一個國際科學家小組利用美國國家航空暨太空總署（NASA）亞軌道火箭的觀測數據，首次成功測量了一個被認為與地球引力場和磁場同樣重要的全地球電場。這個電場被稱為”伏極性電場”，科學家們在60 多年前首次提出假設，認為它是地球大氣層在地球南北兩極上空逸散的驅動力。美國國家航空暨太空總署（NASA）”耐久”號火箭的測量結果證實了伏極電場的存在，並量化了它的強度，揭示了它在推動大氣逸散和塑造我們的電離層（上層大氣的一層）方面的廣泛作用。

從北極上空477 英里（768 公里）處的”耐力”號火箭飛船上看到的地理北極點。影像頂部微弱的紅色和綠色條紋是鏡頭眩光的偽影。資料來源：美國國家航空暨太空總署

美國國家航空暨太空總署（NASA）的”耐力”（Endurance）任務首次測量了籠罩地球的伏極電場，揭示了它對大氣逃逸的重大影響，並為了解潛在宜居行星的大氣條件提供了重要依據。圖片來源：NASA/概念圖像實驗室

了解我們星球大氣層的複雜運動和演變不僅能為地球的歷史提供線索，還能讓我們深入了解其他星球的奧秘，並確定哪些星球可能適合生命生存。該論文於2024年8月28日發表在《自然》雜誌。

電場將粒子引向太空

自1960 年代末期以來，飛越地球兩極的太空船探測到一股粒子流從大氣層流向太空。理論家們預測到了這種外流，並將其稱為”極地風”，從而推動了對其成因的研究。

我們的大氣層預計會有一定量的外流。強烈的、未經過濾的陽光應該會使我們空氣中的一些微粒逃逸到太空中，就像水蒸氣從鍋裡蒸發一樣。但觀測到的極地風更為神秘。其中的許多粒子都是冷的，沒有被加熱過的跡象，但它們卻以超音速飛行。

位於馬裡蘭州格林貝爾特的美國宇航局戈達德太空飛行中心的”耐力”計畫首席研究員、論文第一作者格林-科林森（Glyn Collinson）說：”一定有什麼東西把這些粒子從大氣中吸引出來。

假設的電場產生於亞原子尺度，預計會非常微弱，只有在數百英里範圍內才能感受到它的影響。幾十年來，探測電場超出了現有技術的極限。 2016年，科林森和他的團隊開始著手發明一種新儀器，他們認為這種儀器能夠勝任測量地球伏極性電場的任務。

安培極場的工作原理

科學家推測，這種電場應該從大約150 英里（250 公里）的高度開始，大氣層中的原子會在這裡分裂成帶負電的電子和帶正電的離子。

電子輕得令人難以置信–最輕微的能量都能讓它們射向太空。離子的重量至少是電子的1836 倍，往往會向地面下沉。如果只是引力在起作用，那麼這兩個族群一旦分離，就會隨著時間的推移而漸行漸遠。

但是，由於它們的電荷相反，就會形成一個電場，把它們拴在一起，防止電荷分離，抵消重力的一些影響。

動畫以電離層的特寫開始，電離層在緩慢旋轉的地球上空呈現為一條藍色弧線（未按比例）。然後由視角放大，顯示出構成大氣層大部分的氮（N2）。視圖向上平移，顯示電離層上部的輕元素原子氧。當來自太陽的光子與這些氣體碰撞時，電子會被撞散。當原子和分子失去電子時，它們就會帶正電，成為離子。這個過程稱為電離。在氧原子電離後，視角會發生變化，顯示出這些電離氣體的集合，即等離子體。當電子和離子的數量相等時，等離子體整體上既不帶正電也不帶負電，而是中性的。然而，單一粒子之間的磁場會像膠水一樣將它們拴在一起。這種電場稱為安培極電場。資料來源：美國國家航空暨太空總署/概念影像實驗室

這種電場是雙向的，或稱為”雙極”，因為它在兩個方向上都起作用。離子在重力作用下下沉時，會把電子也拉下來。同時，電子將試圖逃逸到太空中的離子提升到更高的高度，就像一隻小狗拉著它遲鈍的主人的皮帶一樣。兩極場的淨效應是延長大氣層的高度，將一些離子提升到足以隨極地風逃逸的高度。

動畫展示了伏極電場的兩個主要作用：使電離層膨脹和產生極地風。地球周圍閃閃發光的藍霧代表電離層中的等離子體。動畫開始時，電離層密度很高，離地球很近，但當對等離子體施加伏極性電場時，電離層就會膨脹，變得更高。這是因為與重離子相連的通電電子的牽引力略微超過了重力，從而產生了向上的升力。然而，氫離子非常輕，磁場的向上力是重力向下力的十倍。這使得氫離子加速上升到超音速，足以讓氫離子逃逸到地球磁極上方的太空。這種氫離子外流被稱為極地風，在動畫中表現為閃閃發光的白光沿著藍色磁場線向上移動，然後離開畫面。資料來源：美國國家航空暨太空總署/概念影像實驗室

從北極發射火箭

研究小組的儀器和想法最適合從北極發射亞軌道火箭飛行。為了向1914 年歐內斯特-沙克爾頓（Ernest Shackleton）前往南極洲的著名航程中搭載他的那艘船致敬，研究小組將他們的任務命名為”耐力號”（Endurance）。科學家設定了前往斯瓦爾巴群島的航線，斯瓦爾巴群島是挪威的群島，距離北極只有幾百英里，也是世界上最北端火箭發射場的所在地。

英國萊斯特大學空間物理學家、論文合著者蘇西-英博爾（Suzie Imber）說：”斯瓦爾巴群島是世界上唯一一個可以穿越極地風並進行我們所需的測量的火箭靶場。”

2022年5月11日，”耐力”號發射升空，飛行高度達到477.23英里（768.03公里），19分鐘後墜落在格陵蘭海。在其收集數據的322 英里高度範圍內，”耐力”號測量到的電位變化僅為0.55 伏特。

科林森說：”半伏特幾乎不算什麼–它只有手錶電池那麼強。但這恰好可以解釋極地風。”

耐力號火箭飛船從斯瓦爾巴群島的尼-奧勒松發射升空。圖片來源：Andøya Space/Leif Jonny Eilertsen安多亞太空公司/萊夫-喬尼-艾勒森

氫離子是極地風中最豐富的粒子類型，它從這個場受到的向外力比重力強10.6 倍。美國宇航局戈達德分部”耐力”項目科學家、論文合著者亞歷克斯-格洛瑟（Alex Glocer）說：”這足以抵消地心引力–事實上，這足以將它們以超音速向上發射到太空。

較重的粒子也會被推動。同一高度的氧離子浸泡在半伏特電場中，其重量只有原來的一半。總的來說，研究小組發現，伏極性場將電離層的”尺度高度”提高了271%，這意味著電離層的密度在更高的高度仍比沒有伏極性場時高。

科林森補充說：”它就像一條傳送帶，將大氣提升到太空中。”

耐力”號的發現為探索開闢了許多新的道路。伏極性電場是我們星球上與重力和磁力並存的基本能量場，它可能以我們現在可以開始探索的方式持續影響著我們大氣層的演變。由於它是由大氣層的內部動力產生的，因此類似的電場預計也會存在於其他行星上，包括金星和火星。

科林森說：”任何有大氣層的行星都應該有一個兩極場。現在我們終於測量到了它，我們可以開始了解它是如何隨著時間的推移塑造我們的星球以及其他星球的。”

編譯自/ ScitechDaily