约50英里的高空,地球大气层与太空融为一体,空气本身发出电流的嗡嗡声。科学家们称它为大气发电机,一个地球大小的发电机。科学家们花了几百年的时间来为为了解它打下基础,但直到现在才详细揭示其运行的原理。

继其前身2013年的飞行之后,白天低电离层中的发电机、风和电场-2(或称发电机-2)探空火箭任务将很快穿透被认为保持发电机运转的大气风。探空火箭发射时间正值NASA的电离层连接探索者卫星经过附近,这两项太空任务将结合他们的观点来推进我们对天空中巨大的电路的理解。请看下面的信息,了解如何直播发射和在哪里可以看到发射。有关如何直播发射和在哪里可以看到发射,请参见下文。

发电机任务

大气层发电机是一种在我们头顶高处的大陆大小的电路中旋转的电流模式。在太阳的驱动下,它在地球上移动,以太阳正上方的地方为中心。它在地球的电离层(大气中的一层)活跃起来,太阳的强烈辐射将电子从原子中分离出来,使电流得以流动。

2013年7月4日发电机-1发射时的电离层电流图。电流——其强度用红色和蓝色标出——在磁赤道的两边以相反的方向传播,用粉红色的线标出。黄色的点是地面上的磁力计读数。
影像来源:NASA/JAXA/R. Pfaff et al

发电机的大部分测量数据来自于地面上的磁力计,它们监测电流如何干扰地球磁场(把它们看作是增强了的罗盘)。地面测量有其优势——例如,它们可以长时间监测一个地点。但要真正了解细节,你必须从电离层内部进行测量,就在电流流动的地方。

要测量太空中的空气是非常棘手的,因为空气对飞机来说太薄了,而对于大多数航天器来说,它仍然太稠密了。”位于布莱克斯堡的弗吉尼亚理工大学的空间物理学家、即将开展的发电机-2活动的合作者斯科特·英格兰说。“因此,进行这些测量的一种方法是让箭穿过它。”

探空火箭,以航海术语“探测”命名,意思是测量,发射到太空中进行简短的测量,几分钟后落回地球。它们擅长于到达难以到达的空间区域,这些区域太低,卫星无法测量,太高,科学气球无法到达。而且它们是比较不同高度风速的理想选择,因为它们近乎垂直地划过大气层。

虽然地面方法可以提供大规模的综合测量,但探空火箭给我们提供了关于电离层电流的局部、细尺度的数据。”日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的空间物理学家、发电机任务的合作者阿部久美(Takumi Abe)说。“这就是我们使用探空火箭的时候,我们希望看到小规模的物理现象。”

第一个发电机任务——由来自NASA、JAXX和几所美国大学的科学家组成——于2013年7月4日从NASA位于弗吉尼亚州瓦勒普斯岛的瓦勒普斯飞行设施发射了他们的火箭。该团队将他们的仪器分在两枚火箭上,第一枚测量电场,而第二枚仅在15秒后发射,追踪风向,留下一个雾状的羽状物,在阳光下闪烁着红色的光芒,类似于在烟火表演中观察到的那样。

通过地面和NASA飞机的观测,研究小组观察到深红色的云层在风中变形,同时电场测量结果被传回地面。

汽的踪迹在风中游走,扭曲和卷曲成一个螺旋状的Z字形。这种提示性的形状意味着风在沿着火箭的飞行路线改变方向。

“它们首先向东移动,然后在上方几英里处,它们都向西移动,再在上方几英里处,它们又都向东移动,”英格兰说。

Z字形的折线证实了大气潮汐理论的一个方面,大气潮汐产生了被认为是驱动大气发电机的高空风。来自地面以下的热量以波浪的形式向上辐射,迫使部分大气来回移动,就像海浪撞击海滩时的潮起潮落一样。

“Z字形是这个巨大波浪穿过这个地区的标志,”英格兰补充说。

虽然从理论上讲,这些风是在意料之中的,但它们的强度却不是。

根据当时地面上的磁强计读数,研究小组预计上面会有微弱的水流和温和的风。的确,电离层底部的情况很平静。但是,就在淡红色的云层痕迹刺入电离层下部的地方,也就是发电机最强的地方,它被迅速地涂抹在天空中。

“就在发电机区域,风突然起飞,变得非常快,超过150米每秒(335英里每小时),”位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的空间物理学家,并且是两次发电机任务的主要调查员罗伯·普法夫(Rob Pfaff)说。“这比预计的要强得多。”

这些方向相反的高速风粒度太细,无法从地面测量中检测到。

“从地面上看,这可能像是风以非常低的速度向东吹。”英格兰说。“但事实证明,往东的速度非常快,往西的速度略低,两者的平均速度是一样的。”

