Физика

Группа ученых из NASA впервые обнаружила и измерила глобальное электрическое поле нашей планеты, существование которого предсказывали физики почти 60 лет назад. Согласно заявлениям специалистов, именно это поле вызывает утечку газа в космос в полярных широтах, а также ответственно за ряд других эффектов, в которых еще предстоит разобраться. Авторы нового исследования считают, что их работа не только раскроет загадки истории Земли, но и позволит проникнуть в тайны других планет и понять, какие из этих миров могут быть пригодны для жизни.

В 1968 году ученые обнаружили в атмосфере нашей планеты, а именно — в горячей ионосфере, одну странность: потоки ионов над полюсами Земли покидали атмосферу и улетучивались в космос, отчего на определенных высотах в полярных широтах она начинала «редеть». В горячем газе значимая доля частиц передвигается с достаточно высокой скоростью — значит, самые быстрые ионы могут разорвать оковы земной гравитации.

Однако спутники, пролетавшие над полюсами Земли, показали, что большая доля частиц, составляющих поток, не нагревается, кроме того, движется со сверхзвуковыми скоростями и запросто преодолевает земное притяжение. Иными словами, частицы разгонялись не благодаря горячему газу, а неким другим механизмам.

Что же заставляет ионы улетучиваться из атмосферы? Тогда же физики предположили, что причина — еще не открытое слабое электрическое поле.

Ионосфера начинается на высоте 50 километров и заканчивается на высоте около 1000 километров. В этой части атмосферы ультрафиолетовые и рентгеновские лучи Солнца как бы «срывают» электронное «облако» атомов водорода и кислорода и превращают некоторые атомы в положительно заряженные ионы. В результате образуется «суп» из электронов, ионов и смеси нейтральных атомов и молекул — ионосферная плазма. Температура ионосферы может достигать нескольких тысяч градусов Цельсия (зависит от высоты и времени года).

Электроны и ионы создают вокруг себя небольшое электрическое поле. Однако первые заряжены отрицательно, а вторые — положительно. Если же концентрация электронов и ионов одинакова, то их поля должны компенсировать друг друга. То есть, по идее, ионосфера должна быть лишена масштабного электрического поля.

Ионы тяжелее электронов, иногда в десятки тысяч раз. Логично предположить, что первые частицы могут опускаться вниз, вторые — наоборот, подниматься вверх. Эта разница концентрации частиц «вверху» и «внизу» достаточная, 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 даже оказываются так высоко, что уносятся в космос.

Физики подсчитали, что перепад высоты с 200 до 780 километров обеспечивает разность потенциалов лишь около 0,4 вольта — слабое напряжение, но достаточное, чтобы часть ионов разгонялась до сверхзвуковой скорости.

В XX веке ученые не могли выделить слабое глобальное электрическое поле вокруг Земли, поскольку не располагали необходимыми технологиями. В XXI веке ситуация изменилась.

В мае 2022 года с архипелага Шпицберген специалисты Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США отправили в космос ракету Endurance, оборудованную приборами для изучения ионосферы. Старт состоялся в той части Земли, над которой ионы каким-то образом улетучиваются в космос.

Ракета поднялась на максимальную высоту 768 километров и спустя 19 минут упала в Гренландское море. За это время Endurance смогла собрать необходимую информацию об ионосфере, которую исследователи из NASA представили в статье, опубликованной в журнале Nature.

Выяснилось, что Земля действительно обладает слабым глобальным электрическим полем. Приборы зафиксировали, что оно начинается на высоте примерно 250 километров и заканчивается на высоте 768 километров. На этом отрезке инструменты зарегистрировали разность электрического потенциала в 0,55 вольта, что близко к значению, предсказанному учеными в 1968 году.

«Это напряжение почти ничто. Оно немного меньше рабочего напряжения батарейки для часов. Но его достаточно, чтобы объяснить, как ионы разгоняются до звуковой скорости и улетучиваются в космос», — пояснил Глинн Коллинсон (Glynn Collinson), главный исследователь миссии Endurance.

По словам авторов открытия, новое всепланетное поле провоцирует небольшую утечку атмосферы в космос в полярных широтах, а также оказывает на атмосферу планеты эффекты, которые еще предстоит изучить.

Исследователи заключили, что, изучая сложную динамику движения и эволюции атмосферы Земли, можно не только больше узнать об истории нашей планеты, но и проникнуть в тайны других миров: частности, понять, какие из них, вероятно, пригодны для жизни.