Po dziesięcioleciach odkryto kolejne, po grawitacyjnym i magnetycznym, pole otaczające Ziemię

Po dziesięcioleciach udało się odkryć ambipolarne (dwukierunkowe) pole elektryczne Ziemi. To słabe pole elektryczne naszej planety, które jest tak podstawową jej cechą jak grawitacja czy pola magnetyczne. Hipoteza o istnieniu takiego pola pojawiła się ponad 60 lat temu i od tamtego czasu poszukiwano tego pola. Jest ono kluczowym mechanizmem napędzającym „wiatr polarny”, czyli ucieczkę naładowanych cząstek z ziemskiej atmosfery w przestrzeń kosmiczną. Ma ona miejsce nad ziemskimi biegunami.

„Wiatr polarny” został odkryty w latach 60. XX wieku. Od samego początku naukowcy uważali, że jego siłą napędową jest nieznane pole elektryczne. Uważano, że jest ono generowane w skali subatomowej i jest niezwykle słabe. Przez kolejnych kilkadziesiąt lat ludzkość nie dysponowała narzędziami, które mogły zarejestrować takie pole.

W 2016 roku Glyn Collinson i jego zespół z Goddars Space Flight Center zaczęli pracować nad instrumentami zdolnymi do zmierzenia ambipolarnego pola elektrycznego. Stworzone przez nich urządzenia oraz metoda pomiaru zakładały przeprowadzenie badań za pomocą rakiety suborbitalnej wystrzelonej z Arktyki. Badacze nazwali swoją misję Endurance, na cześć statku, którym Ernest Shackleton popłynął w 1914 roku na swoją słynną wyprawę na Antarktykę. Rakietę postanowiono wystrzelić ze Svalbardu, gdzie znajduje się najbardziej na północ wysunięty kosmodrom. Svalbard to jedyny kosmodrom na świecie, z którego można wystartować, by przelecieć przez wiatr polarny i dokonać koniecznych pomiarów, mówi współautorka badań, Suzie Imber z University of Leicester.

Misja Endurance została wystrzelona 11 maja 2022 roku. Rakieta osiągnęła wysokość 768,03 km i 19 minut później spadła do Morza Grenlandzkiego. Urządzenia pokładowe zbierały dane przez 518 kilometrów nabierania wysokości i zanotowały w tej przestrzeni zmianę potencjału elektrycznego o 0,55 wolta. Pół wolta to tyle co nic, to napięcie baterii w zegarku. Ale to dokładnie tyle, ile trzeba do napędzenia wiatru polarnego, wyjaśnia Collinson.

Generowane pole elektryczne oddziałuje na jony wodoru, które dominują w wietrze polarnym, z siłą 10,6-krotnie większą niż grawitacja. To więcej niż trzeba, by pokonać grawitację. To wystarczająco dużo, by wystrzelić jony z prędkością naddźwiękową prosto w przestrzeń kosmiczną, dodaje Alex Glocer z NASA. Pole napędza też cięższe pierwiastki, jak jony tlenu. Z badań wynika, że dzięki obecności tego pola elektrycznego jonosfera jest na dużej wysokości o 271% bardziej gęsta, niż byłaby bez niego. Mamy tutaj rodzaj taśmociągu, podnoszącego atmosferę do góry, dodaje Collinson.

Pole to nazwano ambipolarnym (dwukierunkowym), gdyż działa w obie strony. Opadające pod wpływem grawitacji jony ciągną elektrony w dół, a w tym samym czasie elektrony – próbując uciec w przestrzeń kosmiczną – ciągną jony w górę. Wskutek tego wysokość atmosfery zwiększa się, a część jonów trafia na wystarczającą wysokość, by uciec w przestrzen kosmiczną w postaci wiatru polarnego.

Odkrycie ambipolarnego pola elektrycznego otwiera przed nauką nowe pola badawcze. Jest ono bowiem, obok grawitacji i pola magnetycznego, podstawowym polem energetycznym otaczającym naszą planetę, wciąż wpływa na ewolucję naszej atmosfery w sposób, który dopiero teraz możemy badać. Co więcej, każda planeta posiadająca atmosferę powinna mieć też ambipolarne pole elektryczne. Można więc będzie go szukać i badać na Marsie czy Wenus.

pole magnetyczne pole grawitacyjne Ziemia ambipolarne pole elektryczne