Почему атмосфера «улетает» в космос: ученые впервые измерили глобальное электрическое поле Земли, которое искали десятилетиями

Американское управление по аэронавтике и исследованию космического пространства NASA сообщило о долгожданном достижении. Используя наблюдения с суборбитальной ракеты NASA, международная группа ученых впервые успешно измерила электрическое поле всей планеты, которое, как полагают, является таким же «фундаментальным» для Земли, как гравитационное и магнитное поля.

Более 60 лет назад ученые впервые выдвинули гипотезу о так называемом амбиполярном электрическом поле, которое управляет тем, как атмосфера Земли может рассеиваться, «улетая» в космос над Северным и Южным полюсами. Измерения с ракеты миссии NASA Endurance подтвердили существование амбиполярного поля и количественно оценили его силу, выявив его роль в ускорении потери газов атмосферы и формировании нашей ионосферы — слоя верхних слоев атмосферы - в более широком смысле.

В конце 1960-х годов космические аппараты, пролетающие над полюсами Земли, обнаружили поток частиц, «улетающих» из нашей атмосферы в космос. Теоретики предсказали этот отток, который они назвали «полярным ветром», что подстегнуло исследования по пониманию его причин. 

Как пояснили в NASA, интенсивный солнечный свет должен был заставить некоторые частицы из нашего воздуха выйти в космос, как пар, испаряющийся из кастрюли с водой. Однако наблюдаемый полярный ветер представлял собой загадку. Многие частицы внутри него были холодными, без каких-либо признаков нагревания, однако они двигались со сверхзвуковой скоростью. Глин Коллинсон, главный исследователь Endurance в Центре космических полетов имени Годдарда в Гринбелте, подчеркнул:

Что-то должно было вытягивать эти частицы из атмосферы. 

Ученые подозревали, что здесь может работать еще не обнаруженное электрическое поле. Предполагаемое электрическое поле, генерируемое в субатомном масштабе, должно было быть невероятно слабым, а его воздействие ощущалось лишь на расстоянии сотен миль. Десятилетиями его обнаружение выходило за рамки существующих технологий. В 2016 году Коллинсон и его команда приступили к созданию нового прибора, который, по их мнению, подходил для измерения амбиполярного поля Земли.

Инструменты и идеи команды лучше всего подходили для суборбитального полета ракеты, запущенной из Арктики. 11 мая 2022 года Endurance стартовала и достигла высоты 768,03 км, приводнившись 19 минут спустя в Гренландском море. При этом Endurance измерила изменение электрического потенциала в 0,55 вольт. Коллинсон отметил:

Полвольта — это почти ничто, это примерно столько же, сколько батарейка для часов. Но это как раз то количество, которое нужно, чтобы объяснить полярный ветер. 

Ионы водорода, наиболее распространенный тип частиц в полярном ветре, испытывают направленную наружу силу этого поля в 10,6 раз сильнее гравитации.  Алекс Глосер, научный сотрудник проекта Endurance, пояснил:

Этого более чем достаточно, чтобы противостоять гравитации — на самом деле, этого достаточно, чтобы запустить их в космос на сверхзвуковой скорости. 

Более тяжелые частицы также получают импульс. Ионы кислорода на той же высоте, погруженные в это поле, весят вдвое меньше. В целом, команда обнаружила, что амбиполярное поле увеличивает то, что известно как «масштабная высота» ионосферы на 271%, то есть ионосфера остается более плотной на больших высотах, чем она была бы без него. Коллинсон добавил:

Это как конвейер, поднимающий атмосферу в космос.