60多年前，科学家首次提出“双极电场”来解释驱动极地风的自然力量，后者为带电粒子从地球两极稳定流至上方太空的神秘现象。现在，NASA报告首度成功探测到覆盖全球的双极电场。

地球引力再怎么强，仍有一定数量气体从大气层流出，强烈太阳风也会导致空气一些颗粒逸入太空，就像水蒸汽从茶壶内蒸发一样。但自1960年代末期以来，科学家还观察到一股从大气层流入太空的神秘粒子流，称为极地风，其中许多粒子都相当冷、没有被加热迹象，却以超音速传播，激起研究人员好奇心。

科学家对此认为，地球大气应该还隐藏另一股尚未发现的电场力量，称为双极电场（ambipolar electric field），负责将这些冷粒子从大气中吸出并推入太空。之所以得此名，并非因为双极电场位于两极，而是因该电场的牵引力为双向。

科学家推测，双极电场应始于离地250公里处，大气原子在此分解成带负电的电子与带正电的离子，由于电子非常轻，一点能量冲击就能将它们轰向太空，而离子重量至少为电子1,836倍，往往沉向地表，若仅靠重力作用，电子和离子一旦分开就会随时间推移逐渐疏远，但因为电子、离子带有相反电荷，因而会形成电场束缚彼此并抵消一些重力影响。

当电子因重力而下沉，离子会将电子向下拉至地表，同时当离子试图逃逸到太空，电子也会将离子提升至更高高度，最终部分离子提升至足以随极地风逃逸的高度，或者说，双极电场帮忙延伸了大气层高度。

双极电场净效应为延伸大气层高度。（Source：NASA）

研究人员推断，电场对电离层的控制使磁层冷O+ 离子供应量增加3,800%以上，其中波粒相互作用等机制可以加热、进一步加速它们达到逃逸速度，而地球静电场本身已足够强大至能驱动极地风，也可能是主导磁层大部分冷H+ 离子群的源头，因此，新确认的双极电场是推动离子离开地球大气层进入太空、塑造磁层组成的另一个关键力量。

现在，NASA Endurance任务团队首度确认双极电场存在，不仅量化该场强度，还表明双极电场提升了电离层高度与密度，或者说双极电场将高层大气带电粒子提升至比原本更高的位置，以某种待探索的新机制塑造地球大气。

Endurance号是枚发射用来测量地球全球电位的低轨道火箭，在20分钟飞行中达到768公里高度，随后坠入格陵兰海。

根据火箭飞行过程测量到的数据，电位变化仅0.55 V，强度与手表电池差不多，但这种弱电场正好可以解释极地风产生原因。

氢离子是极地风最丰富的粒子类型，在受到双极电场的力后，其强度达重力10.6倍，足够以超音速向上发射至太空，整体而言，双极电场使电离层的标高（scale height）增加271%，代表电离层到更高高度后仍维持一样密度。

双极电场的存在与磁场、重力场一样，都是重要的基本能量场，有助我们解释行星大气层演化。由于双极电场由大气层内部动力学产生，科学家预计其他行星也存在类似电场，包括金星、火星。

新论文发表在《自然》（Nature）期刊。

（首图来源：NASA Goddard视频截屏）