电子就会被“击落”。当原子和分子失去电子时,它们就成为带正电的离子。

如果仅仅是引力在起作用,那么这两个粒子群一旦分开,就会随着时间的推移而渐行渐远。但由于它们的电荷相反,会形成一个电场把它们拴在一起,防止电荷分离,抵消了引力的一些影响。

这种电场是双向的,或者叫“双极”,因为它在两个方向上都起作用。离子在引力作用下沉降时,会把电子也拉下来。与此同时,电子也会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主人的皮带一样。

热的、轻的电子会独立逃逸到太空中,但它们被双极场束缚在更重的离子上。这些离子感受到的引力是电子的一千多倍,它们会试图将电子拉向地球。但是电子从电离过程中获得了很多能量,因此它们会继续沿着磁场向上运动。

双极场的净效应是延长了大气的高度,将一些离子提升到足以随极地风逃逸的高度。要直观地理解这种微妙的电场对地球高层大气的影响,可以想象一下用气球摩擦猫咪的毛,带负电荷的电子相互排斥,猫毛就会向外蓬起来。而在双极场的影响下,地球上层大气也会膨胀,也有一些离子逃了出去。

从北极发射火箭

假想的电场产生于亚原子尺度,因此它应该非常微弱,只有在很有限的范围内才能感受到它的效应。几十年来,探测这种电场都超出了现有的技术极限。

直到2016年,研究人员开始着手发明一种新仪器,并计划从北极发射亚轨道火箭,完成测量地球电场的任务。

为了向1914年沙克尔顿(Ernest Shackleton)前往南极的著名航程致敬,团队将他们的任务命名为“坚忍号”。科学家前往北极点附近的斯瓦尔巴群岛,这是世界上最北端火箭发射场的所在地,也是世界上唯一一个可以穿越极地风,并进行所需测量的火箭发射场。

2022年5月11日,“坚忍”号发射升空,飞行高度达到768千米,并于19分钟后坠落在格陵兰海。在收集数据的约520千米的高度范围内,测量到的电势变化仅0.55伏。半伏特看起来似乎不算什么,差不多只有手表电池那么强,却恰好可以解释极地风。

氢离子是极地风中最丰富的粒子类型,它从这个场中受到的向外力是引力的10.6倍,这足以抵消引力,也足以将它们以超声速的速度向上发射到太空。

较重的粒子也同样得到了推动。对于同样高度的、也浸泡在半伏特的电场中的氧离子,重量只有原来的一半。总的来说,团队发现,双极场将电离层的“尺度高度”提高了271%。这意味着,地球大气层膨胀了起来,离子比它们本来的位置更高了。

当然,我们并不会因此而失去空气。即使极地风不停吹袭,地球上的氢也只是一点点地流失。与此同时,地球表面和地下深处也能不断向大气层注入新的气体,比如火山和光合作用就在这方面发挥了重大作用。

了解大气的演变

这个电场与地球引力场和磁场同样重要。作为基本的全球能量场之一,双极场或许也正不停塑造着大气的进化。

了解我们星球大气的复杂运动和演变,不仅能为地球历史提供线索,还能让我们深入了解其他星球的奥秘。

由于双极场是由大气的内部动力产生的,类似的电场应该也会存在于其他行星上,比如金星和火星。这也可能帮助解释火星的大气发生了什么变化,或者金星的大气是如何变成如今这样又厚又酸的,甚至还可以提供线索告诉我们到哪里去寻找遥远世界的可呼吸大气。

责任编辑: 李华  来源:环球科学 转载请注明作者、出处並保持完整。

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