證實地球新的基本能量場存在，NASA 首探測到「雙極電場」

皇帝 | 2024-10-5 08:46:39

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60 多年前，科學家首次提出「雙極電場」來解釋驅動極地風的自然力量，後者為帶電粒子從地球兩極穩定流至上方太空的神秘現象。現在，NASA 報告首度成功探測到覆蓋全球的雙極電場。

地球引力再怎麼強，仍有一定數量氣體從大氣層流出，強烈太陽風也會導致空氣一些顆粒逸入太空，就像水蒸氣從茶壺內蒸發一樣。但自 1960 年代末期以來，科學家還觀察到一股從大氣層流入太空的神秘粒子流，稱為極地風，當中許多粒子都相當冷、沒有被加熱跡象，卻以超音速傳播，激起研究人員好奇心。

科學家對此認為，地球大氣應該還隱藏另一股尚未發現的電場力量，稱為雙極電場（ambipolar electric field），負責將這些冷粒子從大氣中吸出並推入太空。之所以得此名，並非因為雙極電場位於兩極，而是因該電場的牽引力為雙向。

科學家推測，雙極電場應始於離地 250 公里處，大氣原子在此分解成帶負電的電子與帶正電的離子，由於電子非常輕，一點能量衝擊就能將它們轟向太空，而離子重量至少為電子 1,836 倍，往往沈向地表，若僅靠重力作用，電子和離子一旦分開就會隨時間推移逐漸疏遠，但因為電子、離子帶有相反電荷，因而會形成電場束縛彼此並抵消一些重力影響。

當電子因重力而下沈，離子會將電子向下拉至地表，同時當離子試圖逃逸到太空，電子也會將離子提升至更高高度，最終部分離子提升至足以隨極地風逃逸的高度，或者說，雙極電場幫忙延伸了大氣層高度。

研究人員推斷，電場對電離層的控制使磁層冷 O+ 離子供應量增加 3,800% 以上，其中波粒相互作用等機制可以加熱、進一步加速它們達到逃逸速度，而地球靜電場本身已足夠強大至能驅動極地風，也可能是主導磁層大部分冷 H+ 離子群的源頭，因此，新確認的雙極電場是推動離子離開地球大氣層進入太空、塑造磁層組成的另一個關鍵力量。

現在，NASA Endurance 任務團隊首度確認雙極電場存在，不僅量化該場強度，還表明雙極電場提升了電離層高度與密度，或者說雙極電場將高層大氣帶電粒子提升至比原本更高的位置，以某種待探索的新機制塑造地球大氣。

Endurance 號是枚發射用來測量地球全球電位的低軌道火箭，在 20 分鐘飛行中達到 768 公里高度，隨後墜入格陵蘭海。

根據火箭飛行過程測量到的數據，電位變化僅 0.55 V，強度與手錶電池差不多，但這種弱電場正好可以解釋極地風產生原因。

氫離子是極地風最豐富的粒子類型，在受到雙極電場的力後，其強度達重力 10.6 倍，足夠以超音速向上發射至太空，整體而言，雙極電場使電離層的標高（scale height）增加 271%，代表電離層到更高高度後仍維持一樣密度。

雙極電場的存在與磁場、重力場一樣，都是重要的基本能量場，有助我們解釋行星大氣層演化。由於雙極電場由大氣層內部動力學產生，科學家預計其他行星也存在類似電場，包括金星、火星。

新論文發表在《自然》（Nature）期刊。