火星为什么没有大气层？可能也是因为双极电场

撰文丨周煦之我们呼吸的空气，每天都在持续不断的逃离地球。 它们是怎么逃走的呢？科学家发现，双极电场是帮助大气逃逸的“隐秘推手”之一。 双极电场究竟是什么？它还有什么作用？首先介绍一个概念，叫大气逃逸。也就是说，我们每天呼吸的空气，都在持续不断的逃离我们的地球。当然它们的逃逸不算很快，每天也就是几百吨的样子，但如果我们考虑地球几十亿年的年龄的话，其实逃出去的粒子就非常多了，以至于它们完全可以影响一颗行星的演化过程。比如我们的邻居火星，现在看起来就是一片沙漠，蛮荒之地。这是因为火星大气很稀薄，在这么低的大气压下，水甚至都不能以液态形式存在。但历史上的火星是有水的，这个可以从各种峡谷或者三角洲的地貌中看出来，这也意味着火星在几十亿年前曾经拥有一个浓密的大气层。那么这些大气的粒子都到哪里去了？简单的说，逃走了。那么它们是怎么逃走的呢？大家可能知道，任何一个东西要逃离地球，或者说要摆脱地球的引力，都需要达到一个速度，叫第二宇宙速度，每秒11公里的样子。当然对于不同的行星这个速度不一样，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发生逃逸，这也某种程度上解释了为什么火星现在和地球这么不一样，因为逃逸的粒子太多了。但另一方面呢，也不是每一个粒子，只要速度够高就能逃走。比如说在地球表面，如果有一个粒子速度非常快，它会不会逃走呢？不会，因为它很快就会撞上另一个粒子，然后再撞上另一个，慢慢的能量就消耗掉了。所以只有在大气密度比较低的地方，因为粒子之间不太容易发生碰撞，这些高速运动的粒子才可以逃走。那么哪里的大气密度才够低呢？高层大气。对于地球来说，大概要到500公里的高度。在这里释放一个粒子，只要速度超过11公里每秒，它就能逃出地球。现在人们已经研究发现，有很多机制都可以促使大气粒子逃离地球。比如说，如果有一个机制能让大气温度提高，尤其是高层大气的温度提高，那逃逸率就会上升。这是因为温度反映的其实是粒子的平均能量，温度越高，就会有越多粒子速度可以超过第二宇宙速度，导致逃逸。具体的机制呢，太阳辐射就不说了，提高温度嘛。还有一些光化学过程，光子携带能量去撞击高层大气的分子，把它们撞成高速运动的原子或者离子。甚至来自太空的高能粒子也可以撞击高层大气，产生类似的效果。那么这篇论文呢，讲的就是另一种导致大气逃逸的机制，叫双极电场。这种电场导致的逃逸有一个显著特点，就是它不会作用于中性粒子，而只能作用在带电粒子上。我们刚才也提到了，在高层大气中，有些分子会被电离，变成带正电的离子和带负电的电子。大家可能也知道，在几百公里的高度有一个区域叫电离层，这里无线电波会反射，导航信号会偏转，都是因为电离层里有很多的带电粒子。但带正电的离子和带负电的电子有一个很大的不同，就是电子是非常轻的。所以哪怕在同样的温度下，电子的热速度比离子要高很多。所以可以想象，在高层大气中，电子会迅速的向上运动，试图离开地球。离子因为重很多，就会被拖在后面。但这个过程是不可持续的。因为一旦离子和电子分开，离子在下面，电子在上面，空间中就会形成一个电场，由下方的离子指向上方的电子。这个向上的电场就叫做双极电场。它的效果很明显，会把电子往下拖，同时会把离子向上拽。所以这个机制会促进离子上行，首先帮助它们到达500公里左右的高度，然后如果这些离子足够快的话，还可以直接逃逸出地球。这个机制其实人们很早前就意识到了。上个世纪六十年代，就有人提出双极电场会导致所谓的极风，polar wind，极区的风。也就是说，南北两极上空的离子会在双极电场的驱动下，沿着磁力线逃离地球。但这个机制很长时间都停留在理论层面。这是因为双极电场非常微弱，大概在微伏每米的量级，或者说高度变化了几百公里，电位的变化可能只有零点几伏特。所以人们之前测不出来。但这个电场到底有多小其实又很重要，因为只要电场稍微强一点点，导致的离子逃逸率就会高很多。这篇文章的亮点就是成功的测量了双极电场的大小。这个电场的测量是由美国“耐力”号探空火箭来执行的。这个火箭的核心仪器叫做光电子谱仪，它直接测量的其实不是电场，而是在地球大气中产生的一种很特别的光电子。这种光电子来源于太阳辐射中的一条特定的谱线，30.4纳米的氦II谱线，所以这种光电子产生时的能量也是固定的，24.09电子伏。当然因为双极电场的存在，这些电子在运动的过程中能量会发生变化。另一方面呢，这种电子的产生只会发生在一个很窄的高度范围内，也就是250到300公里之间。所以只要我们能够测量出这种光电子的能量随高度的变化，就可以知道每个高度的电位是多少，也就可以反推出电场的大小了。这个火箭的测量从250公里高度开始，一直到最高点770公里，然后又下落到70公里，信号消失。得到的数据就是这种光电子的能量随高度的变化曲线。作者做了一些修正和拟合，发现双极电场的强度大约是1.09微伏每米，当然这里有一些不确定性，不过总体来说比之前的理论预测稍大一点。根据这个双极电场的大小，我们还可以想象，如果在250公里处释放一个初始能量为0的氢离子，那么这个氢离子就会在双极电场的作用下上升，并在770公里高度达到第二宇宙速度。也就是说，这个双极电场的存在足以解释氢离子的逃逸。当然，如果要解释氧离子逃逸的话，还需要一些额外的加速机制。这个工作非常漂亮。首先这个方法非常独特——我之前从没有想到过，人们可以用这种间接的手段来测量空间中如此微小的电场。其次，它不仅证实了理论，还为理论未来的发展提供了新的数据。因为双极电场的理论不仅适用于地球，也同样适用于其它行星，包括火星，所以我们可以期待，未来人们对行星大气以及宜居性的演化一定会有更深刻的理解。