Международная группа учёных впервые успешно измерила с помощью суборбитальной ракеты НАСА общепланетарное электрическое поле, которое считается таким же фундаментальным для Земли, как гравитационное и магнитное поля.
Известное как амбиполярное электрическое поле, учёные впервые предположили более 60 лет назад, что оно определяет, как атмосфера нашей планеты может выходить из-под контроля над северным и южным полюсами Земли.
Измерения, проведённые ракетой НАСА Endurance, подтвердили существование амбиполярного поля и количественно определили его силу, выявив его роль в управлении выходом атмосферы и формировании ионосферы — слоя верхней атмосферы — в более широком смысле.
Понимание сложных движений и эволюции атмосферы нашей планеты даёт ключ не только к истории Земли, но и позволяет проникнуть в тайны других планет и определить, какие из них могут быть пригодны для жизни.
Работа опубликована 28 августа 2024 года, в журнале Nature.
Электрическое поле, уносящее частицы в космос
С конца 1960-х годов космические аппараты, пролетающие над полюсами Земли, зафиксировали поток частиц, вылетающих из нашей атмосферы в космос. Теоретики предсказали этот поток, который они окрестили «полярным ветром», побудив учёных изучить его и разобраться в причине его существования.
Некоторый отток частиц из нашей атмосферы был ожидаем. Интенсивный, нефильтрованный солнечный свет должен был заставить некоторые частицы из нашего воздуха улетучиться в космос, как пар, испаряющийся из кастрюли с водой. Но наблюдаемый полярный ветер был более загадочным. Многие частицы в нём были «холодными» — и при этом они летели со сверхзвуковой скоростью.
«Что-то должно было вытягивать эти частицы из атмосферы», — говорит Глин Коллинсон, главный исследователь проекта Endurance в Центре космических полётов НАСА имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, и ведущий автор статьи. Учёные предположили, что за этим может стоять ещё не обнаруженное электрическое поле.
Предполагалось, что это электрическое поле, генерируемое на субатомном уровне, будет невероятно слабым, и его воздействие будет ощущаться лишь на расстоянии сотен километров. В течение десятилетий его обнаружение не укладывалось в рамки существующих технологий. В 2016 году Коллинсон и его команда занялись изобретением нового прибора, который, по их мнению, должен был справиться с задачей измерения амбиполярного поля Земли.
Как работает амбиполярное поле
На этом анимированном изображении показано, как фотон от Солнца сталкивается с атомом кислорода, выбивая из него электрон. Когда атомы и молекулы теряют электроны, они становятся положительно заряженными, превращаясь в ионы. Этот процесс известен как ионизация.
Слабое электрическое поле в верхних слоях атмосферы может уносить заряженные частицы в космос.
Учёные предположили, что это электрическое поле должно начинаться на высоте около 250 километров, где атомы в нашей атмосфере распадаются на отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы.
Электроны невероятно легки — малейший толчок энергии может отправить их в космос. Ионы по меньшей мере в 1 836 раз тяжелее и имеют тенденцию опускаться к земле. Если бы действовала только гравитация, то две популяции, разделившись, со временем разбежались бы.
Но учитывая их противоположные электрические заряды, образуется электрическое поле, которое связывает их вместе, предотвращая разделение зарядов и противодействуя некоторым эффектам гравитации.
На этой анимации показана коллекция частиц, ощущающих притяжение гравитации, конкурирующее с притяжением заряженных электронов. Крупные белые ионы качаются вниз, а маленькие фиолетовые электроны тянутся вверх. Двунаправленная природа этой связи даёт полю название: амбиполярное электрическое поле.
Амби - это приставка, заимствованная из латыни и означающая «оба»,
а воздействие поля сильнее всего ощущается на полюсах.
Это электрическое поле двунаправленное, или «амбиполярное», потому что оно действует в обоих направлениях. Ионы тянут электроны за собой вниз, так как они "тонут" под действием силы тяжести.
В то же время электроны поднимают ионы на большую высоту, когда те пытаются вырваться в космос, подобно крошечной собачке,
тянущей за поводок своего нерасторопного хозяина.
Чистый эффект амбиполярного поля заключается в увеличении высоты атмосферы, поднимая некоторые ионы достаточно высоко, чтобы они могли улететь с полярным ветром.
Запуск ракеты из Арктики
Приборы и идеи команды лучше всего подходили для суборбитального полёта на ракете, запущенной из Арктики. В знак уважения к кораблю, на котором Эрнест Шеклтон отправился в своё знаменитое путешествие в Антарктиду в 1914 году, команда назвала свою миссию Endurance — «Выносливость».
Учёные взяли курс на Шпицберген, норвежский архипелаг, расположенный всего в нескольких сотнях миль от Северного полюса, где находится самый северный ракетный полигон в мире.
«Шпицберген — единственный в мире ракетный полигон, где можно пролететь сквозь полярный ветер и провести необходимые нам измерения», — говорит Сьюзи Имбер, космический физик из Университета Лестера (Великобритания) и соавтор статьи.
11 мая 2022 года аппарат Endurance стартовал и поднялся на высоту 477,23 мили (768,03 км), а через 19 минут упал в Гренландское море. На 322-мильном интервале высот, где он собирал данные, Endurance измерил изменение электрического потенциала всего на 0,55 вольта.
«Полвольта — это почти ничто, это примерно как у батарейки в часах, — говорит Коллинсон. — Но это как раз то, что нужно для объяснения полярного ветра».
Ионы водорода, наиболее распространённый тип частиц в полярном ветре, испытывают внешнее воздействие этого поля, которое в 10,6 раза сильнее гравитации. «Этого более чем достаточно, чтобы противостоять гравитации — более того, этого достаточно, чтобы запустить их в космос со сверхзвуковой скоростью», — говорит Алекс Глоцер, научный сотрудник проекта Endurance в НАСА Годдард и соавтор статьи.
Более тяжёлые частицы также получают ускорение. Ионы кислорода на той же высоте, погруженные в поле напряжённостью в полвольта, весят в два раза меньше. В целом, команда обнаружила, что амбиполярное поле увеличивает так называемую «масштабную высоту» ионосферы на 271 %, то есть ионосфера остаётся более плотной на больших высотах, чем была бы без него.
«Это как конвейерная лента, поднимающая атмосферу в космос», — добавил Коллинсон.
Открытие Endurance даёт множество новых путей для исследований. Амбиполярное поле, являющееся фундаментальным энергетическим полем нашей планеты наряду с гравитацией и магнетизмом, возможно, постоянно формировало эволюцию нашей атмосферы таким образом, который мы теперь можем начать изучать. Поскольку оно создаётся внутренней динамикой атмосферы, предполагается, что подобные электрические поля существуют и на других планетах, включая Венеру и Марс.
«Любая планета с атмосферой должна иметь амбиполярное поле, — говорит Коллинсон. — Теперь, когда мы наконец-то измерили его, мы можем начать изучать, как оно формировало нашу планету и другие планеты с течением времени».
поиск - yandex.ru/search/?text=амбиполярное+электрическое+поле+земли
Предполагаемое электрическое поле, генерируемое в субатомном масштабе, должно было быть невероятно слабым, а его воздействие ощущалось лишь на расстоянии сотен километров. Десятилетиями его обнаружение выходило за рамки существующих технологий.
В 2016 году Глин Коллинсон, главный исследователь Endurance в Центре космических полётов имени Годдарда и ведущий автор работы и его команда приступили к созданию нового прибора, который, по их мнению, подходил для измерения амбиполярного поля Земли.
«Шпицберген — единственный в мире ракетный полигон, где можно пролететь сквозь полярный ветер и провести необходимые нам измерения», — сказала Сьюзи Имбер, космический физик из Университета Лестера (Великобритания) и соавтор статьи.
11 мая 2022 года ракета Endurance стартовала и достигла высоты 768,03 км, приводнившись 19 минут спустя в Гренландском море. В диапазоне высот, где она собирала данные, Endurance измерила изменение электрического потенциала всего на 0,55 вольт.
«Полвольта — это почти ничто, это примерно столько же, сколько батарейка для часов. Но это как раз то количество, которое нужно, чтобы объяснить полярный ветер», — сказал Коллинсон.
Ионы водорода, наиболее распространённый тип частиц в полярном ветре, испытывают направленную наружу силу этого поля, в 10,6 раз превышающую силу гравитации.
Более тяжёлые частицы также получают импульс. Ионы кислорода на той же высоте, погруженные в это поле в полвольта, весят вдвое меньше.
В целом, команда обнаружила, что амбиполярное поле увеличивает то, что известно как «масштабная высота» ионосферы на 271%, то есть ионосфера остаётся более плотной на больших высотах, чем она была бы без него.
Открытие Endurance открыло много новых путей для исследования. Амбиполярное поле, как фундаментальное энергетическое поле нашей планеты наряду с гравитацией и магнетизмом, могло непрерывно формировать эволюцию атмосферы Земли способами, которые теперь учёные могут начать исследовать.
Поскольку оно создаётся внутренней динамикой атмосферы, ожидается, что подобные поля существуют на других планетах, включая Венеру и Марс.
«Любая планета с атмосферой должна иметь амбиполярное поле. Теперь, когда мы наконец измерили его, мы можем начать изучать, как оно формировалось вокруг нашей планеты, а также у других планет с течением времени»
В полярных регионах нашей планеты из атмосферы вытекает поток заряженных частиц, гонимый так называемым полярным ветром. В течение многих лет предполагалось, что его источником является третье из фундаментальных полей, связанных с Землёй. Теперь подтвердилось, что Земля имеет слабое электрическое поле.
Читайте: Сахара великая солнечная электростанция –
сложности и целесообразность
Глобальное электрическое поле Земли
Земля создаёт гравитационное поле – это факт, который, наверное, никто не оспаривает. Даже если кто-то не совсем знает, как это объяснить, падение тел на Землю является неоспоримым доказательством того, что гравитация Земли работает и важна.
