發(fā)現(xiàn)地球的第三個(gè)基本能量場(chǎng)：一個(gè)覆蓋全球的神秘電場(chǎng)

圖蟲(chóng)創(chuàng)意

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

那么，什么是雙極電場(chǎng)，讓我們把目光聚焦到地球的大氣上。

在上個(gè)世紀(jì)60年代末，飛越地球兩極的航天器探測(cè)到了一股粒子流從大氣流向太空。這個(gè)外流被稱(chēng)為“極地風(fēng)”。 事實(shí)上，科學(xué)家早已預(yù)料到粒子會(huì)從大氣流向太空，但奇怪的是，極地風(fēng)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(xué)家猜測(cè)，或許是一個(gè)尚未被發(fā)現(xiàn)的全球電場(chǎng)在起作用。

科學(xué)家預(yù)測(cè)，這種電場(chǎng)應(yīng)該始于大約250千米的高空。

當(dāng)來(lái)自太陽(yáng)的光子與高層大氣中的原子碰撞時(shí)，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(fù)電的電子和帶正電的離子。這個(gè)過(guò)程叫做電離。

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(huì)向下沉。 如果僅僅是引力在起作用，那么這兩個(gè)粒子群一旦分開(kāi)，就會(huì)隨著時(shí)間的推移而漸行漸遠(yuǎn)。但由于它們的電荷相反，就會(huì)形成一個(gè)電場(chǎng)，抵消了引力的一些影響，從而把它們拴在一起。

這種電場(chǎng)是雙向的，或者叫“雙極”，因?yàn)樗趦蓚€(gè)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(huì)下沉并試圖將電子拉回地球。但同時(shí)，由于電子從電離過(guò)程中獲得了很多能量，所以在試圖逃逸到太空時(shí)又會(huì)拉離子一把。

雙極電場(chǎng)主要有兩個(gè)影響。第一個(gè)是它會(huì)使高層大氣中的電離層膨脹，這是因?yàn)榕c離子相連的帶電電子產(chǎn)生的牽引力會(huì)稍微比引力強(qiáng)一點(diǎn)，從而產(chǎn)生了向上的升力。第二個(gè)是產(chǎn)生極地風(fēng)。在極地風(fēng)中，氫離子是最常見(jiàn)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(chǎng)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(yīng)。因此，在過(guò)去的幾十年里，由于技術(shù)的限制，我們一直沒(méi)有發(fā)現(xiàn)雙極電場(chǎng)的存在。

轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在2016年。當(dāng)時(shí)，研究人員開(kāi)始發(fā)明一種新的儀器，并計(jì)劃在北極點(diǎn)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(chǎng)，也是世界上唯一一個(gè)可以穿越極地風(fēng)，并進(jìn)行所需測(cè)量的火箭發(fā)射場(chǎng)。

2022年5月11日，NASA的“堅(jiān)忍”號(hào)成功發(fā)射升空，飛行高度達(dá)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(cè)量到的電勢(shì)變化僅0.55伏。這么一點(diǎn)點(diǎn)的變化聽(tīng)起來(lái)似乎不算什么，但卻剛剛好可以解釋極地風(fēng)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，雙極電場(chǎng)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(lái)，離子比它們本來(lái)的位置更高了。

不過(guò)，無(wú)需擔(dān)心的是，極地風(fēng)并不會(huì)讓我們失去大氣，因?yàn)闅怏w只會(huì)一點(diǎn)點(diǎn)流失。而與此同時(shí)，地球表面和地下深處也會(huì)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(chǎng)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(fù)雜運(yùn)動(dòng)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?yàn)橥瑯拥氖虑榭赡芤舶l(fā)生在其他星球上。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

作者：原理

審核：孫志斌 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心 研究員

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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