20世紀60年代末起，飛越地球兩極的太空飛行器探測到了一股粒子流從大氣流向太空。理論物理學家將其稱為「極地風」。
事實上，從大氣中流出一定量的粒子流是意料之中的事情。未經過濾的強烈陽光會讓空氣中的一些微粒逃逸到太空中，就像水蒸氣從鍋里蒸發了一樣。
然而，極地風則更為神秘，因為其中的許多粒子都是冷的，並沒有被加熱的跡象，卻能以超音速飛行。也就是說，一定有什麼東西把這些粒子從大氣中吸引了出來。科學家懷疑，可能是一個尚未發現的全球電場在起作用。
近日，一組國際科學家團隊利用NASA亞軌道火箭「堅忍」號（Endurance Mission）的觀測數據，首次證實了這個假說。他們量化了這個電場的強度，並揭示了它在推動大氣逃逸和塑造電離層（上層大氣的一層）方面的廣泛作用。論文已發表在《自然》上。
將粒子引向太空
理論學家推測，在高層大氣中，微弱的電場可能會將帶電粒子拋入太空。他們預測這種電場應該始於大約250千米的高空。
當陽光照射到大氣上層時，能量足以將電子從原子上「擊落」，原子會在這裡分成帶負電的電子和帶正電的離子。電子非常輕，只要最輕微的能量就能將它們射向太空。而離子的重量至少是電子的1836倍，它們往往會向地盤下陷。
當來自太陽的光子與大氣中的氣體碰撞時，電子就會被「擊落」。當原子和分子失去電子時，它們就成為帶正電的離子。
如果僅僅是引力在起作用，那麼這兩個粒子群一旦分開，就會隨著時間的推移而漸行漸遠。但由於它們的電荷相反，會形成一個電場把它們拴在一起，防止電荷分離，抵消了引力的一些影響。
這種電場是雙向的，或者叫「雙極」，因為它在兩個方向上都起作用。離子在引力作用下沉降時，會把電子也拉下來。與此同時，電子也會將試圖逃逸到太空中的離子提升到更高的高度，就像一隻小狗拽著它主人的皮帶一樣。
熱的、輕的電子會獨立逃逸到太空中，但它們被雙極場束縛在更重的離子上。這些離子感受到的引力是電子的一千多倍，它們會試圖將電子拉向地球。但是電子從電離過程中獲得了很多能量，因此它們會繼續沿著磁場向上運動。
雙極場的淨效應是延長了大氣的高度，將一些離子提升到足以隨極地風逃逸的高度。要直觀地理解這種微妙的電場對地球高層大氣的影響，可以想像一下用氣球摩擦貓咪的毛，帶負電荷的電子相互排斥，貓毛就會向外蓬起來。而在雙極場的影響下，地球上層大氣也會膨脹，也有一些離子逃了出去。
從北極發射火箭
假想的電場產生於亞原子尺度，因此它應該非常微弱，只有在很有限的範圍內才能感受到它的效應。幾十年來，探測這種電場都超出了現有的技術極限。
直到2016年，研究人員開始著手發明一種新儀器，並計劃從北極發射亞軌道火箭，完成測量地球電場的任務。
為了向1914年沙克爾頓（Ernest Shackleton）前往南極的著名航程致敬，團隊將他們的任務命名為「堅忍號」。科學家前往北極點附近的斯瓦爾巴群島，這是世界上最北端火箭發射場的所在地，也是世界上唯一一個可以穿越極地風，並進行所需測量的火箭發射場。
2022年5月11日，「堅忍」號發射升空，飛行高度達到768千米，並於19分鐘後墜落在格陵蘭海。在收集數據的約520千米的高度範圍內，測量到的電勢變化僅0.55伏。半伏特看起來似乎不算什麼，差不多只有手錶電池那麼強，卻恰好可以解釋極地風。
氫離子是極地風中最豐富的粒子類型，它從這個場中受到的向外力是引力的10.6倍，這足以抵消引力，也足以將它們以超音速的速度向上發射到太空。
較重的粒子也同樣得到了推動。對於同樣高度的、也浸泡在半伏特的電場中的氧離子，重量只有原來的一半。總的來說，團隊發現，雙極場將電離層的「尺度高度」提高了271%。這意味著，地球大氣層膨脹了起來，離子比它們本來的位置更高了。
當然，我們並不會因此而失去空氣。即使極地風不停吹襲，地球上的氫也只是一點點地流失。與此同時，地球表面和地下深處也能不斷向大氣層注入新的氣體，比如火山和光合作用就在這方面發揮了重大作用。
了解大氣的演變
這個電場與地球引力場和磁場同樣重要。作為基本的全球能量場之一，雙極場或許也正不停塑造著大氣的進化。
了解我們星球大氣的複雜運動和演變，不僅能為地球歷史提供線索，還能讓我們深入了解其他星球的奧秘。
由於雙極場是由大氣的內部動力產生的，類似的電場應該也會存在於其他行星上，比如金星和火星。這也可能幫助解釋火星的大氣發生了什麼變化，或者金星的大氣是如何變成如今這樣又厚又酸的，甚至還可以提供線索告訴我們到哪裡去尋找遙遠世界的可呼吸大氣。
