Приголомшливе відкриття NASA: як вчені знайшли електричне поле навколо Землі та яка там напруга

Наприкінці серпня науковці NASA здійснили приголомшливе відкриття. Що цікаво – воно стосується Землі, а не віддалених зірок та планет. Космічна агенція через 60 років пошуків нарешті виявила електричне поле Землі.

Невидиму силу, яку шукали понад пів століття після того, як висунули першу гіпотезу, нарешті знайшли. Поле отримало назву "полярний вітер", за його допомогою можна пояснити нюанси функціонування земної атмосфери. Вчені кажуть, що це відкриття так само важливо для нашої планети, як гравітація та магнітне поле.

24 Канал зібрав основні факти про нове відкриття.

Що таке електричне поле Землі

Дослідження вчених NASA опубліковане у журналі Nature. У ньому мовиться про виявлення слабкого планетарного електричного поля на висотах від 250 до 768 кілометрів від поверхні Землі. Отже, наша планета має не лише гравітаційне та магнітне поля, а й третє поле – електричне. Електричне поле Землі створює рух у протилежні напрямки як електронів, так і позитивних іонів. Цей рух відіграє ключову роль у механізмах виходу заряджених частинок з атмосфери на Північному та Південному полюсах, а також змінює форму самої земної атмосфери, зокрема, за рахунок збільшення її висоти.

Теоретично існування поля вивели ще у 1960-их роках, а відкрили лише завдяки місії Endurance NASA. Напруга поля становить лише близько 0,55 вольта, що можна порівняти з батарейкою у годиннику. Але цього достатньо для подолання сили гравітації та створення потоку заряджених частинок, які вилітають із земної атмосфери.

Як виникла теорія електричного поля

Підозра, що над Землею є електричне поле, виникла у вчених у 1960-х роках – після запуску перших космічних місій. Супутники, запущені в ті роки, під час прольоту над полярними регіонами виміряли потік заряджених частинок, який рухався з атмосфери до космосу. Його й назвали "полярним вітром".

Ілюстративне зображення електричного поля Землі / Візуалізація NASA

Першою гіпотезою було твердження про те, що сонячне випромінювання нагріває частинки, чим забезпечує енергію для подолання гравітаційного тяжіння та виходу з атмосфери Землі – подібно до пари, що випаровується з каструлі з водою. Однак ця гіпотеза виявилася хибною – заряджені частинки є холодними. Тож вченим довелося шукати іншу гіпотезу "полярного вітру". Найімовірнішим кандидатом було планетарне електричне поле, однак інструменти того часу були недостатньо чутливими, щоб виміряти його.

Це поле є дуже фундаментальним для розуміння того, як працює наша планета – воно було тут із самого початку разом із гравітацією та магнетизмом. Попри те, що воно слабке, воно неймовірно важливе – протидіє гравітації та практично підіймає небо,
– каже Глін Коллінсон, дослідник з Центру космічних польотів Годдарда NASA в Мериленді.

Як вчені знайшли електричне поле

Робота з пошуку електричного поля Землі стартувала у 2016 році. Тоді Коллінсон з колегами почали працювати над розробкою датчиків для ракети-зонда Endurance. У травні 2022 року суборбітальна ракета з вісьмома спеціалізованими інструментами злетіла з ракетного полігону Шпіцберген (Свальбард у Норвегії), лише за кілька сотень кілометрів від Північного полюса. Це місце старту – ідеальне з точки зору вивчення "полярного вітру".

Шпіцберген – єдиний ракетний полігон у світі, де можна пролетіти крізь полярний вітер і зробити потрібні нам вимірювання,
– мовиться у заяві співавторки дослідження Сьюзі Імбер, космічної фізикині з Університету Лестера у Великобританії.

Під час 20-хвилинного польоту Endurance досяг висоти близько 768 кілометрів і зібрав дані з 518-кілометрової ділянки атмосфери. Саме так вчені й зафіксували напругу у 0,55 вольта в атмосфері.

Місію Endurance фінансувало NASA, співучасник проєкту – компанія Andøya Space, якій належить стартовий майданчик на Шпіцбергені. Також у програмі використали Свальбардський радар Європейської наукової асоціації некогерентного розсіювання (EISCAT), розташований у Лонг'їрі, який виконав критично важливі наземні вимірювання іоносфери.

У команді місії Endurance: вчені з філії Католицького університету Америки, Авіаційного університету Ембрі-Ріддла, Каліфорнійського університету в Берклі, Університету Колорадо в Боулдері, Університету Лестера, Великобританія, Університету Нью-Гемпшира та Університету штату Пенсільванія.

Старт Endurance зі Шпіцбергену / Фото NASA

За оцінками вчених, поле починається приблизно на 250 кілометрах над поверхнею, де атоми в атмосфері поділяються на негативно заряджені електрони та позитивно заряджені іони, які більш ніж у 1 800 разів важчі за електрони. Відповідно до заяви NASA, враховуючи протилежні електричні заряди частинок, утворюється електричне поле, яке зв'язує їх разом, протидіючи безперервному тяжінню гравітації та дозволяючи деяким частинкам полетіти у космос.

Тяжіння поля у 10,6 раза сильніше за гравітацію Землі. Цього достатньо, щоб деякі частинки полетіли у космос на надзвуковій швидкості, каже Алекс Глосер, співавтор дослідження та науковий співробітник місії Endurance у центрі Годдарда.

Цікаво! Електрони та іони помітно відрізняються за масою – електрони настільки легкі, що достатньо невеликого імпульсу енергії, щоб змусити їх покинути сферу тяжіння Землі. Іон водню, утворений з одного протона, у 1836 разів важчий за електрон, тому гравітаційне поле Землі притягує його. Так виникає розділення між іонами та електронами. Як протилежно заряджені частинки, вони утворюють електричне поле.

Це електричне поле є двонапрямним, тобто воно змушує електрони та позитивні іони рухатися в протилежних напрямках. Ефект цього – збільшення висоти іоносфери на 271%. Тобто деякі іони (переважно водню та кисню) злітають на таку висоту, де вже не можуть втриматися у тяжінні Землі.

На думку вчених, явище полярного вітру може існувати й на інших планетах – зокрема, Марсі та Венері. Більш детальне вивчення планетарного електричного поля може допомогти з'ясувати його вплив на еволюцію атмосфери та океанів, вважає Глін Коллінсон.