全球電場新發(fā)現(xiàn)：揭開地球第三種基本能量場的神秘面紗

圖蟲創(chuàng)意

我們的地球，有兩個基本的能量場。第一個是引力，這是我們都非常熟悉的，如果沒有它，地球的大氣層早就無法維持，向太空逃離了。第二個是磁場，它就像是地球的盾，形成一個巨大的保護層，使我們不被來自太陽的高能粒子轟擊。2024年8月28日，一篇發(fā)表在《自然》雜志上的研究宣布，科學家發(fā)現(xiàn)了第三個覆蓋全球的基本能量場：雙極電場！

那么，什么是雙極電場，讓我們把目光聚焦到地球的大氣上。

在上個世紀60年代末，飛越地球兩極的航天器探測到了一股粒子流從大氣流向太空。這個外流被稱為“極地風”。 事實上，科學家早已預料到粒子會從大氣流向太空，但奇怪的是，極地風中的許多粒子是冷的，并未顯示出被加熱的跡象，但它們卻能夠以超音速飛行。這就意味著，一定有某些未知的東西影響了這些粒子，從而使它們流向太空。因此，科學家猜測，或許是一個尚未被發(fā)現(xiàn)的全球電場在起作用。

科學家預測，這種電場應該始于大約250千米的高空。

當來自太陽的光子與高層大氣中的原子碰撞時，光子的能量足以將電子從原子上剝離。因此，原子就分裂成了帶負電的電子和帶正電的離子。這個現(xiàn)象叫做電離。

電子是非常輕的，只需要最輕微的能量就能使它們逃逸到太空去。而離子就要重得多了， 它至少比電子重1836倍，所以它們往往會向下沉。 如果僅僅是引力在起作用，那么這兩個粒子群一旦分開，就會隨著時間的推移而漸行漸遠。但由于它們的電荷相反，就會形成一個電場，抵消了引力的一些影響，從而把它們拴在一起。

這種電場是雙向的，或者叫“雙極”，因為它在兩個方向上都起作用。離子感受到的引力是電子的一千多倍，所以它們會下沉并試圖將電子拉回地球。但同時，由于電子從電離過程中獲得了很多能量，所以在試圖逃逸到太空時又會拉離子一把。

雙極電場主要有兩個影響。第一個是它會使高層大氣中的電離層膨脹，這是因為與離子相連的帶電電子產(chǎn)生的牽引力會稍微比引力強一點，從而產(chǎn)生了向上的升力。第二個是產(chǎn)生極地風。在極地風中，氫離子是最常見的粒子，由于它們非常輕，受到的向上力是引力的10.6倍。這就加速了氫離子上升到超音速，使它們逃逸到太空。

然而，理論上，雙極電場只作用于亞原子尺度，所以非常微弱，只有在很有限的范圍內(nèi)才能感受到它的效應。因此，在過去的幾十年里，由于技術(shù)的限制，我們一直沒有發(fā)現(xiàn)雙極電場的存在。

轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在2016年。當時，研究人員開始發(fā)明一種新的儀器，并計劃在北極點附近的斯瓦爾巴群島發(fā)射火箭。斯瓦爾巴群島是世界上最北端的火箭發(fā)射場，也是世界上唯一一個可以穿越極地風，并進行所需測量的火箭發(fā)射場。

2022年5月11日，NASA的“堅忍”號成功發(fā)射升空，飛行高度達到768.03千米，并于19分鐘后墜落在格陵蘭海。在收集數(shù)據(jù)的約520千米的高度范圍內(nèi)，測量到的電勢變化僅0.55伏。這么一點點的變化聽起來似乎不算什么，但卻剛剛好可以解釋極地風。

研究人員發(fā)現(xiàn)，雙極電場將電離層的“尺度高度”提高了271%。這意味著，地球大氣層膨脹了起來，離子比它們本來的位置更高了。

不過，無需擔心的是，極地風并不會讓我們失去大氣，因為氣體只會一點點流失。而與此同時，地球表面和地下深處也會不斷向大氣注入新的氣體，比如火山和光合作用就在這方面發(fā)揮了重大作用。

雙極電場的發(fā)現(xiàn)是非常重要的，它可能也在持續(xù)影響著地球大氣的演變。了解地球大氣的復雜運動和演變，不僅能為地球歷史提供線索，還能讓我們更好地理解其他的行星，因為同樣的事情可能也發(fā)生在其他星球上。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

作者：原理

審核：孫志斌 中國科學院國家空間科學中心 研究員

出品：中國科協(xié)科普部

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