Ученые из NASA впервые зафиксировали и определили параметры глобального электрического поля Земли, существование которого физики предсказывали почти шесть десятилетий. Специалисты утверждают, что именно это поле вызывает утечку газа в космос в полярных областях, а также влияет на ряд других явлений, механизмы которых предстоит выяснить. Авторы исследования полагают, что их работа позволит не только раскрыть загадки прошлого Земли, но и поможет понять природу других планет, в том числе определить, какие из них могут поддерживать жизнь.
В 1968 году ученые обнаружили в атмосфере нашей планеты, а именно — в горячей ионосфере, замечено, что потоки ионов над полюсами Земли покидали атмосферу и улетали в космос, что приводило к «разрежению» воздуха на определенных высотах в полярных широтах. Поскольку в горячем газе значительная часть частиц движется с высокой скоростью, самые быстрые ионы способны преодолеть притяжение земной гравитации.
Анализ данных, полученных со спутников, работающих в полярных регионах Земли, выявил, что значительная часть частиц, входящих в поток, не подвергается нагреву. Кроме того, они перемещаются со скоростью, превышающей скорость звука, и легко преодолевают земное притяжение. Это указывает на то, что разгон частиц не был вызван нагревом газа, а произошел благодаря иным, пока не идентифицированным, процессам.
Какие факторы приводят к удалению ионов из атмосферы? В свое время физики выдвинули гипотезу о том, что причиной является неидентифицированное слабое электрическое поле.
Ионосфера начинается на высоте 50 километров и простирается до высоты около 1000 километров. В этой области атмосферы ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца вызывает «срыв» электронного «облака» атомов водорода и кислорода, приводя к образованию положительно заряженных ионов. В результате формируется плазма — смесь электронов, ионов и нейтральных атомов и молекул. Температура ионосферы может достигать нескольких тысяч градусов Цельсия, причем этот показатель зависит от высоты и времени года).
Электроны и ионы генерируют вокруг себя слабое электрическое поле. При этом электроны несут отрицательный заряд, а ионы — положительный. В случае, когда концентрация электронов и ионов одинакова, их поля должны компенсировать друг друга. В теории, ионосфера не должна содержать крупномасштабного электрического поля.
Ионы значительно тяжелее электронов, в некоторых случаях их масса превышает массу электронов в десятки тысяч раз. Исходя из этого, можно предположить, что под воздействием гравитации ионы стремятся к нижним слоям, а электроны – к верхним. Такая разница в концентрации частиц создает ощутимое, хотя и слабое, электрическое поле. Поскольку ионы имеют положительный заряд, а электроны – отрицательный, возникающее поле способствует притяжению частиц друг к другу и препятствует опусканию ионов вниз. В результате некоторые ионы поднимаются на такую высоту, что покидают гравитационное поле и улетают в космос.
По расчетам физиков, разница в высоте от 200 до 780 километров создает перепад потенциалов всего в 0,4 вольта. Это небольшое напряжение, однако его достаточно, чтобы некоторые ионы приобретали сверхзвуковую скорость.
Ранее, в XX столетии, ученые не имели возможности определить слабое глобальное электрическое поле, окружающее Землю, из-за отсутствия подходящих технологий. Однако в XXI веке эта проблема была решена.
В мае 2022 года специалисты NASA запустили с архипелага Шпицберген ракету Endurance, оснащенную инструментами для изучения ионосферы. Запуск был произведен в районе Земли, где ионы каким-то образом покидают атмосферу и устремляются в космос.
Ракета достигла максимальной высоты в 768 километров и через 19 минут упала в Гренландское море. За это время зонд Endurance собрал данные об ионосфере, которые исследователи NASA опубликовали в научной статье, опубликованной в журнале Nature.
Было установлено, что наша планета имеет слабое, но глобальное электрическое поле. Измерения показали, что оно простирается от высоты около 250 километров до 768 километров. На этом участке было зафиксировано изменение электрического потенциала в 0,55 вольта, что соответствует прогнозам, сделанным учеными еще в 1968 году.
«Это напряжение крайне незначительно. Оно лишь немного меньше рабочего напряжения батарейки для часов. Однако его вполне достаточно, чтобы объяснить, как ионы разгоняются до звуковой скорости и покидают систему, улетая в космос», — пояснил Глинн Коллинсон (Glynn Collinson), главный исследователь миссии Endurance.
Авторы открытия утверждают, что новое всепланетное поле вызывает незначительную потерю атмосферы в космосе в полярных областях и оказывает на атмосферу планеты воздействие, которое требует дальнейшего изучения.
Изучение сложной динамики и эволюции атмосферы Земли позволяет не только расширить знания об истории нашей планеты, но и приблизиться к разгадке тайн других миров, в частности, определить, какие из них могут быть потенциально пригодны для существования жизни.