Misteriosul câmp electric care înconjoară Pământul: Existența lui a fost demonstrată pentru prima dată
Cercetătorii NASA, într-un studiu publicat în revista Nature, au descoperit existența unui câmp electric planetar slab care învăluie Pământul între altitudinile de 250 și 768 km de la suprafața Terrei.
Prin urmare, planeta noastră nu este înzestrată doar cu un câmp gravitațional și un câmp magnetic, ci și cu un al treilea câmp electric care joacă un rol fundamental în dinamica și evoluția planetei.
Câmpul electric al Pământului este numit câmp „ambipolar” deoarece generează mișcarea în direcții opuse atât a electronilor, cât și a ionilor pozitivi. Acesta joacă un rol esențial în mecanismele prin care particulele încărcate ies din atmosferă la polii nord și sud și, de asemenea, modifică forma atmosferei terestre, în special prin creșterea înălțimii acesteia.
Teoretizat încă din anii 1960, acest câmp electric a fost întotdeauna dificil de detectat și numai datorită unei misiuni specifice a NASA, misiunea Endurance, a fost în sfârșit măsurat: gândiți-vă că potențialul său electric este de numai 0,5 volți, cât cel al unei baterii de ceas obișnuite, dar suficient pentru a depăși forța gravitațională și a genera un flux de particule încărcate care scapă din atmosfera Pământului.
Cum a fost teoretizată existența acestui câmp electric
Oamenii de știință au bănuit că există un câmp electric planetar încă de la primele misiuni spațiale din anii 1960. De fapt, unii sateliți lansați în acea perioadă, atunci când survolau regiunile polare ale planetei noastre, au măsurat un flux de particule încărcate care se deplasează din atmosfera noastră în spațiul cosmic, denumit „vânt polar”.
Acest flux a fost măsurat în special la altitudini mari, în ionosferă, regiunea în care sunt prezente gaze ionizate (atomi sau molecule cărora li s-au eliminat electronii) de radiațiile solare.
Oamenii de știință au emis inițial ipoteza unui mecanism prin care radiațiile solare încălzeau particulele, furnizându-le suficientă energie pentru a învinge atracția gravitațională și a scăpa din atmosfera terestră, dar și-au dat seama că acesta nu era procesul corect, deoarece particulele erau rapide, dar reci, adică cu puțină energie termică, astfel încât trebuia să existe un alt mecanism care să le împingă la vitezele necesare pentru a se dispersa în spațiu.
S-a luat în considerare atunci existența unui fel de câmp electric planetar, dar instrumentele de la acea vreme nu erau suficient de sensibile pentru a-l măsura.
Cum a fost măsurat câmpul electric al Pământului
Și aici intervine misiunea Endurance, de la NASA. Concepută în 2016, misiunea a constat în lansarea unui zbor suborbital în apropierea Polului Nord, pentru a analiza cu instrumente specifice acest vânt polar de particule.
Racheta a decolat în data de 11 mai 2022 de la cea mai nordică bază de lansare spațială a planetei din Insulele Svalbard, atingând o altitudine maximă de 768 de kilometri și urmând o traiectorie suborbitală de 518 kilometri în cele 19 minute ale misiunii.
În timpul zborului, instrumentele de bord au reușit în sfârșit să demonstreze existența câmpului electric terestru prin măsurarea unei diferențe de potențial de numai 0,55 volți, practic tensiunea unei baterii de ceas, între altitudinile de 250 și 768 km deasupra suprafeței terestre.
Deși mică, această valoare era exact ceea ce era necesar pentru a explica scoaterea particulelor din atmosferă.
Cum funcționează câmpul electric ambipolar
Câmpul electric slab al Pământului începe în jurul altitudinii de 250 km, la baza ionosferei terestre, unde radiațiile solare îndepărtează electronii de la atomii care alcătuiesc gazele atmosferice, generând un amestec de electroni încărcați negativ și ioni încărcați pozitiv.
Electronii și ionii au mase foarte diferite, electronii fiind atât de ușori încât o mică împingere (energie) este suficientă pentru a-i face să scape de atracția gravitațională a Pământului.
Dimpotrivă, dacă luăm în considerare ionul de hidrogen, format dintr-un singur proton, acesta este de 1836 de ori mai greu decât un electron, astfel încât câmpul gravitațional al Pământului, atrăgând obiectele mai grele cu o forță mai mare, tinde să facă ionii să cadă spre sol, creând o separare între ioni și electroni. Cu toate acestea, ca particule cu sarcină opusă, această separare generează un câmp electric care contrabalansează parțial efectul gravitației.
Acest câmp electric este „ambipolar” sau bidirecțional, adică generează mișcarea în direcții opuse atât a electronilor, cât și a ionilor pozitivi.
Ionii tind să tragă electronii cu ei în timp ce se scufundă în atmosferă datorită forței gravitaționale, în timp ce, invers, electronii atrag ionii ridicându-i la înălțimi mai mari în atmosferă, în încercarea lor de a ajunge în spațiu.
Efectul acestui câmp magnetic „ambipolar” este de a extinde înălțimea ionosferei cu până la 271%, ridicând anumiți ioni (în principal hidrogen și oxigen) suficient de sus pentru a ajunge în spațiu prin vântul polar. Ionii de hidrogen, de exemplu, se confruntă cu o forță exterioară care este de aproximativ 11 ori mai puternică decât gravitația terestră, suficient pentru a-i lansa în spațiu la viteze supersonice.