Группа ученых из NASA впервые обнаружила и измерила глобальное электрическое поле Земли. Предсказание существования этого поля физики сделали почти 60 лет назад. По мнению специалистов, именно это поле вызывает утечку газа в космос в полярных широтах и отвечает за ряд других эффектов. Авторы исследования считают, что их работа поможет не только разгадать тайны истории Земли, но и проникнуть в тайны других планет для понимания, какие из них могут быть пригодны для жизни.
В 1968 году ученые обнаружилиВ атмосфере Земли, то есть в её тёплой части. ионосфереНад полюсами Земли потоки ионов покидали атмосферу и устремлялись в космос. На определённых высотах в полярных широтах из-за этого атмосфера начинала «редеть».
В горячем газе значимая доля частиц двигается достаточно быстро. Самые быстрые ионы могли преодолеть силу земной гравитации.
Спутники, пролетавшие над полюсами Земли, обнаружили, что большая часть частиц потока не нагревается и движется со сверхзвуковыми скоростями, преодолевая земное притяжение. Это указывает на то, что разгон частиц происходит не за счёт горячего газа, а благодаря другим механизмам.
Что побуждает ионы покидать атмосферу? Физики предполагают, что причиной этому является ещё не обнаруженное слабое электрическое поле.
Ионосфера простирается с 50 до 1000 километров. Солнечные ультрафиолетовые и рентгеновские лучи в этом слое атмосферы «срывают» электронное «облако» атомов водорода и кислорода, превращая некоторые атомы в положительно заряженные ионы. В результате возникает смесь электронов, ионов и нейтральных атомов и молекул — ионосферная плазма. Температура ионосферы может достигать нескольких тысяч градусов Цельсия, варьируя в зависимости от высоты и времени года.
Электроны и ионы формируют вокруг себя небольшие электрические поля. Электроны обладают отрицательным зарядом, а ионы — положительным. При равной концентрации электронов и ионов поля… компенсировать друг другаВ теории, ионосфера не должна обладать масштабным электрическим полем.
Ионы тяжелее электронов иногда на несколько порядков. По этой причине под воздействием гравитации первые частицы могут опускаться вниз, вторые — наоборот, подниматься вверх. Разница концентрации этих частиц «вверху» и «внизу» достаточно велика, чтобы создать протяженное электрическое поле, пусть и слабое.
Поскольку ионы заряжены положительно, а электроны отрицательно, поле притягивает частицы друг к другу и мешает ионам опускаться слишком низко. Некоторые ионы поднимаются так высоко, что уносятся в космос.
Математические расчеты физиков показали, что разница в высотах между 200 и 780 километрами создаёт разность потенциалов примерно равную 0,4 вольта. Это напряжение достаточно слабое, но позволяет части ионов разогнаться до сверхзвуковой скорости.
В двадцатом веке учёные не смогли выявить слабый глобальный электрический фронт вокруг Земли из-за отсутствия требуемых технологий. В двадцать первом веке положение изменилось.
В мае 2022 года специалисты Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США из Шпицбергена запустили ракету Endurance для изучения ионосферы. Пуск произошел над той частью Земли, где ионы каким-то образом уходят в космос.
Ракета достигла максимальной высоты 768 километров и через 19 минут упала в Гренландское море. За это время Endurance собрала данные об ионосфере, которые учёные из NASA опубликовали в статье. опубликованной в журнале Nature.
Глобальное электрическое поле Земли подтвердилось как имеющее слабую силу. Приборы зафиксировали его начало на высоте около 250 километров и конец на высоте 768 километров. В пределах этого отрезка инструменты зафиксировали разницу электрического потенциала в 0,55 вольта, что близко к расчетному значению, предсказанному учеными в 1968 году.
Эта напряженность едва заметна. Её на порядок меньше рабочей величины для элемента питания в часах. Вместе с тем, она достаточна, чтобы проиллюстрировать, как ионы ускоряются до звуковой скорости и улетают в космос. пояснил Глинн Коллинсон (Glynn Collinson), главный исследователь миссии Endurance.
Авторы открытия утверждают, что новая всепланетная область вызывает малую потерю атмосферы в космическое пространство у полюсов, и оказывает на атмосферу планеты воздействие, которое пока не удалось изучить.
Изучая сложную динамику движения и эволюции атмосферы Земли, можно узнать больше об истории нашей планеты и постичь тайны других миров, в частности, понять, какие из них могут быть пригодны для жизни.