Naukowcy wreszcie zmierzyli pole elektryczne Ziemi. To przez nie cząsteczki atmosfery uciekają w kosmos

W tym artykule:

1. Co to jest wiatr polarny
2. A może nad Ziemią istnieje pole elektryczne?
3. Uciekający wodór

Misja Endurance odbyła się w maju 2022 roku. Suborbitalna rakieta skonstruowana przez naukowców NASA osiągnęła wysokość 768 km nad powierzchnią Ziemi. Po 19 minutach lotu spadła do Morza Grenlandzkiego. Jednak nawet ten krótki czas wystarczył, by potwierdzić istnienie na dużej wysokości nad planetą wyjątkowo słabego pola elektrycznego.

Instrumenty wykryły zmianę potencjału elektrycznego wynoszącą zaledwie 0,55 wolta. To bardzo mało, a jeden z badaczy stwierdził, że wykryte pole jest równie słabe jak bateria zegarka. Jednak nawet takie słabe pole rozwiązuje zagadkę, nad którą naukowcy głowili się od kilkudziesięciu lat. Wyjaśnia mianowicie, dlaczego nad biegunami Ziemi istnieje tzw. wiatr polarny (ang. polar wind).

Co to jest wiatr polarny

Określenie „wiatr polarny” powstało pod koniec lat 60. poprzedniego wieku. Ian Axford, nowozelandzki naukowiec i wieloletni szef Max Planck Institute for Aeronomy, zaproponował, by nazwać tak stały strumień jonów uciekający w kosmos z rejonów nad południowym i północnym biegunem Ziemi. Nazwa miała wskazywać na podobieństwo tego zjawiska do wiatru słonecznego, czyli strumieni plazmy wypływających ze Słońca.

Z Ziemi uciekają jonu wodoru, helu i tlenu. Cząsteczki tych pierwiastków zostają zjonizowane w górnych warstwach atmosfery właśnie przez wiatr słoneczny. Jonizowanie to proces, podczas którego zmienia się liczba elektronów obojętnej elektrycznie cząsteczki albo atomu. Atom np. zderza się z cząstką o wysokiej energii i przekształca się w dodatnio naładowany jon. Pojawiają się przy tym również elektrony swobodne.

Istnienie „wiatru polarnego” potwierdzały pomiary z lat 60., kiedy wykryto stały strumień cząstek uciekający z atmosfery ziemskiej w rejonach nad biegunami. Naukowcy nie byli jednak pewni, co powoduje to zjawisko. Uciekające cząstki miały niskie temperatury, a mimo to poruszały się z prędkościami naddźwiękowymi. Coś musiało wypychać je w kosmos. Tylko co?

A może nad Ziemią istnieje pole elektryczne?

Hipoteza z lat 60. zakładała, że do powstania wiatru polarnego na Ziemi przyczynia się bardzo słabe, globalne pole elektryczne. Miałoby zaczynać się ok. 250 km nad powierzchnią, gdzie atomy jonizują się, rozpadając się na ujemnie naładowane elektrony i jony naładowane dodatnio. Elektrony są ultralekkie i łatwo mogłyby ulecieć w kosmos. Jony są od nich przynajmniej 1836 razy cięższe, przez co znacznie silniej działa na nie grawitacja.

Gdyby tylko ona sterowała ich ruchem, jony opadłyby na Ziemię, a elektrony uciekły w kosmos. Tak się jednak nie dzieje. To efekt działania ich przeciwnych ładunków elektrycznych. Dzięki nim powstaje pole elektryczne, które NASA określiło jako dwukierunkowe (albo „ambipolarne”). Jony przyciągają elektrony i ciągną je w dół. Jednocześnie elektrony, wznosząc się, ciągną za sobą jony w górę. Efekt netto powoduje rozciągnięcie się atmosfery na dużych wysokościach. Część jonów zostaje wyciągnięta zaś tak wysoko, że ucieka w kosmos.

Uciekający wodór

Wiatr polarny składa się przede wszystkim z jonów wodoru. Siła, jaką wywiera na nie pole elektryczne, jest 10,6 razy większa od grawitacji. – To więcej niż dość, by jej przeciwdziałać. W rzeczywistości to dość, by wyrzucić jony w przestrzeń kosmiczną z prędkością naddźwiękową – mówi Alex Glocer, naukowiec misji Endurance i jeden z autorów pracy przedstawiającej jej wyniki na łamach „Nature”.

Wznoszą się także cięższe cząstki. W wykrytym polu elektrycznym jony tlenu ważą o połowę mniej. To umożliwia im osiągnięcie wyższych wysokości. Łącznie zaś na skutek istnienia słabego pola elektrycznego jonosfera – czyli warstwa atmosfery zaczynająca się 50–60 km nad powierzchnią – staje się gęstsza na dużych wysokościach niż byłaby, gdyby to pole nie istniało.

Naukowcy podkreślają, że wykryte przez nich pole elektryczne jest jednym z fundamentalnych pól kuli ziemskiej, tak samo jak pole magnetyczne i grawitacyjne. Bez niego ewolucja atmosfery przebiegałaby zupełnie inaczej. Ponieważ zaś jest ściśle związane z istnieniem atmosfery, można podejrzewać, że występuje na wszystkich globach mających atmosferę, choćby rzadką – czyli również np. na Marsie czy na Wenus.

Źródło: NASA, Nature, Wikipedia

Nasz ekspert

Magdalena Salik

Dziennikarka naukowa i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Pasjami czyta i pisze, miłośniczka literatury popularnonaukowej i komputerowych gier RPG. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com