Ученые обнаружили, что у Земли есть третье поле. Мы все знаем о магнитном поле Земли. И мы все знаем о гравитационном поле Земли, хотя обычно мы называем его просто гравитацией.
Теперь международная группа ученых обнаружила глобальное электрическое поле Земли.
Это называется амбиполярным электрическим полем, и это слабое электрическое поле, которое окружает планету. Оно отвечает за полярный ветер, который был впервые обнаружен десятилетия назад. Полярный ветер — это отток плазмы из полярных областей магнитосферы Земли. Ученые выдвинули гипотезу о существовании амбиполярного поля десятилетия назад, и теперь у них наконец есть доказательства.
Открытие опубликовано в новой статье в журнале Nature под названием «Амбиполярное электростатическое поле Земли и его роль в выходе ионов в космос». Ведущий автор — Глин Коллинсон из отдела гелиофизических наук Центра космических полетов имени Годдарда НАСА.
«Это как конвейер, поднимающий атмосферу в космос».
Глин Коллинсон, Отделение гелиофизических наук, Центр космических полетов имени Годдарда, НАСА
Космическая эра набирала обороты еще в 1960-х годах, когда США и СССР запускали все больше и больше спутников. Когда космические аппараты пролетали над полюсами Земли, они обнаружили истечение частиц из атмосферы Земли в космос. Ученые назвали это полярным ветром, но на протяжении десятилетий это было загадкой.
Ученые ожидают, что некоторые частицы с Земли «просачиваются» в космос. Солнечный свет может быть причиной этого. Но если это так, частицы должны нагреваться. Ветер загадочен, потому что многие частицы в нем холодные, несмотря на то, что движутся со сверхзвуковой скоростью.
«Что-то должно было вытягивать эти частицы из атмосферы», — сказал ведущий автор Коллинсон.
Коллинсон также является главным исследователем миссии NASA «Endurance» по зондированию ракеты. «Целью миссии Endurance было провести первое измерение величины и структуры электрического поля, создаваемого ионосферой Земли», — пишет NASA в описании миссии. Endurance был запущен 22 мая 2022 года с норвежского архипелага Шпицберген.
«Шпицберген — единственный в мире ракетный полигон, где можно пролететь сквозь полярный ветер и провести необходимые нам измерения», — сказала Сьюзи Имбер, космический физик из Университета Лестера (Великобритания) и соавтор статьи.
Шпицберген является ключевым, поскольку над полярными шапками Земли находятся открытые линии магнитного поля. Эти линии поля обеспечивают путь для оттока ионов в магнитосферу.
После запуска Коллинсон сказал: «Мы получали потрясающие данные в течение всего полета, хотя пройдет некоторое время, прежде чем мы сможем по-настоящему углубиться в них и понять, достигли ли мы нашей научной цели или нет».
Теперь данные получены, и результаты показывают, что у Земли есть глобальное электрическое поле.
До его открытия ученые выдвигали гипотезу, что поле слабое и его воздействие можно ощутить только на расстоянии сотен километров. Хотя это было впервые предложено 60 лет назад, ученым пришлось ждать развития технологий, прежде чем они смогли его измерить. В 2016 году Коллинсон и его коллеги начали изобретать новый инструмент, который мог бы измерить неуловимое поле.
На высоте около 250 км (150 миль) над поверхностью Земли атомы распадаются на отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы. Электроны намного легче ионов, и малейший энергетический толчок может отправить их в космос. Ионы более чем в 1800 раз тяжелее, и гравитация притягивает их обратно к поверхности.
Если бы гравитация была единственной действующей силой, две популяции со временем разделились бы и просто разошлись. Но этого не происходит.
Электроны и ионы имеют противоположные электрические заряды. Они притягиваются друг к другу, и образуется электрическое поле, которое удерживает их вместе. Это противодействует части силы гравитации.
Поле называется амбиполярным, потому что оно двунаправленное. Это значит, что оно работает в обоих направлениях. Когда ионы опускаются вниз из-за гравитации, электрические заряды означают, что ионы тянут за собой часть электронов. Однако в то же время электроны поднимают ионы высоко в атмосферу, пытаясь покинуть атмосферу и улететь в космос.
через GIPHY
Результатом всего этого является то, что амбиполярное поле расширяет высоту атмосферы, в результате чего часть ионов уносится полярным ветром.
После десятилетий гипотез и теоретизирования ракета Endurance измерила изменение электрического потенциала всего на 0,55 вольт. Это очень слабо, но достаточно, чтобы это можно было измерить.
«Полвольта — это почти ничто, это примерно столько же, сколько батарейка для часов», — сказал Коллинсон. «Но это как раз то количество, которое нужно, чтобы объяснить полярный ветер».
Ионы водорода являются наиболее многочисленными частицами в полярном ветре. Результаты Endurance показывают, что эти ионы испытывают направленную наружу силу магнитного поля, которая в 10,6 раз сильнее гравитации. «Этого более чем достаточно, чтобы противостоять гравитации — на самом деле, этого достаточно, чтобы запустить их вверх в космос на сверхзвуковой скорости», — сказал Алекс Глосер, научный сотрудник проекта Endurance в NASA Goddard и соавтор статьи.
Ионы водорода легкие, но даже более тяжелые частицы в полярном ветре поднимаются. Ионы кислорода в слабом электрическом поле фактически весят вдвое меньше, но они также поднимаются на большую высоту. В целом, амбиполярное поле делает ионосферу более плотной на больших высотах, чем она была бы без эффекта подъема поля. «Это как конвейерная лента, поднимающая атмосферу в космос», — добавил Коллинсон.
«Измерения подтверждают гипотезу о том, что амбиполярное электрическое поле является основным фактором, обусловливающим отток ионосферного H+ и сверхзвуковой полярный ветер легких ионов, вырывающихся из полярных шапок», — поясняют авторы в своей статье.
«Мы делаем вывод, что это увеличивает подачу холодных ионов O+ в магнитосферу более чем на 3800%», — пишут авторы. В этот момент вступают в действие другие механизмы. Взаимодействие волн и частиц может нагревать ионы, ускоряя их до скорости убегания.
Эти результаты поднимают другие вопросы. Как это поле влияет на Землю? Повлияло ли поле на обитаемость планеты? Есть ли такие поля на других планетах?
Еще в 2016 году миссия Venus Express Европейского космического агентства обнаружила электрический потенциал в 10 вольт вокруг планеты. Это означает, что положительно заряженные частицы будут отталкиваться от поверхности планеты. Это может оттягивать кислород.
Ученые полагают, что на Венере когда-то могло быть много воды. Однако, поскольку солнечный свет расщепляет воду на водород и кислород, электрическое поле могло высосать кислород, уничтожив воду на планете. Это теория, но она поднимает вопрос, почему то же самое не произошло на Земле.
Амбиполярное поле является фундаментальным для Земли. Его роль в эволюции атмосферы и биосферы планеты еще предстоит понять, но оно должно играть свою роль.
«Любая планета с атмосферой должна иметь амбиполярное поле», — сказал Коллинсон. «Теперь, когда мы наконец измерили его, мы можем начать изучать, как оно формировало нашу планету, а также другие планеты с течением времени».
