После более чем полувека спекуляций ученые НАСА наконец обнаружили и измерили неуловимый «полярный ветер» Земли, невидимое электрическое поле, ответственное за быстрый выход атмосферных частиц с полюсов планеты. Это открытие, ставшее возможным благодаря международной миссии зондирующей ракеты Endurance, дает важные сведения о динамике верхней атмосферы Земли и ее эволюции с течением времени.
Тайна полярного ветра
В конце 1960-х годов космический аппарат, пролетающий над полюсами Земли, обнаружил поток частиц, вырывающихся в космос со сверхзвуковой скоростью. Хотя ученые понимали, что солнечный свет может вызывать утечку атмосферных частиц в космос, эти частицы не проявляли никаких признаков нагревания, что говорит о том, что здесь действует другая сила.
«Что-то должно было вытягивать эти частицы из атмосферы», — объяснил Глин Коллинсон, главный исследователь Endurance в Центре космических полетов имени Годдарда в Мэриленде. Гипотетическая сила представляла собой невидимое слабое электрическое поле, но его обнаружение выходило за рамки технологических возможностей того времени.
Миссия Endurance спешит на помощь
В 2016 году Коллинсон и его команда начали разрабатывать специализированные датчики для миссии Endurance, которая включала запуск зондирующих ракет с ракетного полигона Шпицберген в Норвегии, недалеко от Северного полюса. «Шпицберген — единственный ракетный полигон в мире, где можно пролететь сквозь полярный ветер и провести необходимые нам измерения», — сказала соавтор исследования Сьюзи Имбер, космический физик из Университета Лестера в Великобритании.
Во время своего 20-минутного полета в мае 2022 года ракета Endurance достигла высоты 477 миль (768 километров), собирая данные по обширной полосе атмосферы. Датчики зафиксировали едва заметное изменение электрического поля на 0,55 вольта, на первый взгляд незначительное колебание, но достаточное, чтобы объяснить полярный ветер.
Как действует полярный ветер
Электрическое поле формируется на высоте примерно 150 миль (250 километров), где атмосферные атомы разделяются на заряженные частицы: электроны и ионы. Поле действует как привязь, противодействуя гравитации и позволяя некоторым частицам вырваться в космос.
«Это поле имеет основополагающее значение для понимания того, как работает наша планета — оно было здесь с самого начала наряду с гравитацией и магнетизмом», — подчеркнул Коллинсон в видео НАСА. «Несмотря на свою слабость, оно невероятно важно — оно противодействует гравитации и, по сути, поднимает небеса».
Исследователи обнаружили, что ионы водорода, в изобилии присутствующие в полярном ветре, испытывают направленную наружу силу в 10,6 раз сильнее гравитации, которая выталкивает их в космос со сверхзвуковой скоростью. Даже более тяжелые ионы кислорода получают значительный импульс от полярного ветра. «Это как конвейерная лента, поднимающая атмосферу в космос», — сказал Коллинсон.
Последствия и будущие исследования
Открытие полярного ветра имеет значение для понимания атмосферного выхода на других планетах, включая Венеру и Марс. Дальнейшие исследования могут раскрыть его роль в эволюции атмосферы Земли и его влияние на наши океаны.
«Это поле является фундаментальной частью того, как функционирует Земля, и теперь, когда мы наконец измерили его, мы можем начать задавать некоторые из этих более масштабных и захватывающих вопросов», — сказал Коллинсон.
Результаты миссии Endurance были опубликованы в журнале Nature 28 августа 2024 года.
