20世纪60年代末起，飞越地球两极的航天器探测到了一股粒子流从大气流向太空。理论物理学家将其称为“极地风”。

事实上，从大气中流出一定量的粒子流是意料之中的事情。未经过滤的强烈阳光会让空气中的一些微粒逃逸到太空中，就像水蒸气从锅里蒸发了一样。

然而，极地风则更为神秘，因为其中的许多粒子都是冷的，并没有被加热的迹象，却能以超声速飞行。也就是说，一定有什么东西把这些粒子从大气中吸引了出来。科学家怀疑，可能是一个尚未发现的全球电场在起作用。

近日，一组国际科学家团队利用NASA亚轨道火箭“坚忍”号（Endurance Mission）的观测数据，首次证实了这个假说。他们量化了这个电场的强度，并揭示了它在推动大气逃逸和塑造电离层（上层大气的一层）方面的广泛作用。论文已发表在《自然》上。

将粒子引向太空

理论学家推测，在高层大气中，微弱的电场可能会将带电粒子抛入太空。他们预测这种电场应该始于大约250千米的高空。

当阳光照射到大气上层时，能量足以将电子从原子上“击落”，原子会在这里分成带负电的电子和带正电的离子。电子非常轻，只要最轻微的能量就能将它们射向太空。而离子的重量至少是电子的1836倍，它们往往会向地面沉降。

当来自太阳的光子与大气中的气体碰撞时，电子就会被“击落”。当原子和分子失去电子时，它们就成为带正电的离子。（视频/NASA/Conceptual Image Lab/Wes Buchanan/Krystofer Kim）

如果仅仅是引力在起作用，那么这两个粒子群一旦分开，就会随着时间的推移而渐行渐远。但由于它们的电荷相反，会形成一个电场把它们拴在一起，防止电荷分离，抵消了引力的一些影响。

这种电场是双向的，或者叫“双极”，因为它在两个方向上都起作用。离子在引力作用下沉降时，会把电子也拉下来。与此同时，电子也会将试图逃逸到太空中的离子提升到更高的高度，就像一只小狗拽着它主人的皮带一样。

热的、轻的电子会独立逃逸到太空中，但它们被双极场束缚在更重的离子上。这些离子感受到的引力是电子的一千多倍，它们会试图将电子拉向地球。但是电子从电离过程中获得了很多能量，因此它们会继续沿着磁场向上运动。（视频/NASA/Conceptual Image Lab/Wes Buchanan/Krystofer Kim）

双极场的净效应是延长了大气的高度，将一些离子提升到足以随极地风逃逸的高度。要直观地理解这种微妙的电场对地球高层大气的影响，可以想象一下用气球摩擦猫咪的毛，带负电荷的电子相互排斥，猫毛就会向外蓬起来。而在双极场的影响下，地球上层大气也会膨胀，也有一些离子逃了出去。

从北极发射火箭

假想的电场产生于亚原子尺度，因此它应该非常微弱，只有在很有限的范围内才能感受到它的效应。几十年来，探测这种电场都超出了现有的技术极限。

直到2016年，研究人员开始着手发明一种新仪器，并计划从北极发射亚轨道火箭，完成测量地球电场的任务。

为了向1914年沙克尔顿（Ernest Shackleton）前往南极的著名航程致敬，团队将他们的任务命名为“坚忍号”。科学家前往北极点附近的斯瓦尔巴群岛，这是世界上最北端火箭发射场的所在地，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，“坚忍”号发射升空，飞行高度达到768千米，并于19分钟后坠落在格陵兰海。在收集数据的约520千米的高度范围内，测量到的电势变化仅0.55伏。半伏特看起来似乎不算什么，差不多只有手表电池那么强，却恰好可以解释极地风。



火箭于斯瓦尔巴群岛新奥勒松发射升空。（图/Andøya Space/Leif Jonny Eilertsen）

氢离子是极地风中最丰富的粒子类型，它从这个场中受到的向外力是引力的10.6倍，这足以抵消引力，也足以将它们以超声速的速度向上发射到太空。

较重的粒子也同样得到了推动。对于同样高度的、也浸泡在半伏特的电场中的氧离子，重量只有原来的一半。总的来说，团队发现，双极场将电离层的“尺度高度”提高了271%。这意味着，地球大气层膨胀了起来，离子比它们本来的位置更高了。

当然，我们并不会因此而失去空气。即使极地风不停吹袭，地球上的氢也只是一点点地流失。与此同时，地球表面和地下深处也能不断向大气层注入新的气体，比如火山和光合作用就在这方面发挥了重大作用。

了解大气的演变

这个电场与地球引力场和磁场同样重要。作为基本的全球能量场之一，双极场或许也正不停塑造着大气的进化。

了解我们星球大气的复杂运动和演变，不仅能为地球历史提供线索，还能让我们深入了解其他星球的奥秘。

由于双极场是由大气的内部动力产生的，类似的电场应该也会存在于其他行星上，比如金星和火星。这也可能帮助解释火星的大气发生了什么变化，或者金星的大气是如何变成如今这样又厚又酸的，甚至还可以提供线索告诉我们到哪里去寻找遥远世界的可呼吸大气。