卫星和火箭的团队合作

尽管2013年来自发电机火箭的观测结果令人惊讶,但它们与NASA电离层连接探测器(即ICON)卫星的最新测量结果相吻合。

ICON卫星任务于2019年10月发射,飞行高度约为360英里,俯瞰发电机火箭从内部测量到的电离层风。最近,ICON还观测到了比理论预期快得多的风,而该团队不知道是什么造成了这些风。

作为ICON任务的项目科学家,英格兰说:“通过这些火箭测试结果的验证,我们用ICON看到的是真实的——它甚至比我们能看到的更清晰。”

ICON的风力测量并不像发电机火箭那样高分辨率,但是它可以看到更广泛的空间范围,并且可以在每个轨道上重复这些观察。发电机-2任务活动将结合它们的优势。

“我们将确定时间,使ICON在火箭发射的同时飞过。”英格兰说。“通过这种方式,我们就可以真正地将本文中强调的数据的所有惊人优势与ICON的更大视角结合起来。”

NASA的电离层连接探测器或 ICON的插图。ICON探索地球的高层大气和电离层,该区域受陆地天气和近地空间变化的影响。
图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心概念图像实验室

第一批发电机火箭是在中午前后一起发射的,当时电流是由东向西流动的。这一次,发电机-2火箭可能将在不同的时间发射,在上午和下午,以捕捉电流在不同方向流动时的情况。

普法夫说:“我们将在上午和下午进行测量,以完成这个循,也就是说,看看所有这些是如何在一个大图片中结合起来的。”

然而,普法夫可能会在地磁“安静”时期和“干扰”时期发射一枚火箭,当电离层的活动是特别复杂的,这将提供同样有价值的察力。他们采取哪一个计划,将取决于发射窗口打开后,太阳活动和发电机电流本身的实时情况。

发电机-2火箭还将使用由位于达勒姆的新罕布什尔大学的共同研究者吉姆·克莱蒙斯(Jim Clemmons)开发的新型仪器。该仪器通过监测火箭周围空气中的压力梯度来测量风向,而不是释放必须从地面或天空跟踪的云层。

普法夫说:“这样做的好处是,我们不需要依赖晴朗的天空,我们不需要让飞机在空中飞行——我们可以直接这样做。”

普法夫希望新的结果将帮助团队了解是什么导致了过快的风,以及了解大气发电机的后果。

发现天空中的发电机

大气层发电机之所以被命名,是因为它的运行原理与电力发电机相同,是一种发电装置。第一个发电机并不是在自然界发现的,而是在实验室里建造的。

在 1800 年代初期,在英国维多利亚时代的风口浪尖上,随着欧洲各地传来基本发现的报道,对电的迷恋达到了高潮。电池的发明、电流的发现以及与电与磁相关的几个令人费解的效应几乎每个月都与此相关。

19世纪初,正值英国维多利亚时代前夕,随着来自欧洲各地的重大发现报告的出炉,人们对电的痴迷达到了狂热的程度。电池的发明、电流的发现以及与电和磁有关的一些令人困惑的效果几乎每月都有相关报道。

迈克尔-法拉第(Michael Faraday)——一个书商的学徒变成了自学成才的实验者——在他的伦敦实验室里辛勤工作,研究一种奇怪的新装置,尽管他不知道它最终会改变世界。

法拉第的第一台发电机的草图。
影像来源:©英国皇家学会

它由一个铜盘组成,像自行车轮一样安装在两个磁铁之间,以便旋转。他将圆盘连接到 10 年前发明的测量电流的仪器上。

法拉第转动圆盘,仪器上的指针摆动——一股微弱的电流开始流动。根据他的日记,历史学家后来将这一时刻——1831 年 10 月 28 日——确定为人类第一次将动能转化为电能。法拉第发现了电感应,作为奖励,他建造了第一台发电机。这是一项技术的雏形,今天它让我们的电灯、电脑和整个现代经济得以运转。

法拉第的装置之所以能够工作,有三个关键因素:磁场(由两个磁铁产生)、导体(铜盘)和运动。将这三者结合起来,他发现,在静止的磁场中移动导电材料——或在静止的导体周围移动磁场——将启动电流流动。

最终,科学家们发现了这三种成分中的每一种都在地球上以更大的规模运作。

大气发电机,一次一件

在大气发电机的三个组成部分——磁场、导体和运动中——首先发现了地球磁场。

到11世纪早期,中国的海员已经在使用磁罗盘在多云、没有星星的夜晚导航,尽管他们可靠校准的原因尚不清楚。威廉·吉尔伯特(William Gilbert)于1600年在伦敦出版的《磁石论》(De Magnete)是第一本解释这种现象的书,认为地球本身就是一块巨大的磁铁。

