Це відкриття може допомогти нам зрозуміти, що робить життя на нашій планеті можливим.

Десятки років тому вчені зробили дивовижне відкриття про те, що атмосфера Землі “протікає”, але приблизно 60 років причина цього явища залишалася загадкою. Але зараз дослідники таки її розкрили, пише The Washington Post.

З кінця 1960-х років супутники над полюсами виявили надзвичайно швидкий потік частинок, що вилітають у космос – зі швидкістю 20 кілометрів на секунду. Вчені підозрювали, що гравітація і магнітне поле самі по собі не можуть повністю пояснити цей потік. Має бути ще одне джерело, яке створює цей “дірявий кран”.

Виявляється, ця таємнича сила – це раніше невідоме глобальне електричне поле, як показало нещодавнє дослідження. Це поле має силу лише годинникової батарейки, але його достатньо, щоб виштовхувати легші іони з нашої атмосфери в космос. 

Цей нещодавно відкритий аспект нашої планети дає підказки про еволюцію атмосфери, можливо, пояснюючи, чому Земля придатна для життя. Вчений-ракетник NASA і провідний автор дослідження Глін Коллінсон каже, що електричне поле є “агентом хаосу”. Воно скасовує гравітацію, і без нього наша планета була б зовсім іншою. 

Нещодавно відкрите електричне поле є настільки ж фундаментальним для Землі, як і гравітація, кажуть автори. Але виявити його було нелегко.

“За даними NASA, наше Сонце може нагрівати і заряджати енергією деякі частинки настільки, що вони вилітають у космос. Але космічні апарати, які спостерігали потік частинок на полюсах – так званий полярний вітер – показали, що багато іонів рухаються надзвичайно швидко, але вони холодні. 

З математичної точки зору, вчені вже давно припускають, що невелике електричне поле може забезпечити достатньо енергії для виведення водню з нашої атмосфери. Але воно, ймовірно, генерувалося б на субатомному рівні і було б неймовірно слабким. Крім того, його потрібно було б виявити за сотні кілометрів.

“Вважалося, що його просто неможливо виміряти. Воно настільки слабке”, – сказав Коллінсон.

Фактично, Коллінсону і його колегам довелося винайти інструмент, фотоелектронний спектрометр, щоб виміряти слабке поле. Подорожуючи на човні 17 годин, команда вирушила до місця під назвою Шпіцберген і запустила невелику ракету, названу “Витривалість”, на честь відомого антарктичного судна 1910-х років, щоб здійснити короткий політ у космос і зібрати дані в реальному часі за допомогою нового інструменту. 

Спектрометр ракети зафіксував невелику зміну в 0,55 вольта на висоті 477 миль (767 км). Піввольта звучить мало, але це може запустити в космос легкий атом. Для атома водню висхідний потяг цього електричного поля в 10,6 разів сильніший, ніж гравітація, яка тягне його вниз, сказав Алекс Глоцер – фізик NASA і співавтор дослідження.

Важчі частинки також піднімаються, але цієї сили недостатньо, щоб повністю відправити їх у космос. Глоцер каже, що важчі атоми кисню потребують набагато більшого поштовху – близько 10 електрон-вольт енергії – щоб піднятися в космос

Але це електричне поле “заправляє насос” і піднімає атоми кисню вище в атмосфері, де інші процеси можуть завершити катапультування їх у космос.

“Найбільше дивує те, наскільки малим є поле, і в той же час воно здатне керувати цими глобальними процесами”, – сказав Дерек Шеффер, професор фізики плазми в Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі, який не брав участі в дослідженні.

Космічний фізик Філіп Ескубе, який також не брав участі в дослідженні, сказав, що “це фантастичні результати”, які демонструють значний прогрес у сучасних технологіях вимірювання таких малих електричних полів з високою роздільною здатністю.

“Відрізняється від будь-якого електричного поля”

Земля має багато електричних полів, але нещодавно відкрите “відрізняється від будь-якого електричного поля, з яким ви стикалися у повсякденному житті”, сказав Коллінсон.

Воно називається амбіполярним і починається приблизно на висоті 150 миль над нами, пояснив він. Сонце світить на атом і відриває електрон, розділяючи негативний електрон і позитивний іон, хоча вони все ще притягуються один до одного.

Електрони легкі і з радістю втекли б у космос самі по собі, але гравітація сильніше тягне важчий позитивний іон, сказав Коллінсон. Електрон намагається відірватися, але між ними утворюється електрична сила, яка перешкоджає розриву – як собака, що тягне за повідець. Це електричне поле тягне в обох напрямках, або є амбіполярним, пояснили в NASA.

Коллінсон сказав, що “всі ці крихітні, крихітні, крихітні електричні повідці” додають до цього піввольтового потенціалу на задньому плані. Сумарний ефект електричного поля піднімає іони вгору, щоб вилетіти в космос у складі сонячного вітру.

Куди летять частинки?

Коли частинки піднімаються з нашої атмосфери, деякі з них вирушають в космос в один кінець. Інші знаходять шлях назад.

Моделі показують, що наше магнітне поле може вловлювати ці частинки і штовхати їх назад до Землі, каже Ескубе. Наприклад, частинки можуть висипатися дощем у вигляді танцюючого північного сяйва.

“Деякі частинки повертаються назад, але ми не знаємо точно, в якому співвідношенні вони повертаються. Це складніше виміряти”, – пояснив Ескубе.

В інших випадках вони можуть залишатися в захисній бульбашці Землі, яка називається магнітосферою, де вони можуть впливати на шторми, що надходять від Сонця, сказав він. Додаткові іони водню, наприклад, можуть буферизувати вплив сонячної бурі, що взаємодіє із Землею. Це було б гарною новиною для наших енергетичних систем на поверхні, які можуть постраждати від припливу сонячних частинок, але це також може зменшити кількість спостережень полярних сяйв.

“Точне знання того, як виглядає це поле, важливе для правильного моделювання цих процесів на комп’ютерах, що, в свою чергу, є одним з ключових способів прогнозування космічної погоди”, – сказав Шеффер.

Якщо буде втрачено занадто багато частинок, це може вплинути на Землю іншими способами, як це спостерігається на інших планетах. 90 тонн матеріалу, що щодня вилітає з верхніх шарів атмосфери Землі в космос, – це небагато, але з часом ця кількість може збільшуватися, каже Ескубе.

Наприклад, колись квітучий Марс зараз має розріджену атмосферу і не підтримує життя, наскільки нам відомо. Очікується, що будь-яка планета чи супутник з атмосферою має таке амбіполярне електричне поле, яке може дати підказки щодо еволюції планети.

Можливо, Землі не загрожує втрата атмосфери за нашого життя, але Коллінсон каже, що це відкриття може допомогти нам зрозуміти, що робить життя на нашій планеті можливим.