Ученые обнаружили давно искомое глобальное электрическое поле на Земле

Международная группа ученых впервые успешно измерила с помощью суборбитальной ракеты НАСА общепланетарное электрическое поле, которое считается таким же фундаментальным для Земли, как гравитационное и магнитное поля.

Известное как амбиполярное электрическое поле, ученые впервые предположили более 60 лет назад, что оно определяет, как атмосфера нашей планеты может выходить из-под контроля над северным и южным полюсами Земли. Измерения, проведенные ракетой НАСА Endurance, подтвердили существование амбиполярного поля и количественно определили его силу, выявив его роль в управлении выходом атмосферы и формировании ионосферы — слоя верхней атмосферы — в более широком смысле.

Понимание сложных движений и эволюции атмосферы нашей планеты позволяет не только узнать историю Земли, но и проникнуть в тайны других планет и определить, какие из них могут быть пригодны для жизни. Исследование на эту тему опубликовано в журнале Nature.

Электрическое поле, уносящее частицы в космос

С конца 1960-х годов космические аппараты, пролетающие над полюсами Земли, зафиксировали поток частиц, вылетающих из нашей атмосферы в космос. Теоретики предсказали этот поток, который они окрестили «полярным ветром», подтолкнув исследования к пониманию его причин.

Некоторый отток из нашей атмосферы был ожидаем. Интенсивный, нефильтрованный солнечный свет должен был заставить некоторые частицы из нашего воздуха улетучиться в космос, как пар, испаряющийся из кастрюли с водой. Но наблюдаемый полярный ветер был более загадочным. Многие частицы в нем были холодными, без признаков нагревания — и при этом они двигались со сверхзвуковой скоростью.

«Что-то должно было вытягивать эти частицы из атмосферы», — говорит Глин Коллинсон, главный исследователь проекта Endurance в Центре космических полетов НАСА имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, и ведущий автор статьи. Ученые предположили, что здесь может действовать еще не открытое электрическое поле.

Предполагалось, что электрическое поле, генерируемое на субатомном уровне, будет невероятно слабым, и его воздействие будет ощущаться лишь на расстоянии сотен километров. В течение десятилетий его обнаружение не укладывалось в рамки существующих технологий. В 2016 году Коллинсон и его команда приступили к работе над созданием нового прибора, который, по их мнению, должен был справиться с задачей измерения амбиполярного поля Земли.

Запуск ракеты из Арктики

Приборы и идеи команды лучше всего подходили для суборбитального полета на ракете, запущенной из Арктики. В знак уважения к кораблю, на котором Эрнест Шеклтон совершил свое знаменитое путешествие в Антарктиду в 1914 году, команда назвала свою миссию «Выносливость». Ученые взяли курс на Шпицберген, норвежский архипелаг, расположенный всего в нескольких сотнях миль от Северного полюса, где находится самый северный ракетный полигон в мире.

«Шпицберген — единственный в мире ракетный полигон, где можно пролететь сквозь полярный ветер и провести необходимые нам измерения», — говорит Сьюзи Имбер, космический физик из Университета Лестера (Великобритания) и соавтор статьи.

11 мая 2022 года аппарат Endurance стартовал и поднялся на высоту 477,23 мили (768,03 км), а через 19 минут упал в Гренландское море. На 322-мильном интервале высот, где он собирал данные, Endurance измерил изменение электрического потенциала всего на 0,55 вольта.

«Полвольта — это почти ничто, это примерно как напряжение часовой батарейки», — говорит Коллинсон. «Но это как раз то, что нужно для объяснения полярного ветра».

Ионы водорода, наиболее распространенный тип частиц в полярном ветре, испытывают внешнюю силу этого поля, в 10,6 раза превышающую силу тяжести.

«Этого более чем достаточно, чтобы противостоять гравитации — более того, этого достаточно, чтобы запустить их в космос со сверхзвуковой скоростью», — говорит Алекс Глоцер, научный сотрудник проекта Endurance в НАСА Годдард и соавтор статьи.

Более тяжелые частицы также получают ускорение. Ионы кислорода на той же высоте, погруженные в поле напряженностью в полвольта, весят в два раза меньше. В целом, команда обнаружила, что амбиполярное поле увеличивает так называемую «масштабную высоту» ионосферы на 271 %, то есть ионосфера остается более плотной на больших высотах, чем была бы без него.

«Это как конвейерная лента, поднимающая атмосферу в космос», — добавил Коллинсон.

Открытие Endurance открыло множество новых путей для исследований. Амбиполярное поле, являющееся фундаментальным энергетическим полем нашей планеты наряду с гравитацией и магнетизмом, возможно, постоянно формировало эволюцию нашей атмосферы таким образом, который мы теперь можем начать изучать. Поскольку оно создается внутренней динамикой атмосферы, предполагается, что подобные электрические поля существуют и на других планетах, включая Венеру и Марс.

«Любая планета с атмосферой должна иметь амбиполярное поле», — говорит Коллинсон. «Теперь, когда мы наконец-то измерили его, мы можем начать изучать, как оно формировало нашу планету, а также другие планеты с течением времени».

Исследование, проведенное командой Endurance, открывает новые горизонты в понимании динамики атмосферы Земли и других планет. Ученые рассчитывают, что их результаты приведут к более глубокому изучению взаимодействия между амбиполярными полями и атмосферными процессами. Это понимание может быть ключом к разгадке механизмов, которые контролируют климат Земли и его изменения.

Кроме того, результаты исследования могут принести новые технологии в области космических исследований. Изучая амбиполярные поля, ученые смогут лучше подготовиться к будущим космическим миссиям, используя полученную информацию для разработки аппаратов, способных эффективно работать в сложных условиях других планет.

С учетом того, что амбиполярное поле значительно влияет на ионосферу, авторы исследования планируют дальнейшие наблюдения, чтобы определить, как эти поля меняются с течением времени и какие факторы влияют на их динамику. Эти исследования могут дать ценную информацию об истории атмосферы Земли, а также о потенциальных условиях для жизни на других планетах.