NASAOstatnia misja odsłoniła dwubiegunowe pole elektryczne Ziemi, kluczowe dla zrozumienia dynamiki atmosfery i badania innych nadających się do zamieszkania światów.
- Zespół rakietowy donosi o pierwszym udanym wykryciu ambipolarnego pola elektrycznego Ziemi: słabego pola elektrycznego obejmującego całą planetę, równie podstawowego jak ziemska grawitacja i pola magnetyczne.
- Postawiono hipotezę ponad 60 lat temu, że dwubiegunowe pole elektryczne jest kluczowym czynnikiem powodującym „wiatr polarny”, czyli stały wypływ naładowanych cząstek w przestrzeń kosmiczną nad biegunami Ziemi.
- To pole elektryczne unosi naładowane cząstki w górnych warstwach atmosfery na większe wysokości, niż osiągnęłyby one w innym przypadku, i mogło ukształtować ewolucję naszej planety w sposób, który dopiero zostanie zbadany.
Wykorzystując obserwacje z rakiety suborbitalnej NASA, międzynarodowy zespół naukowców po raz pierwszy pomyślnie zmierzył pole elektryczne obejmujące całą planetę, uważane za tak samo fundamentalne dla Ziemi, jak jej pola grawitacyjne i magnetyczne. Znane jako ambipolarne pole elektryczne, naukowcy po raz pierwszy postawili ponad 60 lat temu hipotezę, że wpływa ono na ucieczkę atmosfery naszej planety ponad bieguny północny i południowy Ziemi. Pomiary z rakiety, Misja Endurance NASApotwierdzili istnienie pola dwubiegunowego i określili ilościowo jego siłę, ujawniając jego rolę w napędzaniu ucieczki atmosfery i kształtowaniu naszej jonosfery – warstwy górnych warstw atmosfery – szerzej.
Zrozumienie złożonych ruchów i ewolucji atmosfery naszej planety dostarcza wskazówek nie tylko do historii Ziemi, ale także daje nam wgląd w tajemnice innych planet i określenie, które z nich mogą być gościnne dla życia. Artykuł ukazał się 28 sierpnia 2024 roku w czasopiśmie Natura.
Pole elektryczne wyciągające cząstki w przestrzeń kosmiczną
Od końca lat sześćdziesiątych XX wieku statki kosmiczne przelatujące nad biegunami Ziemi wykrywały strumień cząstek wypływający z naszej atmosfery w przestrzeń kosmiczną. Teoretycy przewidzieli ten wypływ, który nazwali „wiatrem polarnym”, co skłoniło badania do zrozumienia jego przyczyn.
Spodziewano się pewnej ilości wypływu z naszej atmosfery. Intensywne, niefiltrowane światło słoneczne powinno spowodować ucieczkę niektórych cząstek z naszego powietrza w przestrzeń kosmiczną, na przykład parę parującą z garnka z wodą. Jednak zaobserwowany wiatr polarny był bardziej tajemniczy. Wiele cząstek w nim było zimnych i nie było oznak, że zostały podgrzane, a mimo to poruszały się z prędkościami ponaddźwiękowymi.
„Coś musiało wyciągać te cząstki z atmosfery” – powiedział Glyn Collinson, główny badacz Endurance w Centrum Lotów Kosmicznych Goddard NASA w Greenbelt w stanie Maryland i główny autor artykułu. Naukowcy podejrzewali, że w grę może wchodzić nieodkryte jeszcze pole elektryczne.
Oczekiwano, że hipotetyczne pole elektryczne generowane w skali subatomowej będzie niewiarygodnie słabe, a jego skutki będą odczuwalne jedynie w promieniu setek mil. Przez dziesięciolecia wykrywanie tego zjawiska wykraczało poza możliwości istniejącej technologii. W 2016 roku Collinson i jego zespół zaczęli pracować nad wynalezieniem nowego instrumentu, który ich zdaniem byłby w stanie sprostać zadaniu pomiaru pola ambipolarnego Ziemi.
Jak działa pole ambipolarne
Naukowcy wysunęli teorię, że to pole elektryczne powinno zaczynać się na wysokości około 250 kilometrów (250 kilometrów), gdzie atomy naszej atmosfery rozpadają się na ujemnie naładowane elektrony i dodatnio naładowane jony.
Elektrony są niezwykle lekkie – najmniejszy impuls energii może wystrzelić je w przestrzeń kosmiczną. Jony są co najmniej 1836 razy cięższe i mają tendencję do opadania w kierunku ziemi. Gdyby w grę wchodziła wyłącznie grawitacja, rozdzielone dwie populacje z czasem oddaliłyby się od siebie.
