Przejdź do treści

Naukowcy po raz pierwszy zmierzyli pole elektryczne wokół Ziemi

Spis treści

Ponad 60 lat temu naukowcy przewidzieli, że istnieje niewidzialne, słabe pole elektryczne otaczające Ziemię. Do niedawna nie dysponowaliśmy odpowiednią technologią pozwalającą na jego wykrycie. Teraz, dzięki misji NASA, pole to zostało w końcu wykryte i zmierzone.

Naukowcy po raz pierwszy wysunęli hipotezę pola elektrycznego otaczającego naszą planetę ponad 60 lat temu. Niedawne badania wykonane dzięki misji Endurance zrealizowanej przez NASA, potwierdziły istnienie pola. Udało się również je zmierzyć.

Wyniki oraz opis badań ukazał się na łamach pisma „Nature” (DOI: 10.1038/s41586-024-07480-3).

Pole elektryczne Ziemi

Ziemia posiada pole grawitacyjne. Niewiele wiemy o grawitacji, ale bez niej nie byłoby naszej planety. Grawitacja pomaga również utrzymać atmosferę przy powierzchni. Istnieje również pole magnetyczne, które jest generowane przez prądy w płynnym jądrze Ziemi. Rozciąga się na tysiące kilometrów od planety, a obszar, którym obejmuje, nazywa się magnetosferą. Pole magnetyczne chroni naszą planetę przed skutkami wiatru słonecznego i promieniowania, a także pomaga zapobiec rozwianiu atmosfery.

Słabe pole elektryczne uważa się za równie fundamentalne dla Ziemi, jak pole grawitacyjne i magnetyczne. Tzw. ambipolarne pole elektryczne jest kluczowym mechanizmem powodującym ucieczkę naładowanych cząstek ziemskiej atmosfery w przestrzeń kosmiczną nad biegunami Ziemi. Zrozumienie złożonych ruchów i ewolucji atmosfery naszej planety dostarcza wskazówek nie tylko na temat historii Ziemi, ale także daje nam wgląd w tajemnice innych planet i określa, które z nich mogą być przyjazne dla życia.

Ponad 60 lat poszukiwań

Od końca lat 60. ubiegłego wieku statki kosmiczne przelatujące nad ziemskimi biegunami wykrywały strumień cząstek wypływających z naszej atmosfery w przestrzeń kosmiczną. Naukowcy nazwali ten efekt wiatrem polarnym i zaczęli badać jego przyczyny.

Uczeni co prawda oczekiwali pewnego wypływu z naszej atmosfery. Intensywne, niefiltrowane światło słoneczne powinno spowodować ucieczkę niektórych cząstek w przestrzeń kosmiczną, niczym para wodna parująca z garnka z wodą. Jednak zaobserwowany wiatr polarny był bardziej tajemniczy. Wiele cząstek w nim zawartych było zimnych, a mimo to poruszały się z dużymi prędkościami.

– Coś musiało wypychać te cząstki z atmosfery – powiedział Glyn Collinson, główny badacz misji Endurance w Centrum Lotów Kosmicznych im. Roberta H. Goddarda NASA, główny autor publikacji.

Wtedy naukowcy wysunęli hipotezę, że może tutaj działać jeszcze nieodkryte pole elektryczne. Badacze zakładali, że to hipotetyczne pole, generowane w skali subatomowej, będzie niewiarygodnie słabe. Przez dziesięciolecia wykrycie go wykraczało poza granice istniejącej technologii. W 2016 roku Collinson i jego zespół zabrali się do pracy nad wynalezieniem nowego instrumentu, który ich zdaniem nadawał się do pomiaru pola ambipolarnego Ziemi.

– Wcześniej nie byliśmy w stanie tego zmierzyć, ponieważ nie mieliśmy technologii. Zbudowaliśmy więc rakietę Endurance, aby szukać tej wielkiej, niewidzialnej siły – wspomniał Collinson.

Misja Endurance

Koncepcja badaczy zakładała suborbitalny lot rakiety wystrzelonej z Arktyki. Dlaczego z Arktyki? Tylko lot z tego miejsce daje pewność przelecenia przez wiatr polarny. Dlatego uczeni zamierzali skorzystać z poligonu na Svalbard. To norweski archipelag położony stosunkowo blisko bieguna północnego.

– Svalbard to jedyny poligon rakietowy na świecie, z którego można wlecieć w wiatr polarny i wykonać potrzebne nam pomiary — powiedziała Suzie Imber z University of Leicester w Wielkiej Brytanii, współautorka publikacji.

