Международная группа учёных впервые успешно измерила с помощью суборбитальной ракеты НАСА общепланетарное электрическое поле, которое считается таким же фундаментальным для Земли, как гравитационное и магнитное поля. Известное как амбиполярное электрическое поле, учёные впервые предположили более 60 лет назад, что оно определяет, как атмосфера нашей планеты может выходить из-под контроля над северным и южным полюсами Земли. Измерения, проведённые ракетой НАСА Endurance, подтвердили существование амбиполярного поля и количественно определили его силу, выявив его роль в управлении выходом атмосферы и формировании ионосферы — слоя верхней атмосферы — в более широком смысле.

Понимание сложных движений и эволюции атмосферы нашей планеты даёт ключ не только к истории Земли, но и позволяет проникнуть в тайны других планет и определить, какие из них могут быть пригодны для жизни. Работа опубликована 28 августа 2024 года, в журнале Nature.

Электрическое поле, уносящее частицы в космос

С конца 1960-х годов космические аппараты, пролетающие над полюсами Земли, зафиксировали поток частиц, вылетающих из нашей атмосферы в космос. Теоретики предсказали этот поток, который они окрестили «полярным ветром», побудив учёных изучить его и разобраться в причине его существования.

Некоторый отток частиц из нашей атмосферы был ожидаем. Интенсивный, нефильтрованный солнечный свет должен был заставить некоторые частицы из нашего воздуха улетучиться в космос, как пар, испаряющийся из кастрюли с водой. Но наблюдаемый полярный ветер был более загадочным. Многие частицы в нём были «холодными» — и при этом они летели со сверхзвуковой скоростью.

«Что-то должно было вытягивать эти частицы из атмосферы», — говорит Глин Коллинсон, главный исследователь проекта Endurance в Центре космических полётов НАСА имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, и ведущий автор статьи. Учёные предположили, что за этим может стоять ещё не обнаруженное электрическое поле.

Предполагалось, что это электрическое поле, генерируемое на субатомном уровне, будет невероятно слабым, и его воздействие будет ощущаться лишь на расстоянии сотен километров. В течение десятилетий его обнаружение не укладывалось в рамки существующих технологий. В 2016 году Коллинсон и его команда занялись изобретением нового прибора, который, по их мнению, должен был справиться с задачей измерения амбиполярного поля Земли.

Как работает амбиполярное поле

На этом анимированном изображении показано, как фотон от Солнца сталкивается с атомом кислорода, выбивая из него электрон. Когда атомы и молекулы теряют электроны, они становятся положительно заряженными, превращаясь в ионы. Этот процесс известен как ионизация.

Слабое электрическое поле в верхних слоях атмосферы может уносить заряженные частицы в космос.

Учёные предположили, что это электрическое поле должно начинаться на высоте около 250 километров, где атомы в нашей атмосфере распадаются на отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы.

Электроны невероятно легки — малейший толчок энергии может отправить их в космос. Ионы по меньшей мере в 1 836 раз тяжелее и имеют тенденцию опускаться к земле. Если бы действовала только гравитация, то две популяции, разделившись, со временем разбежались бы.

Но учитывая их противоположные электрические заряды, образуется электрическое поле, которое связывает их вместе, предотвращая разделение зарядов и противодействуя некоторым эффектам гравитации.

На этой анимации показана коллекция частиц, ощущающих притяжение гравитации, конкурирующее с притяжением заряженных электронов. Крупные белые ионы качаются вниз, а маленькие фиолетовые электроны тянутся вверх. Двунаправленная природа этой связи даёт полю название: амбиполярное электрическое поле. Амби- — это приставка, заимствованная из латыни и означающая «оба», а воздействие поля сильнее всего ощущается на полюсах.

Это электрическое поле двунаправленное, или «амбиполярное», потому что оно действует в обоих направлениях. Ионы тянут электроны за собой вниз, так как они "тонут" под действием силы тяжести. В то же время электроны поднимают ионы на большую высоту, когда те пытаются вырваться в космос, подобно крошечной собачке, тянущей за поводок своего нерасторопного хозяина.

Чистый эффект амбиполярного поля заключается в увеличении высоты атмосферы, поднимая некоторые ионы достаточно высоко, чтобы они могли улететь с полярным ветром.

Запуск ракеты из Арктики

Приборы и идеи команды лучше всего подходили для суборбитального полёта на ракете, запущенной из Арктики. В знак уважения к кораблю, на котором Эрнест Шеклтон отправился в своё знаменитое путешествие в Антарктиду в 1914 году, команда назвала свою миссию Endurance — «Выносливость». Учёные взяли курс на Шпицберген, норвежский архипелаг, расположенный 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», — говорит Сьюзи Имбер, космический физик из Университета Лестера (Великобритания) и соавтор статьи.

11 мая 2022 года аппарат Endurance стартовал и поднялся на высоту 477,23 мили (768,03 км), а через 19 минут упал в Гренландское море. На 322-мильном интервале высот, где он собирал данные, Endurance измерил изменение электрического потенциала всего на 0,55 вольта.

«Полвольта — это почти ничто, это примерно как у батарейки в часах, — говорит Коллинсон. — Но это как раз то, что нужно для объяснения полярного ветра».

Ионы водорода, наиболее распространённый тип частиц в полярном ветре, испытывают внешнее воздействие этого поля, которое в 10,6 раза сильнее гравитации. «Этого более чем достаточно, чтобы противостоять гравитации — более того, этого достаточно, чтобы запустить их в космос со сверхзвуковой скоростью», — говорит Алекс Глоцер, научный сотрудник проекта Endurance в НАСА Годдард и соавтор статьи.

Более тяжёлые частицы также получают ускорение. Ионы кислорода на той же высоте, погруженные в поле напряжённостью в полвольта, весят в два раза меньше. В целом, команда обнаружила, что амбиполярное поле увеличивает так называемую «масштабную высоту» ионосферы на 271 %, то есть ионосфера остаётся более плотной на больших высотах, чем была бы без него.

«Это как конвейерная лента, поднимающая атмосферу в космос», — добавил Коллинсон.

Открытие Endurance даёт множество новых путей для исследований. Амбиполярное поле, являющееся фундаментальным энергетическим полем нашей планеты наряду с гравитацией и магнетизмом, возможно, постоянно формировало эволюцию нашей атмосферы таким образом, который мы теперь можем начать изучать. Поскольку оно создаётся внутренней динамикой атмосферы, предполагается, что подобные электрические поля существуют и на других планетах, включая Венеру и Марс.

«Любая планета с атмосферой должна иметь амбиполярное поле, — говорит Коллинсон. — Теперь, когда мы наконец-то измерили его, мы можем начать изучать, как оно формировало нашу планету и другие планеты с течением времени».