Jednak biorąc pod uwagę ich przeciwne ładunki elektryczne, tworzy się pole elektryczne, które wiąże je ze sobą, uniemożliwiając rozdzielenie ładunków i przeciwdziałając niektórym skutkom grawitacji.
Ta animacja zaczyna się od zbliżenia jonosfery, przedstawionej jako niebieski łuk nad wolno obracającą się Ziemią (bez skali). Następnie widok zostaje powiększony i ukazuje azot (N2), który stanowi większość atmosfery. Patrząc w górę, widok ukazuje następnie tlen atomowy, lżejszy pierwiastek zamieszkujący górne partie jonosfery.
Kiedy fotony Słońca zderzają się z tymi gazami, elektrony mogą zostać wytrącone. Gdy atomy i cząsteczki tracą elektrony, stają się naładowane dodatnio, tworząc jony. Proces ten nazywany jest jonizacją.
Po tlenie atom zostaje zjonizowany, widok zmienia się i ukazuje zbiór zjonizowanych gazów, tzw osocze. Kiedy jest równa liczba elektronów i jonów, plazma jako całość nie jest naładowana ani dodatnio, ani ujemnie, ale jest neutralna. Jednakże przyciąganie magnetyczne pomiędzy poszczególnymi cząsteczkami spaja je razem za pomocą pola elektrycznego, podobnie jak klej. Pole to znane jest jako ambipolarne pole elektryczne.
Źródło: NASA/Laboratorium obrazu koncepcyjnego
To pole elektryczne jest dwukierunkowe lub „ambipolarne”, ponieważ działa w obu kierunkach. Jony ściągają ze sobą elektrony, gdy opadają one pod wpływem grawitacji. Jednocześnie elektrony unoszą jony na większą wysokość, próbując uciec w przestrzeń kosmiczną, niczym mały piesek szarpiący na smyczy swojego ospałego właściciela.
Efektem netto pola ambipolarnego jest zwiększenie wysokości atmosfery, unosząc część jonów na tyle wysoko, aby uciec z wiatrem polarnym.
Ta animacja pokazuje dwa główne skutki ambipolarnego pola elektrycznego: nadmuchanie jonosfery i generowanie wiatru polarnego.
Błyszcząca niebieska mgła otaczająca Ziemię reprezentuje plazmę w jonosferze. Na początku animacji jonosfera jest gęsta i znajduje się blisko Ziemi, ale kiedy do plazmy przyłożone jest dwubiegunowe pole elektryczne, jonosfera nadmuchuje się, czyniąc ją wyższą. Dzieje się tak, ponieważ przyciąganie wzbudzonych elektronów, które są połączone z ciężkimi jonami, nieznacznie pokonuje siłę grawitacji, tworząc siłę nośną w górę.
Jony wodoru są jednak tak lekkie, że siła pola skierowana ku górze jest dziesięciokrotnie większa od siły grawitacji skierowanej w dół. To przyspiesza jony wodoru w górę do prędkości naddźwiękowych, wystarczających, aby jony mogły uciec w przestrzeń kosmiczną nad biegunami magnetycznymi Ziemi. Ten wypływ jonów wodorowych znany jest jako wiatr polarny i pokazany na animacji jako błyszczące białe światła przemieszczające się w górę niebieskich linii pola magnetycznego i poza kadr.
Źródło: NASA/Laboratorium obrazu koncepcyjnego
Wystrzelenie rakiety z Arktyki
Instrumenty i pomysły zespołu najlepiej nadawały się do suborbitalnego lotu rakietą wystrzeloną z Arktyki. W ukłonie w stronę statku, który przewoził Ernesta Shackletona podczas jego słynnej podróży na Antarktydę w 1914 roku, zespół nazwał swoją misję Endurance. Naukowcy wybrali kurs na Svalbard, norweski archipelag położony zaledwie kilkaset mil od bieguna północnego i będący domem dla najbardziej na północ wysuniętego poligonu rakietowego na świecie.
„Svalbard to jedyna poligon rakietowy na świecie, na którym można przelecieć przez wiatr polarny i dokonać potrzebnych pomiarów” – powiedziała Suzie Imber, fizyk kosmiczny na Uniwersytecie w Leicester w Wielkiej Brytanii i współautorka artykułu.
