撰文：美国宇航局/戈达德太空飞行中心            2021 年 11 月 29 日

北极光（资料图片）。

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地球上发生的事情，不会留在地球上。

利用美国宇航局“圣象使命”的观测结果，科学家们首次直接测量了，地球在太空边缘长期存在的发电机------横跨我们头顶上方 60 多英里的一台风力发电机。发电机在电离层中搅动，因此改变了地球和太空之间的边界。它由高层大气中的潮汐风提供动力，潮汐风比大多数飓风速度都要快，并从下层大气升起，创造了一个可以影响地球上的卫星和技术的电环境。

今天发表在《自然-地球科学》上的这项新研究，改善了我们对电离层的理解，这有助于科学家更好地预测空间天气，并保护我们的技术免受其影响。

“圣象使命”于 2019 年推出，是电离层连接探索者的缩写，旨在解开地球天气与太空天气的相互作用。无线电和 GPS 信号穿过电离层，那里是极光和国际空间站的所在地。带电粒子的空袋或密集浪涌会破坏这些信号。

研究大气和太空天气的科学家，长期以来一直将地球发电机纳入他们的模型，因为他们知道它具有重要影响。但是由于信息很少，他们不得不对其工作原理做出一些假设。来自 ICON 的数据，是对为发电机提供燃料，并最终影响太空天气的的风的首次具体观察，并将其输入到这些模型中。

“ICON 在太空的第一年表明，预测这些风，是提高我们预测电离层发生情况的能力的关键，”加州大学伯克利分校的 ICON 首席研究员、这项新研究的主要作者托马斯. 伊梅尔说。

地球的高空发电机

电离层就像一个由太阳产生，并与中性高层大气混合的带电粒子的晃动的海洋。电离层夹在地球和太空之间，对上方太阳和下方地球的变化做出反应。来自每一方的影响有多大，是研究人员有兴趣弄清楚的。研究了一年的 ICON 数据，研究人员发现，他们观察到的大部分变化起源于低层大气。

发电机通过在磁场中反复移动带电导体（如铜线）来工作。电离层充满了被称为等离子体的带电气体，就像一根电线，或者更确切地说，是一堆电流直接流过的乱七八糟的电线。  就像地球核心中的发电机一样，大气中的发电机通过运动产生电磁场。

热层中的强风，即以高温而闻名的高层大气层，将电离层中的载流等离子体，推过像洋葱一样围绕地球旋转的无形磁场。与带负电的小电子相比，风更倾向于推动厚实的带正电粒子。加州大学伯克利分校的物理学家、合著者布赖恩·哈丁说，“你得到的加号与减号的移动方式不同，那是电流。”

在大多数发电机中，这些组件紧密绑定，因此它们保持原状并按可预测的方式运行，但是电离层可以随意移动。伊梅尔说，“电流产生自己的磁场，当它穿过地球时，它会与地球磁场排斥。所以你最终会用一根电线试图摆脱。这是一个凌乱的发电机。”

跟随电离层的奇思妙想，是预测空间天气潜在影响的关键。根据风吹的方式，电离层中的等离子体会射向太空或坠向地球。这种行为是电离层和地球电磁场之间拉锯战的结果。

位于电离层下端的发电机，长期以来一直是个谜，因为它很难观察。对于探空气球来说太高，而对于卫星来说太低，它使研究人员无法使用许多研究近地空间的工具。ICON 拥有独特的装备，可以利用高层大气的自然辉光，探测等离子体的运动，从上方调查这部分电离层。

ICON 同时观察到强大的风和迁移的等离子体。科罗拉多州博尔德市国家大气研究中心的另一位研究合著者兼 ICON 科学家阿斯特力德.迈特说，“这是我们第一次可以在没有任何假设的情况下，判断风对电离层行为的影响有多大。”

伊梅尔说，只有在过去十年左右的时间里，科学家们才意识到这些上升的风有多大的变化。“预计高层大气不会迅速变化，”他说。“但日复一日它确实如此，我们发现这一切都是由于低层大气造成的变化。”

风力

熟悉的是掠过地球表面的风，从温和的微风，到以不同方式吹来的强劲阵风。

高空风是一种不同的野兽。在距离地面 60 到 95 英里的较低热层中，风可以以相同的速度（约 250 英里/小时）向同一方向吹动数小时，然后突然反转方向。（相比之下，最强的 5 级飓风，也不过具有每小时 157 英里或更高的速度。）

这些戏剧性的变化是空气波（称为潮汐）的结果，当低层大气在白天升温然后在夜间降温时，就会在地球表面产生潮汐。它们每天在天空中汹涌澎湃，承载着来自下方的变化。

大气层离地表越远，它变得越薄，扰乱这些运动的湍流就越少。这意味着在地表附近产生的小潮汐，在到达高层大气时会变得更大。“那里风的变化主要由下面发生的事情控制，”哈丁说。

ICON 的新风测量帮助科学家了解，这些跨越全球的潮汐模式及其影响。

潮汐在天空中荡漾，在穿过电离层之前不断增强和增长，发电机呼呼响作为回应。

科学家们分析了 ICON 第一年的数据，发现高空风对电离层的影响很大。“我们追踪了电离层如何移动的模式，并且有一个清晰的波浪状结构，”哈丁说。 他解释说，风的变化直接对应于距离地球表面 370 英里的、等离子体的舞蹈。

“等离子体运动的一半，可归因于我们在同一条磁场线上观察到的风，”伊梅尔说。“这告诉你，如果你想预测等离子体正在做什么，这是一个重要的观察。”

ICON 的第一年观测恰逢太阳活动极小期，即太阳 11 年活动周期的安静阶段。在此期间，太阳的行为是低沉的、持续的嗡嗡声。伊梅尔说，“我们知道太阳并没有做什么，但我们从下面看到了很多变化，然后电离层发生了显着变化。”这告诉研究人员，他们可以排除太阳是主要的影响因素。

随着太阳逐渐进入活跃期，科学家们将能够研究，太空与地球大气层之间更复杂的变化和相互作用。

伊梅尔说，他很高兴能够证实长期存在的电离层理论。“我们在数据中发现了一半的导致电离层行为的原因，”他说，“这就是我们想知道的。”

尽管如此，迈特说，“这为探索电离层行为的其他原因留下了空间。”