由美国宇航局戈达德太空飞行中心的Lina Tran拍摄
荣誉:美国宇航局戈达德太空飞行中心
地球上发生的事情不会停留在地球上
利用美国宇航局ICON任务的观测结果，科学家们首次直接测量了地球在太空边缘的长期理论发电机:一个风力发电机，横跨地球，距离我们头顶60多英里
发电机在电离层中搅动，电离层是地球和太空之间带电的边界
它由高层大气中的潮汐风提供动力，这些潮汐风比大多数飓风都要快，并且从低层大气中升起，创造了一个可以影响地球上卫星和技术的电气环境
今天发表在《自然地球科学》上的这项新工作提高了我们对电离层的了解，这有助于科学家更好地预测太空天气，并保护我们的技术免受其影响
ICON于2019年发射，是电离层连接探索者的缩写，是一项解开地球天气与太空天气相互作用的任务
无线电和全球定位系统信号快速穿过电离层，那里是极光和国际空间站的所在地
带电粒子的空洞或密集膨胀会破坏这些信号
长期以来，研究大气和太空天气的科学家一直将地球发电机纳入他们的模型，因为他们知道它有重要的影响
但由于信息不多，他们不得不对其工作原理做出一些假设
来自ICON的数据是第一个为发电机提供动力的风的具体观测数据，最终影响了太空天气，并被输入到这些模型中
“ICON进入太空的第一年表明，预测这些风是提高我们预测电离层发生什么的能力的关键，”新研究的主要作者、加州大学伯克利分校ICON首席研究员托马斯·伊梅尔说
在电离层中，高空风往往比带负电的小电子更能推动厚重的带电粒子
离子和电子之间的这种分离在电离层底部附近的发电机区域产生了一个电场
功劳:美国宇航局概念动画实验室 地球天价发电机 电离层就像一个由带电粒子组成的晃动的海洋，由太阳创造，并与中性高层大气混合
电离层夹在地球和太空之间，对来自上方太阳和下方地球的变化做出反应
研究人员感兴趣的是，每一方的影响力有多大
研究人员研究了一年的ICON数据，发现他们观察到的大部分变化源自低层大气
发电机通过反复移动载流导体(如铜线)穿过磁场来工作
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，是一团乱七八糟的电线:电流直接流过
像地核中的发电机一样，大气中的发电机通过运动产生电磁场
热层是高层大气中以高温著称的一层，热层中的强风推动电离层中的载流等离子体穿过不可见的磁场线，这些磁场线像洋葱一样环绕地球
风倾向于推动厚重的带正电的粒子，而不是带负电的小电子
合著者、加州大学伯克利分校的物理学家布莱恩·哈丁说:“运动带来的好处与坏处不同。”
“那是电流
" 在大多数发电机中，这些部件被紧密地捆绑在一起，因此它们保持不动，并可预测地运行
但是电离层可以自由移动
伊梅尔说:“电流产生自己的磁场，当电流通过时，它会与地球的磁场对抗。”
“所以你用一根电线试图离开你
这是一个凌乱的发电机
" 该数据可视化显示了ICON航天器在环绕地球的轨道上运行
绿色箭头显示了由ICON的强力风成像仪探测到的强高空风——即大气潮汐
这些风是不均匀的，并且会因低海拔大气的变化而改变
这反过来又改变了电离层中粒子的运动
在地球表面上方370英里处等离子体的变化也被图标检测到，如图中红色所示
磁场线以洋红色显示，并随着由强力仪(绿色箭头)检测到的风的测量影响等离子体的方向(红色箭头)而变黄
荣誉:美国宇航局科学可视化工作室/威廉·T
布里奇曼 跟踪电离层的变化是预测空间天气潜在影响的关键
根据风向的不同，电离层中的等离子体会射向太空，或者直接落向地球
这种行为源于电离层和地球电磁场之间的拉锯战
位于电离层下端的发电机长期以来一直是个谜，因为它很难观察到
对科学气球来说太高了，对卫星来说太低了，它避开了研究人员研究近地空间的许多工具
ICON拥有独特的设备，可以利用高层大气的自然辉光探测等离子体的运动，从上面研究电离层的这一部分
ICON同时观察强风和迁移的等离子体
“这是我们第一次不用任何假设就能知道风对电离层的影响有多大，”另一位研究合著者、科罗拉多州博尔德市国家大气研究中心的ICON科学家Astrid Maute说
伊梅尔说，只是在过去的十年左右，科学家们才意识到这些上升的风变化有多大
“高层大气预计不会迅速变化，”他说
“但确实如此，日复一日
我们发现这都是由于低层大气引起的变化
" 云形成的每日循环向大气中注入能量，从而形成每日的加热和冷却循环
加热和冷却将风型向外推向云层形成的区域
这些风最终形成大气潮，通过大气向上传播
功劳:美国宇航局概念动画实验室 风力 熟悉的风掠过地球表面，从微风到令人振奋的阵风，从一个方向吹到另一个方向
高空风是另一种野兽
在离地面60到95英里的低热层中，风可以以同样的速度——大约250英里/小时——向同一个方向吹几个小时，然后突然转向
(相比之下，最强5级飓风的风速为每小时157英里或更高
) 这些戏剧性的变化是被称为潮汐的空气波的结果，当低层大气白天变热，晚上变冷时，这些空气波在地球表面诞生
它们每天都在天空涌动，从下面带来变化
大气离地表越远，它就变得越稀薄，扰乱这些运动的湍流就越少
这意味着当到达高层大气时，地表附近产生的小潮汐会变得更大
哈定说:“那里的风向变化主要受下面发生的事情控制。”
雨林产生的大气潮汐形成了一种潮汐模式，有三个主峰横跨全球
当地球旋转时，它们围绕地球运动
功劳:美国宇航局概念动画实验室 ICON的新测风方法有助于科学家了解这些遍布全球的潮汐模式及其影响
潮汐在天空中荡漾，强度不断增强，并在阵风吹过电离层之前不断增长
电动发电机发出嗡嗡声作为回应
科学家们分析了第一年的ICON数据，发现高空风强烈影响电离层
哈定说:“我们追踪了电离层移动的模式，有一个清晰的波状结构。”
他解释说，风的变化直接对应于地球表面370英里以上等离子体的舞蹈
伊梅尔说:“等离子体运动的一半可以归因于我们在同一磁场线上观察到的风。”
“这告诉你，如果你想预测等离子体在做什么，这是一个重要的观察
" ICON第一年的观测正好与太阳活动周期11年中的平静阶段——太阳极小期相吻合
在这期间，孙的行为是低沉的、不断的嗡嗡声
伊梅尔说:“我们知道太阳做得不多，但我们从下面看到了很多变化，然后电离层发生了显著变化。”
这告诉研究人员，他们可以排除太阳是主要的影响
在离地面60-95英里的地方，与大气潮汐相关的风(白色箭头)移动离子，并将它们与电子分开，在发电机区域形成电场(蓝线)
电场穿透高层大气，像喷泉一样上下推动等离子体(粉色)
功劳:美国宇航局概念动画实验室 随着太阳逐渐进入活跃阶段，科学家们将能够研究空间和地球大气之间更复杂的变化和相互作用
伊梅尔说，他很高兴得到这一长期坚持的电离层理论的证实
他说:“我们发现了数据中导致电离层行为的一半原因。”
“这是我们想知道的
" 尽管如此，毛特说，“这为探索电离层的其他行为留下了空间
"
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