Ученые обнаружили долгожданное глобальное электрическое поле на Земле

Ракетный корабль Endurance стартует из Ню-Олесунна, Шпицберген. Автор: Andøya Space/Leif Jonny Eilertsen

Используя наблюдения с суборбитальной ракеты НАСА, международная группа ученых впервые успешно измерила электрическое поле всей планеты, которое, как полагают, имеет для Земли такое же фундаментальное значение, как ее гравитационное и магнитное поля.

Известное как амбиполярное электрическое поле, ученые впервые выдвинули гипотезу более 60 лет назад, что оно управляет тем, как атмосфера нашей планеты может выходить из-под Северного и Южного полюсов Земли. Измерения с ракеты, миссии NASA Endurance, подтвердили существование амбиполярного поля и количественно определили его силу, раскрыв его роль в управлении атмосферным вытеканием и формировании нашей ионосферы — слоя верхней атмосферы — в более широком смысле.

Понимание сложных движений и эволюции атмосферы нашей планеты дает ключи не только к истории Земли, но и позволяет нам проникнуть в тайны других планет и определить, какие из них могут быть пригодны для жизни. Исследовательская работа по этой теме опубликована в журнале Nature.

Электрическое поле, вытягивающее частицы в космос

С конца 1960-х годов космические аппараты, пролетающие над полюсами Земли, обнаружили поток частиц, вытекающих из нашей атмосферы в космос. Теоретики предсказали этот отток, который они назвали «полярным ветром», что подстегнуло исследования по пониманию его причин.

Ожидалось некоторое количество оттока из нашей атмосферы. Интенсивный, нефильтрованный солнечный свет должен был заставить некоторые частицы из нашего воздуха выйти в космос, как пар, испаряющийся из кастрюли с водой. Но наблюдаемый полярный ветер был более загадочным. Многие частицы внутри него были холодными, без каких-либо признаков того, что они были нагреты, — однако они двигались со сверхзвуковой скоростью.

«Что-то должно было вытягивать эти частицы из атмосферы», — сказал Глин Коллинсон, главный исследователь Endurance в Центре космических полетов имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, и ведущий автор статьи. Ученые подозревали, что здесь может быть задействовано еще не обнаруженное электрическое поле.

Предполагаемое электрическое поле, генерируемое в субатомном масштабе, должно было быть невероятно слабым, а его воздействие ощущалось лишь на расстоянии сотен миль. Десятилетиями его обнаружение выходило за рамки существующих технологий. В 2016 году Коллинсон и его команда приступили к созданию нового прибора, который, по их мнению, подходил для измерения амбиполярного поля Земли.

Географический Северный полюс, видимый с ракеты Endurance на высоте 477 миль (768 километров) над Арктикой. Слабые красные и зеленые полосы в верхней части изображения — артефакты бликов объектива. Автор: NASA

Запуск ракеты из Арктики

Инструменты и идеи команды лучше всего подходили для суборбитального полета ракеты, 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 Endurance. Ученые взяли курс на Шпицберген, норвежский архипелаг 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», — сказала Сьюзи Имбер, космический физик из Университета Лестера (Великобритания) и соавтор статьи.

11 мая 2022 года Endurance стартовал и достиг высоты 477,23 миль (768,03 км), приводнившись 19 минут спустя в Гренландском море. В диапазоне высот 322 мили, где он собирал данные, Endurance измерил изменение электрического потенциала всего на 0,55 вольт.

«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, наиболее распространенный тип частиц в полярном ветре, испытывают направленную наружу силу этого поля, в 10,6 раз превышающую силу гравитации.

«Этого более чем достаточно, чтобы противостоять гравитации — на самом деле, этого достаточно, чтобы запустить их в космос на сверхзвуковой скорости», — сказал Алекс Глосер, научный сотрудник проекта Endurance в NASA Goddard и соавтор статьи.

Более тяжелые частицы также получают импульс. Ионы кислорода на той же высоте, погруженные в это поле в полвольта, весят вдвое меньше. В целом, команда обнаружила, что амбиполярное поле увеличивает то, что известно как «масштабная высота» ионосферы на 271%, то есть ионосфера остается более плотной на больших высотах, чем она была бы без него.

«Это как конвейер, поднимающий атмосферу в космос», — добавил Коллинсон.

Открытие Endurance открыло много новых путей для исследования. Амбиполярное поле, как фундаментальное энергетическое поле нашей планеты наряду с гравитацией и магнетизмом, могло непрерывно формировать эволюцию нашей атмосферы способами, которые мы теперь можем начать исследовать. Поскольку оно создается внутренней динамикой атмосферы, ожидается, что подобные электрические поля существуют на других планетах, включая Венеру и Марс.

«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».

Больше информации: Glyn A. Collinson et al, Earth's ambipolar electrostatic field and its role in ion escape to space, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07480-3

Источник: NASA's Goddard Space Flight Center