Ученые наконец раскрыли 60-летнюю загадку об атмосфере Земли

Открытие может помочь понять, что делает жизнь на планете возможной.

Десятки лет назад ученые сделали удивительное открытие о том, что атмосфера Земли «протекает», однако примерно 60 лет причина этого явления оставалась загадкой. Но сейчас исследователи таки ее раскрыли, пишет The Washington Post.

С конца 1960-х годов спутники над полюсами обнаружили чрезвычайно быстрый поток частиц, вылетающих в космос – со скоростью 20 километров в секунду. Ученые подозревали, что гравитация и магнитное поле сами по себе не могут полностью объяснить этот поток. Должен быть еще один источник, который создает этот «дырявый кран».

Оказывается, эта таинственная сила – это ранее неизвестное глобальное электрическое поле, как показало недавнее исследование. Это поле имеет силу только часовой батарейки, но его достаточно, чтобы выталкивать более легкие ионы из нашей атмосферы в космос.

Этот недавно открытый аспект нашей планеты дает подсказки об эволюции атмосферы, возможно, объясняя, почему Земля пригодна для жизни. Ученый-ракетчик NASA и ведущий автор исследования Глин Коллинсон говорит, что электрическое поле является «агентом хаоса». Оно отменяет гравитацию, и без него наша планета была бы совсем другой.

Недавно открытое электрическое поле является столь же фундаментальным для Земли, как и гравитация, говорят авторы. Но обнаружить его было нелегко.

«По данным NASA, наше Солнце может нагревать и заряжать энергией некоторые частицы настолько, что они вылетают в космос. Но космические аппараты, которые наблюдали поток частиц на полюсах – так называемый полярный ветер – показали, что многие ионы движутся чрезвычайно быстро, но они холодные», – пишет издание.

С математической точки зрения, ученые уже давно предполагают, что небольшое электрическое поле может обеспечить достаточно энергии для выведения водорода из нашей атмосферы. Но оно, вероятно, генерировалось бы на субатомном уровне и было бы невероятно слабым. Кроме того, его нужно было бы обнаружить за сотни километров.

«Считалось, что его просто невозможно измерить. Оно настолько слабое», – сказал Коллинсон.

Фактически, Коллинсону и его коллегам пришлось изобрести инструмент, фотоэлектронный спектрометр, чтобы измерить слабое поле. Путешествуя на лодке 17 часов, команда отправилась к месту под названием Шпицберген и запустила небольшую ракету, названную «Выносливость», в честь известного антарктического судна 1910-х годов, чтобы совершить короткий полет в космос и собрать данные в реальном времени с помощью нового инструмента.

Спектрометр ракеты зафиксировал небольшое изменение в 0,55 вольта на высоте 477 миль (767 км). Полвольта звучит мало, но это может запустить в космос легкий атом. Для атома водорода восходящее притяжение этого электрического поля в 10,6 раз сильнее, чем гравитация, которая тянет его вниз, сказал Алекс Глоцер – физик NASA и соавтор исследования.

Более тяжелые частицы также поднимаются, но этой силы недостаточно, чтобы полностью отправить их в космос. Глоцер говорит, что более тяжелые атомы кислорода нуждаются в гораздо большем толчке – около 10 электрон-вольт энергии – чтобы подняться в космос. Но это электрическое поле «заправляет насос» и поднимает атомы кислорода выше в атмосфере, где другие процессы могут завершить катапультирование их в космос.

«Больше всего удивляет то, насколько малым является поле, и в то же время оно способно управлять этими глобальными процессами», – сказал Дерек Шеффер, профессор физики плазмы в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, который не участвовал в исследовании.

Космический физик Филипп Эскубе, который также не участвовал в исследовании, сказал, что «это фантастические результаты», которые демонстрируют значительный прогресс в современных технологиях измерения таких малых электрических полей с высоким разрешением.

«Отличается от любого электрического поля»

Земля имеет много электрических полей, но недавно открытое «отличается от любого электрического поля, с которым вы сталкивались в повседневной жизни», сказал Коллинсон.

Оно называется амбиполярным и начинается примерно на высоте 150 миль над нами, пояснил он. Солнце светит на атом и отрывает электрон, разделяя отрицательный электрон и положительный ион, хотя они все еще притягиваются друг к другу.

Электроны легкие и с радостью убежали бы в космос сами по себе, но гравитация сильнее тянет более тяжелый положительный ион, сказал Коллинсон. Электрон пытается оторваться, но между ними образуется электрическая сила, которая препятствует разрыву – как собака, тянущая за поводок. Это электрическое поле тянет в обоих направлениях, или является амбиполярным, пояснили в NASA.

Коллинсон сказал, что «все эти крошечные, крошечные, крошечные, крошечные электрические поводки» добавляют к этому полвольтовому потенциалу на заднем плане. Суммарный эффект электрического поля поднимает ионы вверх, чтобы вылететь в космос в составе солнечного ветра.

Куда летят частицы?

Когда частицы поднимаются из нашей атмосферы, некоторые из них отправляются в космос в один конец. Другие находят путь обратно.

Модели показывают, что наше магнитное поле может улавливать эти частицы и толкать их обратно к Земле, говорит Эскубе. Например, частицы могут высыпаться дождем в виде танцующего северного сияния.

«Некоторые частицы возвращаются обратно, но мы не знаем точно, в каком соотношении они возвращаются. Это сложнее измерить», – пояснил Эскубе.

В других случаях они могут оставаться в защитном пузыре Земли, который называется магнитосферой, где они могут влиять на штормы, поступающие от Солнца, сказал он. Дополнительные ионы водорода, например, могут буферизировать влияние солнечной бури, взаимодействующей с Землей. Это было бы хорошей новостью для наших энергетических систем на поверхности, которые могут пострадать от притока солнечных частиц, но это также может уменьшить количество наблюдений полярных сияний.

«Точное знание того, как выглядит это поле, важно для правильного моделирования этих процессов на компьютерах, что, в свою очередь, является одним из ключевых способов прогнозирования космической погоды», – сказал Шеффер.

Если будет потеряно слишком много частиц, это может повлиять на Землю другими способами, как это наблюдается на других планетах. 90 тонн материала, ежедневно вылетающего из верхних слоев атмосферы Земли в космос, – это немного, но со временем это количество может увеличиваться, говорит Эскубе.

Например, некогда цветущий Марс сейчас имеет разреженную атмосферу и не поддерживает жизнь, насколько нам известно. Ожидается, что любая планета или спутник с атмосферой имеет такое амбиполярное электрическое поле, которое может дать подсказки относительно эволюции планеты.

Возможно, Земле не грозит потеря атмосферы при нашей жизни, но Коллинсон говорит, что это открытие может помочь нам понять, что делает жизнь на нашей планете возможной.