天文学家开始绘制地球磁场图,到1701年,英国天文学家埃德蒙·哈雷(Edmond Halley)用他的罗盘在大西洋绘制出了第一张地球磁场地图

埃德蒙·哈雷乘坐帕拉莫尔号在大西洋上航行后,根据罗盘读数绘制的第一张地球磁场图。因为我们现在知道地球的磁极会随时间变化,这些线并不稳定——科学家每五年更新一次世界磁极模型。截至2019年,地磁北极正以每年约34英里(55公里)的速度向西伯利亚移动。
图片来源:埃德蒙·哈雷/普林斯顿图书馆历史地图收藏

随着罗盘在科学上得到更广泛的使用,一些观察家注意到一个不规则现象:罗盘读数似乎每天都在闪烁。

普法夫说:“从19世纪开始,人们就会观察到,特别是在中午时分,这些非常大的罗盘上的微小摆动。”

罗盘针的摆动与电和磁之间关系的新发现非常吻合。1820年,丹麦科学家汉斯·克里斯蒂安·厄斯泰德(Hans Christian Ørsted)观察到,让电流通过一根导电导线使附近罗盘的指针发生偏转,从而有效地“摆动”它所感应到的磁场。11年后,法拉第发明的发电机向人们展示了摆动的磁场是如何产生电流。磁场、运动和电——这三者是结合在一起。如果这是正确的,那么地球上罗盘针的摆动可能意味着,以某种方式,有电流在头顶运行。但是,这种电流来自哪里,以及它所通过的导体是什么,却远远不清楚。

1882年,英国科学家鲍尔弗·斯图尔特(Balfour Stewart)在《大英百科全书》(Encyclopedia Brittanica)上写了一个条目,正确地确定了来源,尽管这在当时只是猜测。他写道,上层大气本身的一部分可能具有导电性——我们上方的大气可能会电气化。

大气的传导部分最终是通过实践经验发现的。随着第一次世界大战产生了对长距离无线电通信的需求,实验人员发现无线电信号可以在大陆之间传播——围绕地球的曲率——通过某种方式在天空反弹。对于他们的成功,唯一可行的解释是大气的反射层——即导电层。

图1来自阿普尔顿1947年的诺贝尔奖演讲,展示了无线电波如何通过从大气的电离层反射来长距离传播。
图片来源:©诺贝尔基金会

1927 年,英国物理学家爱德华·阿普尔顿 (Edward Appleton) 研究了这些无线电信号,确认大气层中确实存在一个导电层。(他称其为E 层,意为导电。)在接下来的几十年里,人们发现了更多被称为电离层的子层——地球大气中含有大量带电粒子、离子和电子。发现了地球大气发电机的第二个组成部分——导电电离层。

然而,电流似乎并没有持续流动。摆动的罗盘针只是偶尔抽动一下,在中午时分最为强烈。当太阳在头顶上时,一定有什么东西在强烈地移动电离层。

大气发电机的最后组成部分,即运动的来源的发现,将不得不等待太空时代的到来,那时火箭、气球和早期卫星可以测量大气风。1970年,空间物理学家西德尼·查普曼(Sydney Chapman)和理查德·林德森(Richard Lindzen)将二十年的数据系统化,提出了大气潮汐理论,这是电离层脉冲电流的关键。

当时的想法是,当太阳照射地球时,它的热量会向上辐射。作为回应,整个大气层会膨胀。在高空飞行的观察者将体验到这种膨胀像是强烈的阵风。

当这些风到达电离层的底部时,太阳的辐射将中性粒子分离成带电的离子和电子,它们也会推动这些粒子向前移动。因此,电离层(一种导体)逆着地球的磁场移动,随风来回摆动。

“有了这些关键成分,在地球磁场存在的情况下,风对这些离子和电子的推动力,我们可以在地球的高层大气中获得流动的电流。”英格兰说。“这就是我们所说的发电机。”

“自从法拉第的时代以来,我们已经走过了很长的路,”普法夫说。“经过两个世纪的研究,进入太空并观察作为我们自然环境一部分的发电机是令人兴奋的。”

发电机2号火箭将于7月6日至20日从弗吉尼亚州瓦勒普斯岛的NASA瓦勒普斯飞行设施发射。这两枚火箭不会在同一天发射。7月6日的发射窗口从美国东部时间下午12点15分到下午2点。7月7日至13日,发射窗口时间为美国东部时间上午10点至下午2点,7月14日至20日为美国东部时间上午8点至中午。在瓦勒普斯YouTube网站上,发射的现场直播将在发射窗口打开前20分钟开始。位于瓦勒普斯的NASA游客中心将不会为这次任务开放。在大西洋中部地区可以看到这些发射。

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/nasa-rocket-satellite-tag-team-to-view-the-giant-electric-current-in-the-sky

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