我們呼吸的空氣，每天都在持續(xù)不斷的逃離地球。 它們是怎么逃走的呢？科學家發(fā)現(xiàn)，雙極電場是幫助大氣逃逸的“隱秘推手”之一。 雙極電場究竟是什么？它還有什么作用？

首先介紹一個概念，叫大氣逃逸。也就是說，我們每天呼吸的空氣，都在持續(xù)不斷的逃離我們的地球。當然它們的逃逸不算很快，每天也就是幾百噸的樣子，但如果我們考慮地球幾十億年的年齡的話，其實逃出去的粒子就非常多了，以至于它們完全可以影響一顆行星的演化過程。比如我們的鄰居火星，現(xiàn)在看起來就是一片沙漠，蠻荒之地。這是因為火星大氣很稀薄，在這么低的大氣壓下，水甚至都不能以液態(tài)形式存在。但歷史上的火星是有水的，這個可以從各種峽谷或者三角洲的地貌中看出來，這也意味著火星在幾十億年前曾經(jīng)擁有一個濃密的大氣層。那么這些大氣的粒子都到哪里去了？簡單的說，逃走了。

那么它們是怎么逃走的呢？大家可能知道，任何一個東西要逃離地球，或者說要擺脫地球的引力，都需要達到一個速度，叫第二宇宙速度，每秒11公里的樣子。當然對于不同的行星這個速度不一樣，在火星，第二宇宙速度要低很多，每秒5公里。所以火星粒子更容易發(fā)生逃逸，這也某種程度上解釋了為什么火星現(xiàn)在和地球這么不一樣，因為逃逸的粒子太多了。

但另一方面呢，也不是每一個粒子，只要速度夠高就能逃走。比如說在地球表面，如果有一個粒子速度非�？�，它會不會逃走呢？不會，因為它很快就會撞上另一個粒子，然后再撞上另一個，慢慢的能量就消耗掉了。所以只有在大氣密度比較低的地方，因為粒子之間不太容易發(fā)生碰撞，這些高速運動的粒子才可以逃走。那么哪里的大氣密度才夠低呢？高層大氣。對于地球來說，大概要到500公里的高度。在這里釋放一個粒子，只要速度超過11公里每秒，它就能逃出地球。

現(xiàn)在人們已經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，有很多機制都可以促使大氣粒子逃離地球。比如說，如果有一個機制能讓大氣溫度提高，尤其是高層大氣的溫度提高，那逃逸率就會上升。這是因為溫度反映的其實是粒子的平均能量，溫度越高，就會有越多粒子速度可以超過第二宇宙速度，導致逃逸。具體的機制呢，太陽輻射就不說了，提高溫度嘛。還有一些光化學過程，光子攜帶能量去撞擊高層大氣的分子，把它們撞成高速運動的原子或者離子。甚至來自太空的高能粒子也可以撞擊高層大氣，產(chǎn)生類似的效果。那么這篇論文呢，講的就是另一種導致大氣逃逸的機制，叫雙極電場。

這種電場導致的逃逸有一個顯著特點，就是它不會作用于中性粒子，而只能作用在帶電粒子上。我們剛才也提到了，在高層大氣中，有些分子會被電離，變成帶正電的離子和帶負電的電子。大家可能也知道，在幾百公里的高度有一個區(qū)域叫電離層，這里無線電波會反射，導航信號會偏轉，都是因為電離層里有很多的帶電粒子。但帶正電的離子和帶負電的電子有一個很大的不同，就是電子是非常輕的。所以哪怕在同樣的溫度下，電子的熱速度比離子要高很多。所以可以想象，在高層大氣中，電子會迅速的向上運動，試圖離開地球。離子因為重很多，就會被拖在后面。

但這個過程是不可持續(xù)的。因為一旦離子和電子分開，離子在下面，電子在上面，空間中就會形成一個電場，由下方的離子指向上方的電子。這個向上的電場就叫做雙極電場。它的效果很明顯，會把電子往下拖，同時會把離子向上拽。所以這個機制會促進離子上行，首先幫助它們到達500公里左右的高度，然后如果這些離子足夠快的話，還可以直接逃逸出地球。

這個機制其實人們很早前就意識到了。上個世紀六十年代，就有人提出雙極電場會導致所謂的極風，polar wind，極區(qū)的風。也就是說，南北兩極上空的離子會在雙極電場的驅動下，沿著磁力線逃離地球。但這個機制很長時間都停留在理論層面。這是因為雙極電場非常微弱，大概在微伏每米的量級，或者說高度變化了幾百公里，電位的變化可能只有零點幾伏特。所以人們之前測不出來。但這個電場到底有多小其實又很重要，因為只要電場稍微強一點點，導致的離子逃逸率就會高很多。這篇文章的亮點就是成功的測量了雙極電場的大小。

這個電場的測量是由美國“耐力”號探空火箭來執(zhí)行的。這個火箭的核心儀器叫做光電子譜儀，它直接測量的其實不是電場，而是在地球大氣中產(chǎn)生的一種很特別的光電子。這種光電子來源于太陽輻射中的一條特定的譜線，30.4納米的氦II譜線，所以這種光電子產(chǎn)生時的能量也是固定的，24.09電子伏。當然因為雙極電場的存在，這些電子在運動的過程中能量會發(fā)生變化。另一方面呢，這種電子的產(chǎn)生只會發(fā)生在一個很窄的高度范圍內(nèi)，也就是250到300公里之間。所以只要我們能夠測量出這種光電子的能量隨高度的變化，就可以知道每個高度的電位是多少，也就可以反推出電場的大小了。

這個火箭的測量從250公里高度開始，一直到最高點770公里，然后又下落到70公里，信號消失。得到的數(shù)據(jù)就是這種光電子的能量隨高度的變化曲線。作者做了一些修正和擬合，發(fā)現(xiàn)雙極電場的強度大約是1.09微伏每米，當然這里有一些不確定性，不過總體來說比之前的理論預測稍大一點。根據(jù)這個雙極電場的大小，我們還可以想象，如果在250公里處釋放一個初始能量為0的氫離子，那么這個氫離子就會在雙極電場的作用下上升，并在770公里高度達到第二宇宙速度。也就是說，這個雙極電場的存在足以解釋氫離子的逃逸。當然，如果要解釋氧離子逃逸的話，還需要一些額外的加速機制。

這個工作非常漂亮。首先這個方法非常獨特——我之前從沒有想到過，人們可以用這種間接的手段來測量空間中如此微小的電場。其次，它不僅證實了理論，還為理論未來的發(fā)展提供了新的數(shù)據(jù)。因為雙極電場的理論不僅適用于地球，也同樣適用于其它行星，包括火星，所以我們可以期待，未來人們對行星大氣以及宜居性的演化一定會有更深刻的理解。

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