太空僧，和尚洗头用飘柔 阅读原文 当阿姆斯特朗触月的时候，确实有电荷的转移。 地球和月球是两个球体，那这两个宏观导电的球体是否带电呢？或者说，地月之间是否有所谓的电势差？ 先说地球。虽然我们初中考材中把大地做为零势能点或 0 电电位，但我们知道，电势 / 电位都是相对的。根据各种估算，目前大家普遍认为不算大气层的地球是带电的，而且是带负电的，负电荷约为 50 万库仑[1]，而大气的带大致相等的正电荷（因此整个地球大致是中性的）。地球表面附近大气层的电场强度约为每米 120 伏特，方向铅直朝下（在晴天电场中，水平方向的电场可忽略不计），电势还会随纬度而梯度增大（纬度效应）。如果是在雾霾很严重的地方或者工业区附近，空气中的气溶胶会让电场强度增至每米几百伏。地球表面的电荷和 30-50 公里处的大气电荷之间的总电压差大约有 30 万伏特（电离层问题先不说）。 有可能你会想：“如果真的是这样，那我的鼻子到脚趾头之间有大概 200 伏特的电势差，为什么我没有被电击？” 这是因为，你的身体是一个相对良好的电导体。当你与地面接触时，你和地面会形成一个等位面[2]。通常情况下，电位是与地球表面平行（下图左所示），但当你站在地面上时，等电位看起来有点像下图右所示。因此，你的头和脚之间的电位差仍然几乎为零（有一些电荷可能由借空气排掉，但由于空气是不良导体，所以这些排掉的离子电流很小）。 另外，地球的电场还会每天像呼吸一样呈现一峰一谷的简单波状变化。海洋和两极地区的电场的变化与地方时大致无关，而与世界时密切相关。在 19 点出现极大值，又在 4 点出现极小值，振幅约为 20%。 在晴天的海洋上，大气电势梯度随时间的变化（横坐标为格林尼治时间） 当然，由于大气并不是一个完美的绝缘体，所以电荷会不断从地球表面泄漏到空气中，如果把地球比做一个发电机，那么它的功率平均来说大概是每平方公里一瓦的水平。另外，来自太空的宇宙射线粒子也会让地球每时每刻产生新的离子。飞船在相对低速飞离地球的过程中与大气摩擦但不会完全与大气达到电荷中和，所以是有可能带着电荷飞出大气的。（让我突然想起了之前写过一个回答提到的被闪电击中的航天飞机。。。） 再说月球。地球像一个以大气为介质的体积巨大的电容，而月球从宏观来说也是一个非绝缘体。地月之间是真空的，而且距离相当相当远，没有任何机会可以在地球和月球之间产生电离。当然也不是完全没有。NASA 戈达德太空飞行中心就曾经发表过研究报告[3]称，每当满月时，月球都会进入到地球的磁尾里（地球的磁尾延伸到月球轨道之外，满月前三天月球会进入磁尾，大约需要六天才能穿过），会让月球静电放电，但电量极其小。而且这种效应在某种程度上会被太阳的紫外线所抵消：紫外线光子将电子从月面击出，所以月球积累的电荷一直保持在相对较低的水平。但在在寒冷的照不到太阳的月球黑暗面中，电子会积累，电压可以攀升到数百或数千伏特。 月球的轨道穿过地球的磁尾时，地球磁尾中的电子为月球表面带去负电荷。 我们知道，电荷会分布在球的表面。而月球表面充满了月尘。所以暗面部分的月尘细颗粒有可能会带电，并漂浮在月表以上。这可能会造成一种极短暂的像迷雾一样的雾霾（称为月球喷泉现象），它可以附着在宇航服上和机械结构上，通常会给宇航员的活动带来困难。 又黑又脏的宇航服 1998-1999 年绕月的 NASA 月球探矿者号航天器曾监测过多次磁尾中的月球。在一些穿越过程中，航天器监测到月球夜边电压发生了巨大变化，通常从 -200V 跃升到 -1000V[4]。事实上，早在阿波罗 11 号登月之前的 20 世纪 60 年代初，几艘在月球上软着陆的早期勘测者航天器返回的照片都显示，在太阳下山后，月球地平线上会有一片清晰的黄昏光芒。下图是 1968 年 NASA 的测量员 7 号月球着陆器多次拍摄到的月球天黑后奇怪的“地平线辉光”。研究人员现在认为，这种辉光是月球表面上方的带电月尘散射阳光造成的。 