Точно так же мы не сомневаемся в существовании магнитного поля, хотя этим вопросом интересуется меньше людей. В случае магнитного поля, механизмом, его создающим, по нашим данным, является гидромагнитное динамо, а точнее, движение жидкого железа в ядре Земли.
В результате этого возникают токи, а их течение, в свою очередь, становится источником магнитного поля. Мы также слышим о магнитном поле каждый раз, когда говорим о северном сиянии.
Магнитное поле Земли не такое сильное, как то, что мы производим, например, в медицинских аппаратах типа МРТ, но оно существует в больших масштабах и защищает нас от солнечного ветра.
А что насчёт электрического поля? Его существование тоже кажется очевидным, но пока на вопрос, откуда оно взялось, мы не смогли ответить. Теперь благодаря ракете Endurance, запущенной в суборбитальный полёт NASA весной 2022 года, мы узнали его источник и природу — это амбиполярное поле.
Теоретики уже давно предсказывали существование электрического поля Земли с начала космической эры, около 60 лет назад.
60 лет поисков источника электрического поля Земли
Гипотеза об амбиполярном (двунаправленном, действие направлено на поддержание нейтральности заряда в плазме) поле появилась более 60 лет назад, когда первые орбитальные миссии зафиксировали истечение заряженных частиц из атмосферы в космос.
Этот поток получил название полярного ветра, но не следует путать с циклоническим характером ветров, называемым полярным вихрем.
Проблемой обнаружения источника полярного ветра была слишком низкая точность измерительных приборов. Теоретики с самого начала предполагалась, что это будет очень слабое поле, которое можно обнаружить на небольшом пространстве в сотни километров.
Гипотеза, связанная с Солнцем, излучение которого от частиц в атмосфере могло привести к эффекту, подобному испарению, была немедленно исключена. Полярный ветер состоял из частиц, которые двигались со сверхзвуковой скоростью, но не было никаких указаний на то, что эти скорости были вызваны солнечной энергией.
Лишь в 2016 году появились технические возможности создать детектор, способный улавливать различия в электрическом потенциале, связанные с полярным ветром. И именно это произошло в мае 2022 года, когда ракета Endurance собрала необходимые данные во время полёта продолжительностью менее получаса, на высоте 770 км над Гренландским морем (регион между Гренландией, Исландией и Шпицбергеном).
Ракета «Endurance» взлетает со Шпицбергена в Ню-Олесунне, примерно в 1200 км от Северного полюса, чтобы впервые обнаружить электрическое поле Земли.
«Толчком к проведению миссии по обнаружению электрического поля Земли послужили данные, предоставленные зондом ESA Venus Express, которые указали на существование электрического поля с потенциалом 10 В, окружающего нашу соседку Венеру.»
Они указали электрический потенциал всего 0,55 В. Полвольта – это почти ничего, примерно столько же в часовой батарейке – так комментирует то открытие Глин Коллинсон из Центра Годдарда NASA, добавляя – однако этого достаточно, чтобы объяснить функционирование полярного ветра.
Глин Коллинсон осматривает прибор, который будет использоваться для обнаружения электрического потенциала, связанного с электрическим полем Земли. Во время полета он разворачивался, выдвигая восемь стрел с датчиками.
Итак, ещё одна загадка, связанная с Землёй, решена, но на практике это только начало исследований её амбиполярного электрического поля. По словам Коллисона, каждая планета с атмосферой должна иметь амбиполярное поле, и теперь, когда мы, наконец, измерили его, можем начать лучше понимать, как оно со временем сформировало нашу планету, как и другие планеты.
Как работает амбиполярное электрическое поле Земли
Эффект амбиполярного электрического поля Земли заключается почти в утроении дальности действия ионосферы Земли в космосе, по сравнению с ситуацией – без такого поля.
Коллисон кратко описывает природу этого поля: оно похоже на конвейерную ленту, несущую атмосферу вверх, в космос. Это электрическое поле создаётся высоко над Землей по меньшей мере, на высоте 250 км, когда атомы и частицы, составляющие атмосферу, под воздействием солнечной радиации распадаются.
Из-за этого создаётся плазма из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных ионов. Отсюда и название этого слоя земной атмосферы – ионосфера. Электроны, будучи намного легче, стремятся улететь в космос, а ионы падают на Землю.
Здесь начинает играть роль, электрическое поле, создаваемое разделёнными ионами и электронами. Ионы, опускающиеся в атмосферу под действием силы тяжести, тормозят отток электронов, а вырвавшиеся из атмосферы электроны поднимают ионы вверх – отсюда и термин - амбиполярное поле.
В результате ионосфера расширяется, и некоторые ионы (в основном ионы водорода) поднимаются достаточно высоко, чтобы улететь из атмосферы с полярным ветром.
По мнению учёных, более детальное понимание свойств электрического поля Земли будет очень полезно в будущем, для лучшего понимания эволюции Земли, а также Венеры и Марса.
В случае Венеры электрическое поле могло быть одним из факторов, которые сделали поверхность красной планеты настолько отличной от поверхности Земли.