图虫创意

大家的地球，有两个基本的能量场。第一个是引力，这是大家都很熟知的，假如没它，地球的大方层早就没办法保持，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，使大家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！

那样，什么是双极电场，让大家把目光聚焦到地球的大方上。

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方流向太空。这个外流被叫做“极地风”。 事实上，科学家早已预料到粒子会从大方流向太空，但奇怪的是，极地风中的很多粒子是冷的，并未显示出被加热的征兆，但它们却可以以超音速飞行。这就意味着，肯定有某些未知的东西影响了这类粒子，从而使它们流向太空。因此，科学家猜测，可能是一个尚未被发现的全球电场在起用途。

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方中的原子碰撞时，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。

电子是很轻的，仅需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，所以它们总是会向下沉。 假如只是引力在起用途，那样这两个粒子群一旦分开，就会伴随时间的推移而渐行渐远。但因为它们的电荷相反，就会形成一个电场，抵消了引力的一些影响，从而把它们拴在一块。

这种电场是双向的，或者叫“双极”，由于它在两个方向上都起用途。离子感觉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，因为电子从电离过程中获得了不少能量，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方中的电离层膨胀，这是由于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，氢离子是最容易见到的粒子，因为它们很轻，遭到的向上力是引力的10.6倍。这就加快了氢离子上升到超音速，使它们逃逸到太空。

然而，理论上，双极电场只用途于亚原子尺度，所以很微弱，只有在非常有限的范围内才能感觉到它的效应。因此，在过去的几十年里，因为技术的限制，大家一直没发现双极电场的存在。

转折点出目前2016年。当时，研究职员开始创造一种新的仪器，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。在采集数据的约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好像不算什么，但却刚刚好可以讲解极地风。

研究职员发现，双极电场将电离层的“尺度高度”提升了271%。这意味着，地球大方层膨胀了起来，离子比它们本来的地方更高了。

不过，不需要担忧的是，极地风并不会让大家失去大方，由于气体只能一点点流失。而同时，地球表面和地下深处也会不断向大方注入新的气体，譬如火山和光合用途就在这方面发挥了重大用途。

双极电场的发现是尤为重要的，它可能也在持续影响着地球大方的演变。知道地球大方的复杂运动和演变，不只能为地球历史提供线索，还能让大家更好地理解其他的行星，由于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

出品：中国科协科普部

监制：中国科技出版社公司、北京中科星河文化传媒公司

Tags：引力