Впервые обнаружено электрическое поле Земли

Ученые впервые обнаружили и измерили невидимое, слабое энергетическое поле, окутывающее нашу планету.

Это так называемое амбиполярное поле — электрическое поле, гипотеза о существовании которого впервые была выдвинута более 60 лет назад. Его открытие изменит то, как мы изучаем и понимаем поведение и эволюцию нашей планеты.

«Любая планета с атмосферой должна иметь амбиполярное поле», — говорит астроном Глин Коллинсон из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА. «Теперь, когда мы наконец измерили его, мы можем начать изучать, как это поле формировало нашу планету, а также другие планеты с течением времени».

Земля окружена различными полями. Есть гравитационное поле. Пока не так много известно о гравитации, особенно учитывая, насколько она вездесуща, но без гравитации у нас не было бы планеты. Гравитация также помогает удерживать атмосферу плотно прижатой к поверхности.

Есть также магнитное поле, которое создается вращающимся проводящим материалом внутри Земли, преобразующим кинетическую энергию в магнитное поле, которое вращается в космосе. Это защищает нашу планету от воздействия солнечного ветра и радиации, а также помогает удерживать атмосферу от сдувания.

В 1968 году ученые описали явление, которое не могли заметить до космической эры. Космический аппарат, пролетающий над полюсами Земли, обнаружил сверхзвуковой ветер частиц, вырывающихся из атмосферы Земли. Лучшим объяснением этого было третье, электрическое энергетическое поле.

«Это называется амбиполярным полем, и это агент хаоса. Оно противодействует гравитации и выбрасывает частицы в космос», — объясняют ученые. «Но мы никогда раньше не могли измерить его, потому что у нас не было необходимых технологий. Поэтому мы построили аппарат Endurance, чтобы отправиться на поиски этой великой невидимой силы».

Вот как, как ожидается, работает амбиполярное поле. Начиная с высоты около 250 километров, в слое атмосферы, называемом ионосферой, экстремальное ультрафиолетовое и солнечное излучение ионизирует атмосферные атомы, разрывая отрицательно заряженные электроны и превращая атом в положительно заряженный ион.

Более легкие электроны попытаются улететь в космос, а более тяжелые ионы попытаются опуститься к земле. Но плазменная среда попытается сохранить нейтральность заряда, что приведет к возникновению электрического поля между электронами и ионами, чтобы связать их вместе.

Это поле называется амбиполярным, поскольку оно действует в обоих направлениях: ионы создают нисходящее движение, а электроны — восходящее. В результате атмосфера раздувается; увеличенная высота позволяет некоторым ионам улетучиваться в космос, что и наблюдается в полярном ветре.

Это амбиполярное поле было бы невероятно слабым, поэтому ученые разработали приборы для его обнаружения. Миссия Endurance, проводившая этот эксперимент, была запущена в мае 2022 года, достигнув высоты 768,03 километра, прежде чем вернуться на Землю со своими данными.

Миссия зафиксировала изменение электрического потенциала всего на 0,55 вольта — но это все, что было нужно. «Полвольта — это почти ничто, это примерно столько же, сколько батарейка для часов», — говорит Глин Коллинсон. «Но это как раз то количество, которое нужно, чтобы объяснить полярный ветер».

Такого количества заряда достаточно, чтобы притягивать ионы водорода с силой, в 10,6 раз превышающей силу гравитации, и выбрасывать их в космос со сверхзвуковой скоростью, измеренной над полюсами Земли.

Ионы кислорода, которые тяжелее ионов водорода, также поднимаются выше, увеличивая плотность ионосферы на больших высотах на 271 процент по сравнению с ее плотностью без амбиполярного поля.

Что еще более захватывающе, так это то, что это всего лишь первый шаг. Еще не известно о более широких последствий амбиполярного поля, как долго оно там существует, что оно делает и как оно могло повлиять эволюцию нашей планеты и ее атмосферы, и, возможно, даже жизни на Земле.

«Это поле является фундаментальной частью того, как работает Земля», — говорит Глин Коллинсон . «И теперь, когда мы наконец измерили его, мы можем начать задавать некоторые из этих более масштабных и захватывающих вопросов».

Исследование опубликовано в журнале Nature.