1972 年阿波罗 17 号宇航员在月球日出或日落前大约 10 秒钟，都曾多次看到他们称为“带子”、“流光”或“黄昏射线”的现象。阿波罗 8 号、10 号和 15 号的宇航员也报告了这种现象[5]。（阿波罗宇航员从未从未在满月时登月，所以没有碰上过地球的磁尾。） 不只是地球会影响自己的卫星。木星的磁场同样会以每秒 1 吨[6]的速度从卫星埃欧的表面中吹走源于埃欧的火山活动而形成的带电离子尘埃。但是，母星的磁尾不是为卫星充电的唯一等离子体来源。太阳风也可以为太阳系内的天体提供带电粒子；事实上，在大多数情况下，太阳风才是主要带电粒子的提供源。地球磁场保护地表免受其影响，但月球缺乏磁场。来自太阳的高速带电粒子流包括自由电子和质子，可能导致月球的净电荷不是零。[7]月球上的阴影区域有可能会产生十到几千伏的负电荷[8]。 这样看来，地球人登月时和月球间有电势差是完全有可能的。 这就意味着，宇航员和宇宙飞船理论上都可以向月球输送电荷。当然这点带电量与地球的带电量相比微不足道）。大概算一下。（我们假设地月都是完美球体，以下为数量级估算） 我们把地球和月球比做两个大电容，按电容定义， C 是电容量（单位法拉），Q 为电荷量（单位库伦），V 为电压（单位伏特）。从该公式可看出，电容的大小和其储存的电荷量成正比，与电压成反比。地球储存的电容量约为 709μF（微法拉），月球约为 193μF。算下来总等效电容 大概是 150μF 这个数量级左右。 这样算下来，相比于电荷均匀分布的地球表面的巨大表面积来说，每个小小宇航员可以传递的电荷数将是极少的...... 因此，当宇航员登月时，虽然会传递电荷，但并不会触电。 为了测试宇航服是否可能对月球造成电击，NASA 的科学家曾将宇航服样品放入真空室，并放入模拟的月球尘埃做微型的电离爆破实验，发现被月尘划破的宇航服的均匀表面会有电弧产生。这证明至少在等离子体环境中，宇航服材料会与月尘发生电弧，但宇航员本身不会有触电现象。 目前为止，NASA 登月的宇航员从未报告过其设备或人身上的电击问题。 但这也是因为阿波罗任务都是在月球的白昼阳光下进行的。如果是月球的夜晚登月呢？人类还没有登上过月球的夜晚那一面。让我们拭目以待吧。 一更 很多人对大气电场感兴趣，我再来说个小秘密：蜘蛛能飞起来的秘密。 早在 1832 年，达尔文就曾在船上发现有几个小蜘蛛飞过大海降落到甲板上的现象。他推断，这些蜘蛛在到达船之前飞行了至少 60 英里。 以前大家认为，是风把体重很轻的蜘蛛吹到远处的，就像滑翔伞一样。但后来发现那些体重很大的蜘蛛也会飞。达尔文发现蜘丝带负电并互相排斥。最近的研究发现，蜘蛛是利用大气电场的电荷来让自己飞到高空，然后像个空降兵一样有目的地降落下来的。 《当代生物学》（Current Biology）最近发表的一份报告中，研究人员在排除空气流动等因素、电场可控的实验室环境中开展实验。科学家 Erica Morley 在模拟地球大气中的电场中发现，电场存在的时候，蜘蛛一抬屁股射出蜘丝就能升到高空，关掉电场，蜘蛛就会下落。 研究发现，蜘蛛外骨骼表面的「听毛」随电场而动，这些毛发可能是蜘蛛用来探测大气电场刺激的器官。具体是怎么飞的，科学家还在研究中。 二更 有人问：如果大气电场这么强，为什么不能把一对电极在空中隔开一段距离放置，比如 1 米，不就会有 100 伏的电压为电灯供电了么？ 简单的来说，这是因为虽然电压很大，但电流太小，平行于地面的每个平方米大约只有几皮安，也就是 10 的负 12 次方安培的数量级。这个级别的电流，只能导致大气中正负离子(如射线产生的氧离子)以厘米级的秒速向着或背离地面运动，想测出这个电流，得用灵敏电流计才行，驱动灯泡是别想了。 当然，虽然每平方米上的电流很小，但地球母亲表面积很大呀，算下来全球总电流保持在 1800 安培。相当于地球有插了一个 40 万伏 1800 安的充电器，这 700 兆瓦的功率可比五福一安的苹果充电器大多了。对了，别忘了地球每秒钟都会有大约 100 次闪电雷击的超级充电在发生。 阅读原文
