Ученые NASA провели смелый эксперимент и наконец раскрыли 60-летнюю загадку о Земле
Атмосферу Земли формирует не только магнетизм и гравитация. Есть еще одна фундаментальная сила. И ученые наконец измерили гипотетическое электрическое поле, окружающее Землю – на самом деле оно скрывалось у всех на виду в течение миллиардов лет.
Это явление планетарного масштаба ускользало от ученых более шести десятилетий. Теперь, благодаря смелой ракетной миссии, запущенной с края Арктики, специалисты не только подтвердили его существование, но и измерили его силу и влияние на нашу атмосферу, пишет Study Finds.
Амбиполярное электрическое поле, как его называют в научных кругах, может показаться чем-то из "Звездного пути", но эта невидимая сила играет вполне реальную и решающую роль в том, как атмосфера нашей планеты взаимодействует с космосом, потенциально влияя на долгосрочную пригодность Земли для жизни. Последствия этого открытия выходят далеко за пределы нашего мира, предлагая новое понимание атмосфер других планет и поиска внеземной жизни.
Исследование, опубликованное в журнале Nature, подробно описывает результаты миссии NASA под метким названием Endurance. Под руководством Глина А. Коллинсона и его команды проект предусматривал запуск специализированной ракеты со Шпицбергена (Норвегия) – самого северного ракетного полигона на Земле. Эта удаленность имела решающее значение для успеха миссии.
"Шпицберген – единственный в мире ракетный полигон, где можно пролететь сквозь полярный ветер и провести необходимые нам измерения", – объясняет космический физик из Университета Лестера и соавтор статьи Сьюзи Имбер.
Ракета Endurance, запущенная 11 мая 2022 года, была оснащена набором высокочувствительных инструментов, разработанных специально для этой миссии. Основным инструментом был фотоэлектронный спектрометр (PES), состоящий из восьми сдвоенных датчиков электростатического анализатора, установленных на стреле. Эти датчики были точно выровнены для измерения электронов, протекающих вдоль линий магнитного поля Земли.
Дополнял PES зонд Ленгмюра (SLP), который измерял плотность и температуру электронов, а также пакет электромагнитных полей и волн (FIELDS), который предоставлял дополнительные данные об электрической среде вокруг ракеты. Эта комбинация приборов позволила провести комплексное измерение тонких электрических изменений в верхних слоях атмосферы.
Траектория полета ракеты была тщательно спланирована, чтобы обеспечить чистый сбор данных. Она взлетела на высоту 768 километров, пересекая область, известную как экзосфера – хрупкий внешний край земной атмосферы. Миссия чередовалась между 70-секундными периодами чистого сбора данных и короткими 10-секундными интервалами, когда ракета выравнивалась с магнитным полем Земли.
Во время 19-минутного полета приборы ракеты измерили изменение электрического потенциала всего на 0,55 вольта на высоте 322 мили (518,2 км).
"Полвольта – это почти ничто, это примерно столько же, сколько батарейка в часах. Но это именно та величина, которая объясняет полярный ветер", – говорит Коллинсон, главный исследователь программы Endurance в Центре космических полетов им. Годдарда NASA.
Под "полярным ветром" подразумевается загадочный поток частиц, вытекающий из атмосферы Земли в космос, впервые обнаруженный спутниками в конце 1960-х годов. Хотя определенные потери атмосферы ожидаются из-за интенсивного солнечного излучения, полярный ветер озадачил ученых, поскольку он содержал холодные частицы, движущиеся со сверхзвуковой скоростью, без видимого источника тепла, который бы объяснял их скорость.
Открытие амбиполярного поля решает эту давнюю загадку. Несмотря на свою слабость, это электрическое поле оказывает значительное влияние на атмосферные частицы. Для ионов водорода, самого распространенного типа в полярном ветре, внешняя сила этого поля в 10,6 раз сильнее силы тяжести.
"Этого более чем достаточно, чтобы противостоять гравитации – фактически, этого достаточно, чтобы запустить их вверх в космос на сверхзвуковой скорости", – объясняет Алекс Глоцер, ученый проекта Endurance и соавтор исследования.
Влияние этого поля распространяется не только на водород. Ионы кислорода на той же высоте фактически весят вдвое меньше, когда погружаются в это поле. В общем, амбиполярное поле увеличивает "высоту шкалы" ионосферы – слоя верхних слоев атмосферы – на потрясающие 271%. Это означает, что ионосфера остается более плотной на больших высотах, чем считалось ранее.
Коллинсон сравнивает этот эффект с "конвейерной лентой, поднимающей атмосферу в космос". Эта аналогия ярко иллюстрирует, как амбиполярное поле непрерывно формирует нашу атмосферу, потенциально влияя на ее долгосрочную эволюцию.
"Любая планета с атмосферой должна иметь амбиполярное поле", – отмечает Коллинсон.
Этот эксперимент открывает новые пути для понимания атмосфер других планет, включая Венеру и Марс, и может сыграть решающую роль в оценке потенциальной пригодности экзопланет к жизни.
По мере того, как мы боремся с постоянными вызовами изменения климата и сохранения окружающей среды на Земле, понимание фундаментальных сил, формирующих нашу атмосферу, становится все более жизненно важным. Открытие амбиполярного поля добавляет новое измерение к нашему пониманию хрупкого баланса Земли и ее места в космосе.
Поскольку ученые продолжают исследовать тайны нашего и других миров, эти новые знания о скрытом электрическом поле Земли, несомненно, вызовут новые вопросы, будут стимулировать дальнейшие исследования и, возможно, даже изменят наше понимание того, что делает планету по-настоящему пригодной для жизни.