Misja zyskała nazwę od statku Ernesta Shackletona, którym popłyną w słynną podróż na Antarktydę w 1914 roku. Misja miała na celu przemierzenie Antarktydy drogą lądową. Statek zatonął w 1915 roku, zanim zdołał dotrzeć do celu.

11 maja 2022 roku rakieta Endurance wystartowała z Svalbardu i osiągnęła wysokość 768 kilometrów. Po 19 minutach spadła do Morza Grenlandzkiego. Podczas lotu Endurance zmierzył zmianę potencjału elektrycznego wynoszącą zaledwie 0,55 wolta.

– Pół wolta to prawie nic. To mniej więcej tyle, co bateria zegarka, ale to dokładnie tyle, ile potrzeba, aby wyjaśnić wiatr polarny – powiedział Collinson.

Pole ambipolarne

Koncepcja zaproponowana w 60 lat temu zakładała, że na wysokości około 250 kilometrów, w warstwie atmosfery zwanej jonosferą, ekstremalne promieniowanie słoneczne jonizuje atomy atmosferyczne, powodując rozpadanie się ich na ujemnie naładowane elektrony i dodatnio naładowane jony. Lżejsze elektrony próbują odlecieć w przestrzeń kosmiczną, podczas gdy cięższe jony próbują opaść w kierunku ziemi. Ich przeciwstawne ładunki elektryczne powodują powstanie pola elektrycznego.

Z danych zebranych w misji Endurance wynika, że jony wodoru, najliczniejszy rodzaj cząstek w wietrze polarnym, doświadczają siły skierowanej na zewnątrz z tego pola 10,6 razy większej niż grawitacja. – To więcej niż potrzeba, aby przeciwstawić się grawitacji. Wystarczy, aby wystrzelić je w przestrzeń kosmiczną z prędkością naddźwiękową – powiedział Alex Glocer z Centrum Lotów Kosmicznych im. Roberta H. Goddard, zaangażowany w projekt Endurance i współautor artykułu.

Cięższe cząsteczki również otrzymują wzmocnienie. Jony tlenu na tej samej wysokości, zanurzone w polu o napięciu pół wolta, ważą połowę mniej. Zespół odkrył, że pole ambipolarne zwiększa tzw. „wysokość skali” jonosfery o 271 proc., co oznacza, że ​​jonosfera pozostaje gęstsza na większych wysokościach, niż byłaby bez niego. – To jak taśma produkcyjna, unosząca atmosferę w przestrzeń kosmiczną – dodał Collinson.

Nazywa się to polem ambipolarnym, ponieważ działa w obu kierunkach, przy czym jony zapewniają przyciąganie w dół, a elektrony w górę. W rezultacie atmosfera jest nadmuchana, a zwiększona wysokość pozwala niektórym jonom uciec w przestrzeń kosmiczną, co widzimy w wietrze polarnym.

Nie znamy szerszych implikacji pola ambipolarnego. Jak długo występuje, co dokładnie robi i jak pomogło ukształtować ewolucję naszej planety i jej atmosfery, a być może nawet życie na jej powierzchni.

Odkrycie Endurance otworzyło wiele nowych ścieżek eksploracji. Pole ambipolarne, jako podstawowe pole energetyczne naszej planety obok grawitacji i magnetyzmu, mogło nieustannie kształtować ewolucję naszej atmosfery w sposób, który teraz możemy zacząć badać. Ponieważ powstaje w wyniku wewnętrznej dynamiki atmosfery, podobne pola elektryczne prawdopodobnie będą występować na innych planetach, w tym na Wenus i Marsie.

– Każda planeta z atmosferą powinna mieć pole ambipolarne. Teraz, gdy w końcu je zmierzyliśmy, możemy zacząć uczyć się, jak ukształtowało ono naszą planetę, a także inne planety na przestrzeni czasu – zaznaczył Collinson.

Źródło: NASA's Goddard Space Flight Center, Science Alert, fot. NASA

Udostępnij:

lub:

Podobne artykuły

Tropikalne burze generują zaskakującą ilość i różnorodność promieniowania gamma

Raport na temat stanu zdrowia planety. Niszczymy procesy wspierające życie na Ziemi

Życie w Atlantyku rozwija się dzięki pyłowi z Sahary

Wyróżnione artykuły

Popularne artykuły