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2022年04年24日
美国国家航空航天局(NASA) 2024-08-28
关键点
一个国际科学家小组利用美国国家航空航天局 (NASA) 亚轨道火箭的观测数据,首次成功测量了全球电场,该电场被认为对地球而言与重力和磁场一样重要。60 多年前,科学家们首次假设,正是这种双极电场决定了地球大气层如何逃逸到地球的南北极。美国国家航空航天局 (NASA) 耐力号任务火箭的测量结果证实了双极场的存在并量化了其强度,揭示了其在驱动大气逃逸和更广泛地塑造电离层(高层大气的一层)方面的作用。
电场将粒子拉向太空
自 20 世纪 60 年代末以来,飞越地球两极的航天器已探测到从地球大气层流向太空的粒子流。理论家预测了这种外流,并将其称为“极地风”,并促使人们研究其成因。
预计大气中会有一定量的外流。强烈的、未经过滤的阳光应该会导致空气中的一些粒子逸出到太空,就像一壶水中蒸发出的蒸汽一样。但观测到的极地风更加神秘。其中的许多粒子是冷的,没有迹象表明它们被加热了——但它们却以超音速飞行。
“一定有某种东西将这些粒子从大气中吸出来,”美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心的“耐力”号首席研究员、该论文的主要作者格林·科林森 (Glyn Collinson) 说。科学家们怀疑,一种尚未发现的电场可能在起作用。
假设的电场是在亚原子尺度上产生的,预计会非常微弱,其影响范围只有数百英里。几十年来,探测它超出了现有技术的极限。2016 年,科林森和他的团队开始发明一种他们认为可以测量地球双极场的新仪器。
双极场的工作原理
高层大气中的弱电场可能会将带电粒子发射到太空。
科学家推测,这种电场应该始于大约 150 英里(250 公里)的高度,大气中的原子在此分裂成带负电的电子和带正电的离子。
电子非常轻——最轻微的能量冲击就能将它们射向太空。离子至少重 1,836 倍,而且往往会沉向地面。如果只有引力在起作用,那么一旦分离,这两个群体就会随着时间的推移而逐渐分离。
但由于它们带有相反的电荷,会形成一个电场将它们束缚在一起,防止电荷分离并抵消部分引力的影响。
这种电场是双向的,或称为“双极”,因为它在两个方向上都起作用。离子在重力作用下下沉时会将电子拉下。与此同时,电子在试图逃往太空时会将离子提升到更高的高度,就像一只小狗拉着它懒散的主人的皮带一样。
双极场的净效应是延伸大气的高度,将一些离子提升到足够高的高度,以便随着极地风逃逸。
从北极发射火箭
该团队的仪器和想法最适合从北极发射的亚轨道火箭飞行。为了向 1914 年载着欧内斯特·沙克尔顿前往南极洲的著名航行的船只致敬,该团队将他们的任务命名为“坚忍号”。科学家们将航线设定为斯瓦尔巴群岛,这是挪威的一个群岛,距离北极仅几百英里,也是世界上最北端的火箭发射场所在地。
英国莱斯特大学空间物理学家、论文共同作者苏西·伊姆贝尔 (Suzie Imber) 表示:“斯瓦尔巴群岛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,“耐力号”发射升空,达到 477.23 英里(768.03 公里)的高度,19 分钟后坠入格陵兰海。在收集数据的 322 英里高度范围内,“耐力号”测量到的电势变化仅为 0.55 伏。
“半伏的电压几乎不算什么——它只相当于手表电池的强度,”柯林森说。“但这个强度刚好可以解释极地风。”
氢离子是极地风中最丰富的粒子类型,它受到的外力比重力强 10.6 倍。“这足以抵消重力——事实上,足以以超音速将它们向上发射到太空,”NASA 戈达德“耐力”项目科学家、论文合著者亚历克斯·格洛瑟 (Alex Glocer) 说。
较重的粒子也会得到增强。处于同一高度的氧离子,浸没在半伏特的磁场中,重量只有原来的一半。总体而言,研究小组发现,双极场使电离层的“标高”增加了 271%,这意味着电离层在更高的地方比没有双极场时更密集。
“它就像一条传送带,将大气层提升到太空,”科林森补充道。
耐力号的发现为探索开辟了许多新道路。双极场是地球与重力和磁力并列的基本能量场,它可能以我们现在可以开始探索的方式不断塑造着我们大气层的演变。由于它是由大气层的内部动力学产生的,因此预计其他行星上也存在类似的电场,包括金星和火星。
“任何有大气层的行星都应该有一个双极场,”柯林森说。“现在我们终于测量了它,我们可以开始了解它是如何随着时间的推移塑造我们的星球以及其他星球的。”
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