60多年前首次提出假設，雙極電場是極地風的關鍵驅動因素，極地風是發生在地球兩極上方的帶電粒子穩定流出到太空的現象。這個電場將我們高層大氣中的帶電粒子提升到比它們本來可以達到的更高的高度，並且可能以有待探索的方式塑造了我們星球的演化。

科林森 等人。報告在 250 公里到 768 公里之間存在一個+0.55 ± 0.09 V 的電位降，該電位降來自完全由電離層電子向外壓力產生的行星靜電場；他們透過實驗證明，地球的雙極場控制著極地電離層的結構，使尺度高度提高了 271%。圖片來源：美國太空總署。

自 1960 年代以來，飛越地球兩極的太空船探測到一股從大氣層流入太空的粒子流。

理論家預測了這種外流，他們稱之為極地風，激發了研究人員了解原因。

預計會有一定量的氣體從我們的大氣層中流出。強烈的、未經過濾的陽光會導致空氣中的一些顆粒逸入太空，就像水蒸氣從一壺水中蒸發一樣。但觀測到的極地風更為神秘。

裡面的許多粒子都是冷的，沒有被加熱的跡象——但它們卻以超音速傳播。

「一定有什麼東西把這些粒子從大氣中吸出來，」耐力號首席研究員、美國宇航局戈達德太空飛行中心的研究員格林·科林森博士說。

假設的亞原子尺度產生的電場預計非常弱，其影響只能在數百英里之外感受到。

幾十年來，檢測它超出了現有技術的極限。

2016 年，科林森博士和同事開始發明一種新儀器，他們認為該儀器能夠勝任測量地球雙極場的任務。

團隊的儀器和想法最適合從北極發射的亞軌道火箭飛行。

為了向歐內斯特·沙克爾頓 (Ernest Shackleton) 1914 年著名的南極洲航行所乘坐的船隻致敬，研究人員將他們的任務命名為“堅忍號”(Endurance)。

他們設定的航線是斯瓦爾巴群島，這是距離北極僅幾百英里的挪威群島，也是世界上最北的火箭靶場的所在地。

「斯瓦爾巴群島是世界上唯一一個可以在極地風中飛行並進行我們所需測量的火箭發射場，」萊斯特大學太空物理學家蘇西·安貝爾博士說。

2022 年 5 月 11 日，「耐力號」發射升空，高度達 768.03 公里（477.23 英里），19 分鐘後墜入格陵蘭海。

Endurance 在收集資料的 518.2 公里（322 英里）高度範圍內測量到的電位變化僅為 0.55 伏特 (V)。

「半伏特幾乎不算什麼——它的強度只相當於手錶電池的強度。但這正好可以解釋極地風，」科林森博士說。

氫離子是極地風中最豐富的粒子類型，受到來自該場的向外力，其強度是重力的 10.6 倍。

「這足以對抗重力——事實上，足以以超音速將它們向上發射到太空，」美國太空總署戈達德太空飛行中心研究員、耐力計畫科學家亞歷克斯·格洛瑟博士說。

較重的粒子也會增強。在同一高度，浸沒在半伏特電場中的氧離子的重量是原來的一半。

總的來說，科學家發現，雙極場使電離層的尺度高度增加了 271%，這意味著電離層的密度比沒有電離層時的密度更高。

「它就像這條傳送帶，將大氣層提升到太空中，」科林森博士說。

耐力的發現為探索開闢了許多新的道路。

雙極場作為地球上與重力和磁力並列的基本能量場，可能以我們現在可以開始探索的方式不斷塑造著我們大氣層的演化。

由於它是由大氣層的內部動力學產生的，因此預計其他行星上也存在類似的電場，包括金星和火星。

「任何有大氣層的行星都應該有雙極場。現在我們終於測量了它，我們可以開始了解它如何隨著時間的推移塑造我們的星球以及其他星球，」科林森博士說。

該團隊的結果出現在期刊上 自然。

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GA科林森 等人。 2024。 自然 632、1021-1025；編號：10.1038/s41586-024-07480-3

本文是美國太空總署戈達德太空飛行中心新聞稿的一個版本。