Международная команда ученых с помощью суборбитальной ракеты NASA впервые измерила глобальное электрическое поле Земли, которое по важности можно сравнить с гравитацией и магнитным полем планеты. Это так называемое амбиполярное электрическое поле, которое ученые предположили более 60 лет назад, оказывает влияние на то, как частицы атмосферы нашей планеты покидают ее на Северном и Южном полюсах. Эксперимент, проведенный в рамках миссии NASA Endurance, подтвердил существование этого поля и измерил его силу, показав, как оно управляет утечкой атмосферных частиц и формирует нашу ионосферу — верхний слой атмосферы.
Разобравшись в том, как атмосфера Земли ведет себя и эволюционирует, мы можем не только понять историю нашей планеты, но и выяснить, какие другие планеты могут быть пригодны для жизни. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.
С конца 1960-х годов космические аппараты, пролетая над полюсами Земли, фиксировали поток частиц, утекающих из атмосферы в космос. Теоретики предсказали этот отток, назвав его «полярным ветром», и это стимулировало дальнейшие исследования причин его возникновения.
Было очевидно, что какая-то часть частиц покидает атмосферу под воздействием солнечного света, который нагревает их, как пар, поднимающийся из кастрюли с водой. Но полярный ветер оказался сложнее: многие частицы в нем были холодными, но при этом двигались с невероятной скоростью.
Это электрическое поле, порожденное на субатомном уровне, должно было быть настолько слабым, что его влияние ощущалось бы лишь на расстоянии сотен миль. В течение десятилетий его не удавалось зафиксировать из-за недостатка технологий. В 2016 году команда Коллинсона разработала новый прибор, который, по их мнению, мог измерить амбиполярное поле Земли.
Для этого они выбрали суборбитальный полет ракеты, запущенной из Арктики. В честь корабля, на котором Эрнест Шеклтон совершил свое легендарное путешествие в Антарктиду в 1914 году, команда назвала свою миссию Endurance. Ракету запустили с Шпицбергена, норвежского архипелага, расположенного всего в нескольких сотнях миль от Северного полюса, где находится самый северный ракетный полигон в мире.
11 мая 2022 года ракета Endurance взлетела и достигла высоты 768 км, приводнившись через 19 минут в Гренландском море. На высоте 518 км Endurance зафиксировала изменение электрического потенциала всего на 0,55 вольт.
Ионы водорода, основной вид частиц в полярном ветре, ощущают силу этого поля, которая превышает гравитацию в 10,6 раза. Этого более чем достаточно, чтобы преодолеть гравитацию и отправить их в космос на сверхзвуковой скорости.
Более тяжелые частицы тоже получают импульс. Ионы кислорода, находящиеся на той же высоте, благодаря этому полю становятся легче вдвое. В целом, исследование показало, что амбиполярное поле увеличивает "масштабную высоту" ионосферы на 271%, что означает, что ионосфера сохраняется плотной на больших высотах дольше, чем ожидалось.
Открытие миссии Endurance открыло новые направления для исследования. Как и гравитация и магнитное поле, амбиполярное поле, возможно, играло важную роль в эволюции атмосферы Земли. Ожидается, что подобные поля существуют и на других планетах, таких как Венера и Марс.
Любая планета с атмосферой должна иметь амбиполярное поле. Теперь, когда мы наконец его измерили, можно начинать изучать, как оно влияло на нашу планету и другие планеты на протяжении времени.
