APP 撰文丨周煦之
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(xué)家發(fā)現(xiàn)，雙極電場(chǎng)是幫助大氣逃逸的“隱秘推手”之一。 雙極電場(chǎng)究竟是什么？它還有什么作用？
首先介紹一個(gè)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(dāng)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(shí)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?yàn)榛鹦谴髿夂芟”。谶@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(gè)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(gè)濃密的大氣層。那么這些大氣的粒子都到哪里去了？簡(jiǎn)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(gè)東西要逃離地球，或者說要擺脫地球的引力，都需要達(dá)到一個(gè)速度，叫第二宇宙速度，每秒11公里的樣子。當(dāng)然對(duì)于不同的行星這個(gè)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?yàn)樘右莸牧Ｗ犹嗔恕?/p>
但另一方面呢，也不是每一個(gè)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(gè)粒子速度非?？?，它會(huì)不會(huì)逃走呢？不會(huì)，因?yàn)樗芸炀蜁?huì)撞上另一個(gè)粒子，然后再撞上另一個(gè)，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?yàn)榱Ｗ又g不太容易發(fā)生碰撞，這些高速運(yùn)動(dòng)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(duì)于地球來說，大概要到500公里的高度。在這里釋放一個(gè)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(jī)制都可以促使大氣粒子逃離地球。比如說，如果有一個(gè)機(jī)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(huì)上升。這是因?yàn)闇囟确从车钠鋵?shí)是粒子的平均能量，溫度越高，就會(huì)有越多粒子速度可以超過第二宇宙速度，導(dǎo)致逃逸。具體的機(jī)制呢，太陽(yáng)輻射就不說了，提高溫度嘛。還有一些光化學(xué)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(yùn)動(dòng)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(dǎo)致大氣逃逸的機(jī)制，叫雙極電場(chǎng)。
這種電場(chǎng)導(dǎo)致的逃逸有一個(gè)顯著特點(diǎn)，就是它不會(huì)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(huì)被電離，變成帶正電的離子和帶負(fù)電的電子。大家可能也知道，在幾百公里的高度有一個(gè)區(qū)域叫電離層，這里無線電波會(huì)反射，導(dǎo)航信號(hào)會(huì)偏轉(zhuǎn)，都是因?yàn)殡婋x層里有很多的帶電粒子。但帶正電的離子和帶負(fù)電的電子有一個(gè)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(huì)迅速的向上運(yùn)動(dòng)，試圖離開地球。離子因?yàn)橹睾芏啵蜁?huì)被拖在后面。
但這個(gè)過程是不可持續(xù)的。因?yàn)橐坏╇x子和電子分開，離子在下面，電子在上面，空間中就會(huì)形成一個(gè)電場(chǎng)，由下方的離子指向上方的電子。這個(gè)向上的電場(chǎng)就叫做雙極電場(chǎng)。它的效果很明顯，會(huì)把電子往下拖，同時(shí)會(huì)把離子向上拽。所以這個(gè)機(jī)制會(huì)促進(jìn)離子上行，首先幫助它們到達(dá)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(gè)機(jī)制其實(shí)人們很早前就意識(shí)到了。上個(gè)世紀(jì)六十年代，就有人提出雙極電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致所謂的極風(fēng)，polar wind，極區(qū)的風(fēng)。也就是說，南北兩極上空的離子會(huì)在雙極電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，沿著磁力線逃離地球。但這個(gè)機(jī)制很長(zhǎng)時(shí)間都停留在理論層面。這是因?yàn)殡p極電場(chǎng)非常微弱，大概在微伏每米的量級(jí)，或者說高度變化了幾百公里，電位的變化可能只有零點(diǎn)幾伏特。所以人們之前測(cè)不出來。但這個(gè)電場(chǎng)到底有多小其實(shí)又很重要，因?yàn)橹灰妶?chǎng)稍微強(qiáng)一點(diǎn)點(diǎn)，導(dǎo)致的離子逃逸率就會(huì)高很多。這篇文章的亮點(diǎn)就是成功的測(cè)量了雙極電場(chǎng)的大小。
這個(gè)電場(chǎng)的測(cè)量是由美國(guó)“耐力”號(hào)探空火箭來執(zhí)行的。這個(gè)火箭的核心儀器叫做光電子譜儀，它直接測(cè)量的其實(shí)不是電場(chǎng)，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(yáng)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(shí)的能量也是固定的，24.09電子伏。當(dāng)然因?yàn)殡p極電場(chǎng)的存在，這些電子在運(yùn)動(dòng)的過程中能量會(huì)發(fā)生變化。另一方面呢，這種電子的產(chǎn)生只會(huì)發(fā)生在一個(gè)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(cè)量出這種光電子的能量隨高度的變化，就可以知道每個(gè)高度的電位是多少，也就可以反推出電場(chǎng)的大小了。
這個(gè)火箭的測(cè)量從250公里高度開始，一直到最高點(diǎn)770公里，然后又下落到70公里，信號(hào)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(chǎng)的強(qiáng)度大約是1.09微伏每米，當(dāng)然這里有一些不確定性，不過總體來說比之前的理論預(yù)測(cè)稍大一點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)雙極電場(chǎng)的大小，我們還可以想象，如果在250公里處釋放一個(gè)初始能量為0的氫離子，那么這個(gè)氫離子就會(huì)在雙極電場(chǎng)的作用下上升，并在770公里高度達(dá)到第二宇宙速度。也就是說，這個(gè)雙極電場(chǎng)的存在足以解釋氫離子的逃逸。當(dāng)然，如果要解釋氧離子逃逸的話，還需要一些額外的加速機(jī)制。
這個(gè)工作非常漂亮。首先這個(gè)方法非常獨(dú)特——我之前從沒有想到過，人們可以用這種間接的手段來測(cè)量空間中如此微小的電場(chǎng)。其次，它不僅證實(shí)了理論，還為理論未來的發(fā)展提供了新的數(shù)據(jù)。因?yàn)殡p極電場(chǎng)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(duì)行星大氣以及宜居性的演化一定會(huì)有更深刻的理解。
