Naukowcy odkryli długo poszukiwane globalne pole elektryczne Ziemi
Wykorzystując obserwacje z rakiety suborbitalnej NASA, naukowcy po raz pierwszy z powodzeniem zmierzyli ogólnoplanetarne pole elektryczne Ziemi, które uważa się za równie fundamentalne dla naszej planety, jak jej pole grawitacyjne i magnetyczne.
Jest ono również znane jako ambipolarne pole elektryczne, a naukowcy po raz pierwszy postawili hipotezę ponad 60 lat temu, że napędza ono sposób, w jaki atmosfera naszej planety może uciekać nad północnym i południowym biegunem Ziemi. Pomiary przeprowadzone przez rakietę Endurance NASA potwierdziły jego istnienie i określiły siłę, ujawniając jego rolę w napędzaniu ucieczki atmosfery i kształtowaniu jonosfery (górnej warstwy atmosfery).
Zrozumienie złożonych ruchów i ewolucji atmosfery naszej planety dostarcza badaczom z NASA wskazówek nie tylko na temat historii Ziemi, ale także daje wgląd w tajemnice innych planet i określenie, które z nich mogą utrzymać życia. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Nature.
Od końca lat sześćdziesiątych XX wieku statki kosmiczne przelatujące nad biegunami Ziemi wykryły strumień cząstek wypływających z naszej atmosfery w przestrzeń kosmiczną. Teoretycy przewidzieli ten wypływ, który nazwali „wiatrem polarnym”, co skłoniło do przeprowadzenia badań w celu zrozumienia jego przyczyn.
Pewna ilość wypływu z naszej atmosfery była oczekiwana przez naukowców. Intensywne, niefiltrowane światło słoneczne powinno powodować ucieczkę niektórych cząstek z powietrza w przestrzeń kosmiczną. Jednak zaobserwowany wiatr polarny był bardziej tajemniczy – wiele cząstek w nim zawartych było zimnych, bez śladu, że zostały podgrzane – a mimo to poruszały się z prędkościami naddźwiękowymi.
„Coś musiało wyciągać te cząstki z atmosfery. Naukowcy podejrzewali, że może być w to zaangażowane jeszcze nieodkryte pole elektryczne” – mówi Glyn Collinson z NASA.
.Badacze zakładali, że hipotetyczne pole elektryczne, generowane w skali subatomowej, będzie niewiarygodnie słabe, a jego skutki będą odczuwalne jedynie na przestrzeni setek kilometrów. Przez dziesięciolecia jego wykrycie wykraczało poza granice istniejącej technologii. W 2016 roku naukowcy z NASA postanowili opracować nowy instrument, który ich zdaniem byłby w stanie zmierzyć pole elektryczne Ziemi.
Naukowcy zdecydowali, że najlepsze byłoby umieszczenie instrumentów badawczych na suborbitalnej rakiecie wystrzelonej z Arktyki. W nawiązaniu do statku, który zabrał Ernesta Shackletona w jego słynną podróż na Antarktydę w 1914 roku, zespół nazwał swoją misję Endurance. Naukowcy wykorzystali Svalbard, norweski archipelag położony zaledwie kilkaset kilometrów od bieguna północnego do przeprowadzenia misji.
W dniu 11 maja 2022 r. Endurance wystartował i osiągnął wysokość 768,03 km, rozbijając się 19 minut później na Morzu Grenlandzkim. W całym zakresie wysokości, w którym zbierała dane, misja zmierzyła zmianę potencjału elektrycznego wynoszącą zaledwie 0,55 wolta.
„Pół wolta to prawie nic – to mniej więcej tyle, co bateria zegarka. Ale to odpowiednia ilość, aby wyjaśnić wiatr polarny” zaznacza Collinson.
Jony wodoru, najliczniejszy rodzaj cząstek w wietrze polarnym, doświadczają skierowanej na zewnątrz siły z tego pola 10,6 razy silniejszej niż grawitacja.
„To więcej niż wystarczająco, aby przeciwdziałać grawitacji – w rzeczywistości wystarczająco, aby wystrzelić je w kosmos z prędkością naddźwiękową” – tłumaczy Alex Glocer z NASA.
Zdaniem badaczy, cięższe cząsteczki również zyskują na sile. Jony tlenu na tej samej wysokości, zanurzone w polu o napięciu pół wolta, ważą o połowę mniej. Naukowcy odkryli, że pole elektryczne Ziemi zwiększa tak zwaną „wysokość skali” jonosfery o 271 proc., co oznacza, że jonosfera pozostaje gęstsza na wyższych wysokościach niż byłaby bez niego.
Jako podstawowe pole energetyczne naszej planety, obok grawitacji i magnetyzmu, pole ambipolarne może stale kształtować ewolucję atmosfery w sposób, który naukowcy mogą teraz zacząć badać. Ponieważ jest ono tworzone przez wewnętrzną dynamikę atmosfery, naukowcy zakładają, że podobne pola elektryczne istnieją na innych planetach, w tym na Wenus i Marsie.
„Każda planeta z atmosferą powinna mieć pole ambipolarne. Teraz, gdy w końcu udało nam się je zmierzyć, możemy zacząć dowiadywać się, jak kształtowało ono naszą planetę i inne na przestrzeni czasu” – podsumowuje Collinson.
Emil Gołoś
