发现地球的第三个基本能量场：一个覆盖全球的神秘电场

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我们的地球，有两个基本的能量场。第一个是引力，这是我们都非常熟悉的，如果没有它，地球的大气层早就无法维持，向太空逃离了。第二个是磁场，它就像是地球的盾，形成一个巨大的保护曾，使我们不被来自太阳的高能粒子轰击。2024年8月28日，一篇发表在《自然》杂志上的研究表明，科学家发现了第三个覆盖全球的基本能量场：双极电场！

那么，什么是双极电场，让我们把目光聚焦到地球的大气上。

在上个世纪60年代末，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。这个外流被称为“极地风”。 事实上，科学家早已预料到粒子会从大气流向太空，但奇怪的是，极地风中的许多粒子是冷的，并未显示出被加热的迹象，但它们却能够以超音速飞行。这就意味着，一定有某些未知的东西影响了这些粒子，从而使它们流向太空。因此，科学家猜测，或许是一个尚未被发现的全球电场在起作用。

科学家预测，这种电场应该始于大约250千米的高空。

当来自太阳的光子与高层大气中的原子碰撞时，光子的能量足以将电子从原子上剥离。因此，原子就分裂成了带负电的电子和带正电的离子。这个过程叫做电离。

电子是非常轻的，只需要最轻微的能量就能使它们逃逸到太空去。而离子就要重得多了， 它至少比电子重1836倍，所以它们往往会向下沉。 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，就会形成一个电场，抵消了引力的一些影响，从而把它们拴在一起。

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。离子感受到的引力是电子的一千多倍，所以它们会下沉并试图将电子拉回地球。但同时，由于电子从电离过程中获得了很多能量，所以在试图逃逸到太空时又会拉离子一把。

双极电场主要有两个影响。第一个是它会使高层大气中的电离层膨胀，这是因为与离子相连的带电电子产生的牵引力会稍微比引力强一点，从而产生了向上的升力。第二个是产生极地风。在极地风中，氢离子是最常见的粒子，由于它们非常轻，受到的向上力是引力的10.6倍。这就加速了氢离子上升到超音速，使它们逃逸到太空。

然而，理论上，双极电场只作用于亚原子尺度，所以非常微弱，只有在很有限的范围内才能感受到它的效应。因此，在过去的几十年里，由于技术的限制，我们一直没有发现双极电场的存在。

转折点出现在2016年。当时，研究人员开始发明一种新的仪器，并计划在北极点附近的斯瓦尔巴群岛发射火箭。斯瓦尔巴群岛是世界上最北端的火箭发射场，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，NASA的“坚忍”号成功发射升空，飞行高度达到768.03千米，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。这么一点点的变化听起来似乎不算什么，但却刚刚好可以解释极地风。

研究人员发现，双极电场将电离层的“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。

不过，无需担心的是，极地风并不会让我们失去大气，因为气体只会一点点流失。而与此同时，地球表面和地下深处也会不断向大气注入新的气体，比如火山和光合作用就在这方面发挥了重大作用。

双极电场的发现是非常重要的，它可能也在持续影响着地球大气的演变。了解地球大气的复杂运动和演变，不仅能为地球历史提供线索，还能让我们更好地理解其他的行星，因为同样的事情可能也发生在其他星球上。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：原理

审核：孙志斌 中国科学院国家空间科学中心 研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司