Преди повече от 60 години това електрическо поле, наречено амбиполярно електрическо поле, първоначално хипотетично е било определено като движеща сила за начина, по който земната атмосфера изтича над Северния и Южния полюс.

Сега за първи път успешно е измерено електрическото поле на Земята, което е толкова фундаментално за Земята, колкото гравитацията и магнитните полета.
Потвърждение на електрическото поле

Измерванията от мисията Endurance на НАСА потвърждават съществуването на амбиполярно поле, количествено са определили силата му и са разкрили ролята му в стимулирането на загубата на атмосфера и оформянето на йоносферата – важен слой от горната атмосфера.

Изследването на сложните движения и еволюцията на земната атмосфера не само хвърля светлина върху историята на нашата планета, но също така предоставя ценна представа за характеристиките на други планети, помагайки да се определи коя от тях може да поддържа живот.
Загадъчен полярен вятър

От края на 60-те години на миналия век космически кораби, летящи над полюсите на Земята, засичат потоци от частици, изтичащи от нашата атмосфера в космоса, явление, наречено „полярен вятър“. Това изтичане е предсказано от теоретици, което стимулира по-нататъшни изследвания за търсене на основните причини.

Този атмосферен отток е очакван - интензивната, нефилтрирана слънчева светлина може да накара частиците в атмосферата да излетят в космоса, подобно на парата, издигаща се от вряща вода.

Наблюдаваният полярен вятър обаче е озадачаващ, тъй като повечето от частиците в него са студени и не показват признаци на нагряване - и въпреки това се движат със свръхзвукова скорост.

„Нещо трябва да изтегля тези частици от атмосферата“, обяснява Глин Колинсън (Glyn Collinson), главен изследовател на мисията Endurance в Центъра за космически полети Годард на НАСА в Грийнбелт, Мериленд, и водещ автор на статията. Учените са подозирали, че причината може да е неоткритото електрическо поле.
Мисията Endurance

Смята се, че това хипотетично електрическо поле, генерирано в субатомен мащаб, е невероятно слабо, с ефекти, които могат да бъдат открити само на големи разстояния. В продължение на десетилетия откриването му е извън възможностите на съществуващата технология. През 2016 г. Колинсън и неговият екип започват да разработват нов инструмент, предназначен да измерва амбиполярното поле на Земята.

Екипът установява, че техните инструменти и експериментален дизайн са най-подходящи за полет на суборбитална ракета, изстреляна от Арктика. В знак на почит към кораба, превозвал Ърнест Шакълтън на неговата известна антарктическа експедиция от 1914 г., екипът нарича мисията си Endurance.
Полет през полярния вятър

Ракетата се насочи към Свалбард, норвежки архипелаг само на няколкостотин километра от Северния полюс, където се намира най-северният ракетен полигон в света.

„Свалбард е единственият ракетен полигон в света, от където може да се премине през полярния вятър и да се направят необходимите измервания“, обяснява Сузи Имбър (Suzie Imber), космически физик в университета в Лестър, Великобритания, и съавтор на статията.

На 11 май 2022 г. мисията Endurance стартира, достигайки надморска височина от 768,03 километра, преди да падне 19 минути по-късно в Гренландско море. По време на своя обхват от 518 км надморска височина Endurance измерва промяна в електрическия потенциал от само 0,55 волта.

„Половин волт е почти нищо – силен е почти колкото батерия на часовник“, коментира Колинсън. „Но това е точното количество, което е нужно, за да се обясни полярният вятър."
Външна сила на електрическото поле

Най-изобилните частици в полярния вятър, водородните йони, изпитват насочена навън сила от това електрическо поле, което е 10,6 пъти по-силно от гравитацията.

„Това е повече от достатъчно, за да се противопостави на гравитацията – всъщност е достатъчно, за да се изстрелят нагоре в космоса със свръхзвукова скорост“, добавя Алекс Глосер (Alex Glocer), учен по проекта Endurance на Центъра за космически полети Годард на НАСА и съавтор на статията.

По-тежките частици също получават импулс. Например кислородните йони на тази надморска височина, където са изложени на това поле от половин волт, ефективно тежат наполовина по-малко.

Като цяло екипът установява, че амбиполярното поле увеличава „височината на мащаба“ на йоносферата с 271%, което означава, че йоносферата остава по-плътна на по-големи височини, отколкото би била без полето. „Това е като тази конвейерна лента, която издига атмосферата нагоре в космоса“, обясня Колинсън.
Последици от изследването

Откритието на мисията Endurance отваря множество нови пътища за изследване. Като основно енергийно поле на нашата планета, наред с гравитацията и магнетизма, амбиполярното поле може непрекъснато да е влияело върху еволюцията на нашата атмосфера по начини, които сега могат да бъдат изследвани.

Тъй като това поле се генерира от вътрешната динамика на атмосферата, е вероятно подобни електрически полета да съществуват на други планети, като Венера и Марс.

„Всяка планета с атмосфера трябва да има амбиполярно поле. Сега, след като най-накрая го измерихме, можем да започнем да учим как е оформило нашата планета, както и други с течение на времето“, заключава Колинсън.

Справка: Collinson, G.A., Glocer, A., Pfaff, R. et al. Earth’s ambipolar electrostatic field and its role in ion escape to space. Nature 632, 1021–1025 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07480-3

Източник: Discovery: Earth has planet-wide electric field that's equally important as gravity, Earth.com