Невидиме, слабке енергетичне поле, що огортає нашу планету Земля, нарешті було виявлено та виміряно. Воно називається амбіполярним полем – електричним полем, вперше припущеним понад 60 років тому, і його відкриття змінить те, як ми вивчаємо і розуміємо поведінку та еволюцію нашого прекрасного світу, що постійно змінюється.
«Будь-яка планета з атмосферою повинна мати амбіполярне поле, – каже астроном Глін Коллінсон з Центру космічних польотів імені Годдарда НАСА. «Тепер, коли ми нарешті його виміряли, ми можемо почати вивчати, як воно формувало нашу планету, а також інші планети з плином часу».
Земля – це не просто грудка бруду, що інертно сидить у космосі. Вона оточена всілякими полями. Це гравітаційне поле. Ми не так багато знаємо про гравітацію, особливо враховуючи, наскільки вона повсюдна, але без неї у нас не було б планети. Гравітація також допомагає атмосфері щільно прилягати до поверхні.
Існує також магнітне поле, яке генерується обертовим провідним матеріалом у надрах Землі, перетворюючи кінетичну енергію на магнітне поле, що випромінюється в космос. Це захищає нашу планету від впливу сонячного вітру та радіації, а також допомагає утримувати атмосферу від видування.
У 1968 році вчені описали явище, яке ми не могли помітити до космічної ери. Космічні апарати, що пролітали над полюсами Землі, виявили надзвуковий вітер частинок, що виривалися з земної атмосфери. Найкращим поясненням цього було третє – електричне енергетичне поле.
«Це називається амбіполярним полем, і воно є агентом хаосу. Воно протидіє гравітації і відриває частинки в космос, – пояснює Коллінсон у відео. «Але ми ніколи не могли виміряти це раніше, бо не мали відповідної технології. Тому ми побудували ракету-носій Endurance, щоб відправитися на пошуки цієї великої невидимої сили».
Ось як повинно було працювати амбіполярне поле. Починаючи з висоти близько 250 кілометрів (155 миль), у шарі атмосфери, що називається іоносферою, екстремальне ультрафіолетове і сонячне випромінювання іонізує атоми атмосфери, відриваючи негативно заряджені електрони і перетворюючи атом на позитивно заряджений іон.
Легші електрони намагатимуться відлетіти в космос, а важчі іони намагатимуться опуститися до землі. Але плазмове середовище намагатиметься зберегти зарядову нейтральність, що призводить до виникнення електричного поля між електронами та іонами, яке зв’язує їх разом.
Це поле називається амбіполярним, оскільки воно діє в обох напрямках: іони притягують електрони вниз, а електрони – вгору. В результаті атмосфера роздувається; збільшення висоти дозволяє деяким іонам вирватися в космос, що ми і спостерігаємо в полярному вітрі.
Це амбіполярне поле було б неймовірно слабким, тому Коллінсон і його команда розробили прилади для його виявлення. Місія Endurance, яка проводила цей експеримент, була запущена в травні 2022 року, досягнувши висоти 768,03 кілометрів (477,23 милі), перш ніж повернутися на Землю з дорогоцінними, здобутими важкою працею даними. І це вдалося. Він виміряв зміну електричного потенціалу всього на 0,55 вольта – але це все, що було потрібно.
«Піввольта – це майже ніщо, це приблизно така ж сила, як у годинниковій батарейці», – каже Коллінсон. «Але це саме та величина, яка пояснює полярний вітер».
Такого заряду достатньо, щоб притягнути іони водню з силою, що в 10,6 раза перевищує силу тяжіння, і запустити їх у космос з надзвуковою швидкістю, виміряною над полюсами Землі. Іони кисню, які важчі за іони водню, також піднімаються вище, збільшуючи щільність іоносфери на великих висотах на 271 відсоток порівняно з тим, якою була б її щільність без амбіполярного поля.
Ще більш захоплюючим є те, що це лише перший крок. Ми не знаємо ширших наслідків амбіполярного поля, як довго воно існує, що воно робить і як воно допомогло сформувати еволюцію нашої планети та її атмосфери, і, можливо, навіть життя на її поверхні.
«Це поле є фундаментальною частиною того, як працює Земля, – каже Коллінсон. «І тепер, коли ми нарешті його виміряли, ми можемо почати ставити деякі з цих великих і захоплюючих питань». Результати дослідження опубліковані в журналі Nature.