День: 03.09.2024

В 1960-х годах ученые впервые выдвинули гипотезу о существовании амбиполярного электрического поля, управляющего процессом утечки земной атмосферы в космическое пространство. Причиной предположения послужил поток частиц, «вытекающих» из атмосферы на полюсах. Этот «полярный ветер» представлял собой серьезную загадку, так как частицы внутри него двигались со сверхзвуковой скоростью и в то же самое время были холодными. Теперь же, благодаря наблюдениям, сделанным с помощью суборбитальной ракеты NASA, запущенной в рамках миссии Endurance, гипотеза амбиполярного поля получила подтверждение. Это электрическое поле считается таким же фундаментальным для нашей планеты, как и ее более известные магнитные и гравитационные поля, а в ходе его изучения ученые надеются лучше понять, как эволюционировала атмосфера Земли и что происходит с ней сегодня. Рассказываем подробности!

Полярный ветер – устойчивый поток заряженных частиц в космос, возникающий над полюсами Земли.

Поток частиц

С конца 1960-х годов космические аппараты, пролетающие над полюсами Земли, регистрировали поток частиц, выходящих из атмосферы в космос. В те годы ученые допускали небольшой «отток воздуха» земной атмосферы в космическое пространство, так как интенсивный, не фильтруемый солнечный свет должен этому способствовать, подобно пару, испаряющемуся из кастрюли с водой.

Наблюдаемый полярный ветер, однако, был более загадочным – многие частицы внутри него были холодными и двигались со сверхзвуковой скоростью. Тогда исследователи предположили, что вытягивать частицы в космос может еще не открытое электрическое поле.

Физики полагали, что оно должно быть невероятно слабым, а возникает на расстоянии около 250 километров над поверхностью планеты. Увы, но для обнаружения гипотетического электрического поля требовались мощные технологии, которых в те годы попросту не существовало. К счастью, в 2016 году команда ученых из NASA приступила к работе над изобретением подходящего прибора.

Еще больше интересных статей о последних открытиях в области астрономии и физики, читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен – там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте!

Новое электрическое поле

В ионосфере нашей планеты, на высоте около 250 километров, атомы распадаются на отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы. Напомним, что электроны невероятно легкие — даже малейший выброс энергии может отправить их в космос. Ионы же по меньшей мере в 1836 раз тяжелее и, как правило, опускаются к поверхности.

Если бы на них действовала только гравитация, то обе популяции частиц со временем отдалялись бы друг от друга. Их противоположные электрические заряды, однако, привели к образованию электрического поля, которое связывает их вместе и предотвращает любое разделение зарядов. Более того, оно противодействует некоторым гравитационным эффектам.

«Новое» электрическое поле получило свое название из-за двунаправленности или «амбиполярности», так как «действует» в обоих направлениях. Это означает, что ионы, опускаясь под действием гравитации, притягивают электроны к себе, а электроны, в свою очередь, поднимают ионы на большую высоту, отчаянно пытаясь вырваться в космос.

Суммарный эффект амбиполярного поля заключается в увеличении высоты атмосферы, в результате чего некоторые ионы поднимаются достаточно высоко, чтобы улететь с полярным ветром, –объясняют исследователи из NASA.

Миссия NASA Endurance

Чтобы выяснить происхождение полярного ветра и подробно изучить амбиполярное поле, в 2022 году исследователи запустили ракету Endurance с полигона на Шпицбергене недалеко от Северного полюса, отправив ее на высоту 768,03 километров над землей, прежде чем она приземлилась в Гренландском море 19 минут спустя. «Шпицберген – единственный ракетный полигон в мире, где можно пролететь сквозь полярный ветер и произвести необходимые измерения», – отметила Сьюзи Имбер, физик из Лестерского университета.

Миссия Endurance собирала данные на протяжении 518 км полета и обнаружила незначительное изменение напряжения (на 0,55 вольта), что примерно соответствует разряду батареи часов. Тем не менее, именно эта разница напряжений выталкивает ионы водорода – наиболее распространенные частицы в солнечном ветре – с силой, в 10,6 раз превышающей гравитацию.

Этой разницы оказалось более чем достаточно, чтобы противостоять гравитации — фактически достаточно для запуска атмосферных частиц в космос на сверхзвуковых скоростях. Более тяжелые частицы также получают импульс. Ионы кислорода на той же высоте, погруженные в это полувольтное поле, весят вдвое меньше, – говорится в заявлении соавтора научной работы Алекса Глосера, научного сотрудника проекта Endurance в NASA.

В целом, ученые обнаружили, что амбиполярное поле увеличивает так называемую масштабную высоту ионосферы на 271%. Это означает, что ионосфера остается более плотной на больших высотах, чем была бы без него. Ознакомиться с результатами работы, подтверждающей гипотезу 1960-х годов, можно в журнале Nature.

Это интересно: Когда у Земли появилось магнитное поле — вы удивитесь

Что дальше?

Теперь, когда существование амбиполярного поля доказано, ученые займутся его дальнейшим изучением, чтобы понять как оно меняло атмосферу Земли на протяжении всего существования нашей планеты. Исследователи также ожидают обнаружить аналогичные электрические поля в атмосферах таких планет, как Венера и Марс.

Все дело в том, что любая планета с атмосферой должна обладать амбиполярным полем, а понимание сложных движений и эволюции земной атмосферы дарит ключ к ее истории. Более того, это электрическое поле позволит исследователям узнать тайны других планет и определить, какие из них могут быть пригодны для жизни.

Кстати, в прошлом году астрономы обнаружили целых пять потенциально пригодных для жизни планет за пределами Солнечной системы! Подробности здесь, не пропустите!