11 maja 2022 r. Endurance wystartował i osiągnął wysokość 768,03 km, a 19 minut później rozbił się w Morzu Grenlandzkim. Na wysokości 522 mil, na której zebrano dane, Endurance zmierzył zmianę potencjału elektrycznego o zaledwie 0,55 wolta.
„Pół wolta to prawie nic – ma tylko tyle mocy, co bateria zegarka” – powiedział Collinson. „Ale to odpowiednia ilość, aby wyjaśnić wiatr polarny”.
Jony wodoru, najpowszechniej występujący rodzaj cząstek wiatru polarnego, podlegają działaniu zewnętrznej siły tego pola 10,6 razy silniejszej niż grawitacja. „To więcej niż wystarczy, aby przeciwstawić się grawitacji — w rzeczywistości wystarczy, aby wystrzelić je w górę w przestrzeń kosmiczną z prędkością ponaddźwiękową” – powiedział Alex Glocer, naukowiec projektu Endurance w NASA Goddard i współautor artykułu.
Cięższe cząstki również uzyskują wzmocnienie. Jony tlenu znajdujące się na tej samej wysokości i zanurzone w półwoltowym polu ważą o połowę mniej. Ogólnie rzecz biorąc, zespół odkrył, że pole dwubiegunowe zwiększa tak zwaną „wysokość skali” jonosfery o 271%, co oznacza, że jonosfera pozostaje gęstsza do większych wysokości, niż byłaby bez niej.
„To jest jak przenośnik taśmowy unoszący atmosferę w przestrzeń kosmiczną” – dodał Collinson.
Odkrycie Endurance otworzyło wiele nowych ścieżek eksploracji. Pole ambipolarne, jako podstawowe pole energetyczne naszej planety, obok grawitacji i magnetyzmu, mogło w sposób ciągły kształtować ewolucję naszej atmosfery w sposób, który możemy teraz zacząć badać. Ponieważ jest ono tworzone przez wewnętrzną dynamikę atmosfery, oczekuje się, że podobne pola elektryczne będą istnieć na innych planetach, w tym na naszej planecie Wenus I Mars.
„Każda planeta posiadająca atmosferę powinna mieć pole dwubiegunowe” – powiedział Collinson. „Teraz, kiedy w końcu go zmierzyliśmy, możemy zacząć uczyć się, jak z biegiem czasu kształtował on naszą planetę i inne planety”.
Odniesienie: „Dwupolarne pole elektrostatyczne Ziemi i jego rola w ucieczce jonów w przestrzeń kosmiczną”: Glyn A. Collinson, Alex Glocer, Robert Pfaff, Aroh Barjatya, Rachel Conway, Aaron Breneman, James Clemmons, Francis Eparvier, Robert Michell, David Mitchell, Suzie Imber, Hassanali Akbari, Lance Davis, Andrew Kavanagh, Ellen Robertson, Diana Swanson, Shaosui Xu, Jacob Miller, Timothy Cameron, Dennis Chornay, Paulo Uribe, Long Nguyen, Robert Clayton, Nathan Graves, Shantanab Debchoudhury, Henry Valentine, Ahmed Ghalib i Zespół Misji Endurance, 28 sierpnia 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07480-3
Endurance to misja finansowana przez NASA, prowadzona w ramach programu Sounding Rocket w ośrodku NASA Wallops Flight Facility w Wirginii. Zasięg rakiet Svalbard jest własnością Andøya Space i jest przez nią zarządzany. Radar Svalbard Europejskiego Stowarzyszenia Naukowego ds. Rozproszenia Niespójnego (EISCAT) znajdujący się w Longyearbyen wykonał naziemne pomiary jonosfery, które mają kluczowe znaczenie dla interpretacji danych rakietowych. Radar EISCAT na potrzeby misji Endurance został sfinansowany przez Radę ds. Badań nad Środowiskiem Naturalnym Wielkiej Brytanii (NERC) i Norweską Radę ds. Badań Naukowych (RCN). EISCAT jest własnością i jest zarządzany przez instytuty badawcze i rady badawcze Norwegii, Szwecji, Finlandii, Japonii, Chin i Wielkiej Brytanii (Stowarzyszeni EISCAT). Zespół misji Endurance składa się z oddziałów firmy Katolicki Uniwersytet Ameryki, Uniwersytet Lotniczy Embry-Riddle, Uniwersytet Kalifornijski w BerkeleyUniwersytet Kolorado w Boulder, Uniwersytet w Leicester w Wielkiej Brytanii, Uniwersytet New Hampshire i Uniwersytet Stanowy Penn.
