Odkryto globalne pole elektryczne Ziemi. Szukano go od 60 lat

Ziemia wytwarza pole grawitacyjne - to fakt, którego nie będzie podważał chyba nikt. Nawet jeśli ktoś nie do końca wie jak to wyjasnić, to spadanie ciał na Ziemię jest dowodem niezaprzeczalnym, że grawitacja Ziemi działa i w jej pobliżu jest istotna. Podobnie nie wątpimy w istnienie pola magnetycznego, choć to kwestia, którą interesuje się już mniej osób.

W przypadku pola magnetycznego mechanizmem je generującym jest według naszej wiedzy dynamo hydromagnetyczne, ruch płynnego żelaza w jądrze Ziemi, który skutkuje powstaniem prądów, a przepływ tych z kolei staje się źródłem pola magnetycznego. O polu magnetycznym słyszymy przy każdej okazji, gdy mowa o zorzach polarnych. Ziemskie pole magnetyczne nie jest tak silne jak to, które wytwarzamy na przykład w urządzeniach medycznych, ale występuje w dużej skali i chroni nas przed wiatrem słonecznym.

A co z polem elektrycznym? Jego istnienie wydaje się również czymś oczywistym, ale dotychczas, gdy padało pytanie, skąd ono się bierze, nie byliśmy w stanie udzielić odpowiedzi. Teraz dzięki rakiecie Endurance wystrzelonej w lot suborbitalny wiosną 2022 r. poznaliśmy jego źródło i naturę - jest to pole ambipolarne. Teoretycy przewidywali istnienie pola elektrycznego Ziemi od początku epoki lotów kosmicznych, czyli około 60 lat.

Hipoteza pola ambipolarnego, czyli dwukierunkowego (jego działanie ma dążyć do zachowania neutralności ładunku z plazmie), pojawiła się ponad 60 lat temu, gdy pierwsze misje orbitalne zarejestrowały wypływ naładowanych cząstek z atmosfery w przestrzeń kosmiczną. Ten wypływ nazwano wiatrem polarnym, ale nie należy go mylić z układem cyklonalnym wiatrów zwanym wirem polarnym.

Problem w detekcji źródła wiatru polarnego polegał na zbyt małej precyzji urządzeń pomiarowych. Już od samego początku teoretycy przypuszczali, że będzie to bardzo słabe pole, które da się zarejestrować na niewielkiej przestrzeni rzędu setek kilometrów. Od razu wykluczono hipotezę związaną ze Słońcem, którego promieniowanie w przypadku cząstek w atmosferze mogłoby prowadzić do efektu podobnego do parowania. Wiatr polarny składał się bowiem z cząstek, które poruszały się z prędkościami naddźwiękowymi, ale nic nie wskazywało, że te prędkości nadała energia słoneczna.

Dopiero w 2016 r. pojawiły się możliwości techniczne dla skonstruowania detektora zdolnego wychwycić różnice w potencjale elektrycznym powiązane z wiatrem polarnym. I tak się stało w maju 2022 r., gdy rakieta Endurance w trakcie trwającego mniej niż pół godziny lotu na wysokości 770 km ponad Morzem Grenlandzkim (region pomiędzy Grenlandią, Islandią i Spitsbergenem) zebrała potrzebne dane.

Impulsem do przeprowadzenia misji detekcji pola elektrycznego Ziemi były dane dostarczone przez sondę ESA, Venus Express, które wskazywały na istnienie pola elektrycznego o potencjale 10 V otaczającego naszą sąsiadkę Wenus.

Wskazywały one na potencjał elektryczny jedynie 0,55 V. Pół wolta to prawie tyle co nic, to mniej więcej tyle co w baterii zegarkowej - tak odkrycie komentuje Glyn Collinson z centrum Goddarda NASA, dodając - to jednak wystarczy, by wyjaśnić funkcjonowanie wiatru polarnego.

Glyn Collinson dokonuje inspekcji instrumentu, który posłuży do wykrycia potencjału elektrycznego powiązanego z polem elektrycznym Ziemi. W trakcie lotu rozkładał się on, wysuwając osiem wysięgników z czujnikami. (fot: NASA Wallops/Brian Bonsteel)

I tak kolejna zagadka związana z Ziemią została wyjaśniona, ale w praktyce to dopiero początek badań jej ambipolarnego pola elektrycznego. Każda planeta z atmosferą powinna mieć pole ambipolarne - twierdzi Collison - ponieważ wreszcie udało się nam je zmierzyć, możemy zacząć poznawać lepiej sposób w jaki ukształtowało ono naszą planetę, tak jak i inne, na przestrzeni czasu.

Efektem działania ambipolarnego pola elektrycznego Ziemi jest prawie trzykrotne rozszerzenie zasięgu ziemskiej jonosfery w przestrzeni kosmicznej w porównaniu do sytuacji, gdyby takie pole nie występowało. Collison krótko opisuje charakter tego pola - jest jak taśmociąg, który wynosi atmosferę do góry w przestrzeń kosmiczną.

Wspomniane pole elektryczne powstaje wysoko ponad Ziemią, co najmniej 250 km, gdy atomy i cząstki tworzące atmosferę pod wpływem promieniowania słonecznego rozpadają się tworząc plazmę z ujemnie naładowanych elektronów i dodatnie naładowanych jonów. Stąd tez nazwa jonosfera, dla tej warstwy atmosfery ziemskiej. Elektrony jako znacznie lżejsze mają tendencję do ucieczki w przestrzeń kosmiczną, podczas gdy jony opadają z w stronę Ziemi. I tu zaczyna rolę odgrywać pole elektryczne, które tworzą odseparowane jony i elektrony. Jony, które toną w atmosferze pod wpływem grawitacji hamują wypływ elektronów, a uciekające z atmosfery elektrony podnoszą jony w górę - stąd określenie pole ambipolarne. W efekcie następuje wspomniane rozszerzenie jonosfery, a część jonów (głównie jony wodoru) uniesiona zostaje na tyle wysoko, by uciec z atmosfery z wiatrem polarnym.

Dokładniejsze poznanie własności pola elektrycznego Ziemi będzie w przyszłości zdaniem naukowców bardzo pomocne dla lepszego poznania ewolucji Ziemi, ale też Wenus i Marsa. W przypadku Wenus to właśnie pole elektryczne mogło być jednym z czynników, który sprawił, że dziś powierzchnia tej planety tak diametralnie różni się od Ziemi.

Źródło: NASA Goddard