Международная группа исследователей, используя данные с суборбитальной ракеты NASA, впервые успешно измерила электрическое поле всей планеты, известное как амбиполярное электрическое поле. Это поле, как полагают, имеет для Земли такое же фундаментальное значение, как её гравитационное и магнитное поля.

Амбиполярное электрическое поле было впервые предложено более 60 лет назад как фактор, управляющий тем, как атмосфера нашей планеты может выходить из-под Северного и Южного полюсов Земли. Измерения с ракеты, миссии NASA Endurance, подтвердили существование амбиполярного поля и количественно определили его силу, раскрыв его роль в управлении атмосферным вытеканием и формировании нашей ионосферы.
«Что-то должно было вытягивать эти частицы из атмосферы», — сказал Глин Коллинсон, главный исследователь Endurance в Центре космических полетов имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, и ведущий автор статьи. Ученые подозревали, что здесь может быть задействовано еще не обнаруженное электрическое поле.

Географический Северный полюс, видимый с ракеты Endurance на высоте 768 километров над Арктикой. Красные и зелёные полосы в верхней части изображения — артефакты бликов объектива. Источник: NASA

Предполагаемое электрическое поле, генерируемое в субатомном масштабе, должно было быть невероятно слабым, а его воздействие ощущалось лишь на расстоянии сотен километров. Десятилетиями его обнаружение выходило за рамки существующих технологий. В 2016 году Глин Коллинсон, главный исследователь Endurance в Центре космических полётов имени Годдарда и ведущий автор работы и его команда приступили к созданию нового прибора, который, по их мнению, подходил для измерения амбиполярного поля Земли.

«Шпицберген — единственный в мире ракетный полигон, где можно пролететь сквозь полярный ветер и провести необходимые нам измерения», — сказала Сьюзи Имбер, космический физик из Университета Лестера (Великобритания) и соавтор статьи.

11 мая 2022 года ракета Endurance стартовала и достигла высоты 768,03 км, приводнившись 19 минут спустя в Гренландском море. В диапазоне высот, где она собирала данные, Endurance измерила изменение электрического потенциала всего на 0,55 вольт.

«Полвольта — это почти ничто, это примерно столько же, сколько батарейка для часов. Но это как раз то количество, которое нужно, чтобы объяснить полярный ветер», — сказал Коллинсон.

Ионы водорода, наиболее распространённый тип частиц в полярном ветре, испытывают направленную наружу силу этого поля, в 10,6 раз превышающую силу гравитации.

Более тяжёлые частицы также получают импульс. Ионы кислорода на той же высоте, погруженные в это поле в полвольта, весят вдвое меньше. В целом, команда обнаружила, что амбиполярное поле увеличивает то, что известно как «масштабная высота» ионосферы на 271%, то есть ионосфера остаётся более плотной на больших высотах, чем она была бы без него.

Открытие Endurance открыло много новых путей для исследования. Амбиполярное поле, как фундаментальное энергетическое поле нашей планеты наряду с гравитацией и магнетизмом, могло непрерывно формировать эволюцию атмосферы Земли способами, которые теперь учёные могут начать исследовать. Поскольку оно создаётся внутренней динамикой атмосферы, ожидается, что подобные поля существуют на других планетах, включая Венеру и Марс.

«Любая планета с атмосферой должна иметь амбиполярное поле. Теперь, когда мы наконец измерили его, мы можем начать изучать, как оно формировалось вокруг нашей планеты, а также у других планет с течением времени», — сказал Коллинсон.