Заряженная планета: к чему приведет открытие у Земли электрического поля

Ученые впервые обнаружили и измерили всепланетное электрическое поле Земли. Подтвердилась высказанная более 60 лет назад гипотеза, что именно оно провоцирует утечку атмосферы в космос в полярных широтах. Влияние этого поля на планету, атмосферу и околоземное пространство еще предстоит всесторонне изучить. Научная статья об открытии опубликована в журнале Nature.

Жизнь под открытым космосом

Атмосфера Земли переходит в космос плавно и незаметно. Полет признается космическим начиная с высоты 100 км. При этом уже первые 30 км содержат 99% массы всего воздуха, но небольшое количество газа сохраняется и на высотах в многие сотни километров. Выше 60 км начинается верхняя часть атмосферы — ионосфера. Здесь ультрафиолетовые и рентгеновские лучи Солнца срывают со многих атомов электроны, превращая их в ионы. Получается мешанина из ионов, электронов и нейтральных атомов — ионосферная плазма.

Ионосферы не достигают ни самолеты, ни даже беспилотные аэростаты — для последних рекорд высоты составляет 54 км. Казалось бы, какое нам дело до происходящего так высоко? Но не все так просто. Море разреженной плазмы — это громадное зеркало, отражающее длинные радиоволны. Даже сигнал от сравнительно слабого передатчика может обогнуть Землю, многократно отражаясь от ионосферы. Это используется в радиосвязи, в том числе и военной. Кроме того, текущие в ионосфере токи вносят вклад в магнитное поле Земли, в том числе и во время магнитных бурь. Влияние этих бурь на здоровье людей — спорный вопрос, но технические системы могут от них пострадать. Во время очень сильной магнитной бури 1989 года в Квебеке 6 млн человек остались без электричества. Есть еще много причин изучать ионосферу. И не последняя из них — бескорыстное желание знать о родной планете как можно больше.

Ускоритель над головой

Еще в конце 1960-х спутники обнаружили над полюсами Земли потоки ионов, устремляющихся из атмосферы в космос. Казалось бы, в этом нет ничего странного. Чего-чего, а ионов в ионосфере хватает. На высоте 100-300 км температура ионосферы измеряется сотнями и тысячами градусов.  В таком горячем газе немалая доля частиц имеет очень высокую скорость. Почему бы самым быстрым из них не преодолевать земную гравитацию? Понятно и то, почему это происходит именно над полюсами: здесь линии геомагнитного поля уходят «в Землю» и не мешают движению ионов.

Однако более тонкие измерения убедили геофизиков, что тут что-то не так. Ионы покидали атмосферу со сверхзвуковой скоростью, но свойства потока никак не говорили о том, что дело в температуре газа. Частицы разгонялись каким-то другим механизмом. Но каким?

Простейший из таких механизмов — электрическое поле. Он повсеместно используется в технике, от Большого адронного коллайдера до старых кинескопов. В ионосфере тоже хватает электрических полей. Каждый электрон, так и ион создает вокруг себя микроскопическое электрическое поле. Но электроны заряжены отрицательно, а ионы положительно. Поскольку тех и других поровну, на первый взгляд их поля должны компенсировать друг друга. Другими словами, ионосфера (а значит, и планета) не должна иметь глобального электрического поля.

Но тут в игру вступает гравитация. Ионы тяжелее электронов в тысячи и десятки тысяч раз. Если выделить в ионосфере горизонтальный слой, в нижней части этого слоя будет чуть больше ионов, а в верхней — электронов. Разница в концентрации частиц невелика, но достаточна, чтобы создать электрическое поле — слабое, но очень протяженное. Это поле притягивает ионы к электронам и мешает им опускаться слишком низко. Некоторые ионы даже оказываются так высоко, что улетучиваются в космос.

По расчетам специалистов, перепад высоты с 200 до 780 км обеспечивает разность потенциалов всего лишь около 0,4 вольта. Казалось бы, это почти ничто: меньше трети рабочего напряжения пальчиковой батарейки. Но этого вполне достаточно, чтобы разгонять часть ионов до сверхзвуковой скорости. К тому же эффект разделения зарядов действует во всей ионосфере, поэтому и поле должно быть глобальным, всепланетным. Нелишне вспомнить, что и магнитное поле Земли в тысячи раз слабее, чем у бытовой магнитной «подковы». Но глобальность и протяженность делают геомагнитное поле силой планетарного масштаба.  

Вверх за истиной

До совсем недавнего времени убедиться в существовании всепланетного электрического поля не удавалось. Не было приборов, способных выделить слабое глобальное поле в бурлящей мешанине ионосферы.

Наконец, 11 мая 2022 года с архипелага Шпицберген была запущена суборбитальная ракета NASA под названием Endurance («Выносливость»). Старт состоялся с самой северной площадки для запуска ракет в мире, чтобы приборы исследовали ту самую область ионосферы, где ионы каким-то образом утекают в космос. Ракета поднялась до 768 км, что почти в два раза выше МКС. Измерения электрического поля начались на взлете на высоте 248 км и продолжились вплоть до разрушения ракеты при снижении в 71 км над Землей. Они длились всего 13 минут, но сотни пройденных километров и чувствительность приборов подарили геофизикам уникальную информацию.

Измерения зафиксировали, что глобальное электрическое поле реально. Разность потенциалов примерно соответствует прогнозам: 0,55±0,09 вольт между высотами 250 и 768 км. По расчетам авторов статьи, это электрическое поле сильно «раздувает» верхние слои атмосферы. Без него концентрация частиц падала бы с ростом высоты в несколько раз быстрее. Не исключено, что глобальное электрическое поле оказывает на атмосферу Земли и другие эффекты, которые только предстоит изучить.

Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора