Ученые впервые обнаружили амбиполярное поле Земли — электрическое поле, исходящее от полюсов и теоретизированное более 60 лет назад. Хотя оно создает лишь слабый электрический потенциал в полвольта, считается, что оно так же важно для динамики земной атмосферы, как магнитное и гравитационное поля. Однако его влияние на земную атмосферу еще предстоит изучить.
С конца 1960-х годов космические аппараты, пролетающие над полюсами, часто обнаруживают странный поток частиц из нашей атмосферы в космос, известный как «полярный ветер». Обычно определенное количество частиц вылетает в космос в результате интенсивной солнечной радиации, бомбардирующей атмосферу. Однако полярный ветер не соответствует этому обычному потоку, поскольку большинство содержащихся в нем частиц холодные и не проявляют признаков нагревания, несмотря на то что движутся со сверхзвуковой скоростью.
Теоретики пришли к выводу, что это может быть электрическое поле, возникающее при взаимодействии частиц в верхних слоях атмосферы. «Что-то должно притягивать эти частицы из атмосферы», — объясняет Глин Коллинсон из Центра космических полетов имени Годдарда, ведущий автор нового исследования, опубликованного в журнале Nature.
Слабое электрическое поле, расположенное на высоте (от) 250 километров (ионосфера), может проецировать заряженные частицы в космос. Однако технологические ограничения до сих пор не позволяли обнаружить их напрямую. Коллинсон и его команда первыми разработали необходимую технологию. Полученные ими результаты свидетельствуют о том, что любая планета с атмосферой обладает подобным электрическим полем. «Теперь, когда мы наконец-то измерили его, мы можем начать изучать, как оно формировало нашу планету и другие планеты с течением времени», — предполагает эксперт.
Электрическое поле, уносящее частицы в космос
В ионосфере под воздействием ионизирующего солнечного излучения атомы распадаются на отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы. Электроны настолько легки, что малейший всплеск энергии может выбросить их в космос. Ионы, напротив, в 1 836 раз тяжелее и под действием гравитации стремятся упасть на землю. Если бы гравитация была единственной действующей силой, эти две популяции со временем отдалились бы друг от друга.
Однако, учитывая их противоположные электрические заряды, они притягиваются друг к другу, создавая электрическое поле, которое противодействует влиянию гравитации на ионы. Точнее, это электрическое поле является двунаправленным, поскольку действует в двух противоположных направлениях, отсюда и название «амбиполярное поле». Ионы тянут электроны вниз, и наоборот. Этот процесс заставляет атмосферу расширяться, поднимая ионы достаточно высоко, чтобы они могли улететь в космос.
Электрическое напряжение, эквивалентное напряжению часовой батарейки
Чтобы определить амбиполярное поле Земли, команда Коллинсона взяла сверхчувствительный измерительный прибор на борт суборбитальной ракеты, запущенной из Арктики. Миссия была названа Endurance в честь корабля, на котором знаменитый исследователь Эрнест Шеклтон отправился в экспедицию в Антарктиду в 1914 году. Запуск состоялся на ракетном полигоне Шпицберген (Норвегия) — самой северной в мире стартовой базе, расположенной всего в нескольких сотнях километров от Северного полюса.
«Шпицберген — единственная в мире площадка для запуска ракет, где можно летать в условиях полярного ветра и проводить необходимые нам измерения», — объясняет Сьюзи Имбер из Лестерского университета, соавтор исследования. Endurance поднялся на высоту 768,03 километра и через 19 минут приземлился в Гренландском море. Данные были собраны измерительным прибором на расстоянии 517 километров.
Датчики измеряли электрический потенциал всего в 0,55 вольта, что эквивалентно напряжению, генерируемому батарейкой часов. Однако «это как раз то, что нужно для объяснения полярного ветра», — говорит Коллинсон. На самом деле, это напряжение заставляет ионы водорода, наиболее распространенные в полярном ветре, испытывать силу, в 10,6 раз превышающую силу гравитации. Этой силы более чем достаточно, чтобы двигать их к космосу со сверхзвуковой скоростью.
Более тяжелые частицы также выигрывают от значительной толкающей силы. Под воздействием этого электрического поля в полвольта ионы кислорода «становятся» вдвое легче и, таким образом, могут мигрировать вверх. Исследователи пришли к выводу, что это увеличивает поступление холодных ионов кислорода в магнитосферу более чем на 3800%.
Эти восходящие толчки заставляют атмосферу расширяться. Кроме того, в ходе исследования специалисты установили, что амбиполярное поле увеличивает масштаб высоты ионосферы на 271%. «Это похоже на конвейер, который поднимает атмосферу в космос», — говорит Коллинсон. Это означает, в частности, что эта часть атмосферы более плотная на больших высотах.
Исследователи считают, что амбиполярное поле так же важно для целостности атмосферы, как магнитное и гравитационное поля. Как и магнитное и гравитационное поля, оно, вероятно, определило эволюцию планеты и, возможно, способствовало возникновению жизни. Это открытие открывает путь к интересным исследованиям как на Земле, так и на других планетах с атмосферами.
