Met behulp van waarnemingen van een NASA suborbitale raket heeft een internationaal team van wetenschappers voor het eerst met succes een elektrisch veld op de hele planeet gemeten waarvan gedacht wordt dat het net zo fundamenteel is voor de aarde als de zwaartekracht en de magnetische velden. Het staat bekend als het ambipolaire elektrische veld. Wetenschappers veronderstelden meer dan 60 jaar geleden voor het eerst dat dit veld bepaalt hoe de atmosfeer van onze planeet kan ontsnappen boven de noord- en zuidpool van de aarde.
Metingen van de raket, NASA's Endurance-missie, hebben het bestaan van het ambipolaire veld bevestigd en de sterkte ervan gekwantificeerd, waardoor duidelijk is geworden welke rol het speelt bij het ontsnappen uit de atmosfeer en bij de vorming van onze ionosfeer - een laag in de bovenste atmosfeer - in het algemeen. Inzicht in de complexe bewegingen en evolutie van de atmosfeer van onze planeet geeft niet alleen aanwijzingen voor de geschiedenis van de aarde, maar geeft ons ook inzicht in de mysteries van andere planeten en het bepalen welke planeten geschikt zijn voor leven. Het artikel is woensdag 28 augustus 2024 gepubliceerd in het tijdschrift Nature.
Een elektrisch veld trekt deeltjes de ruimte in
Sinds het eind van de jaren zestig hebben ruimtevaartuigen die over de polen van de aarde vliegen een stroom deeltjes waargenomen die vanuit onze atmosfeer de ruimte in stromen. Theoretici voorspelden deze uitstroom, die ze de “poolwind” noemden en die aanzette tot onderzoek om de oorzaken ervan te begrijpen. Het was te verwachten dat er iets uit onze atmosfeer zou stromen. Intens, ongefilterd zonlicht zou ervoor moeten zorgen dat sommige deeltjes uit onze lucht de ruimte in ontsnappen, zoals stoom die uit een pot water verdampt. Maar de waargenomen poolwind was mysterieuzer. Veel deeltjes waren koud, zonder tekenen dat ze verhit waren - en toch reisden ze met supersonische snelheden.
“Er moest iets zijn dat deze deeltjes uit de atmosfeer trok,” zei Glyn Collinson, hoofdonderzoeker van Endurance bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, en hoofdauteur van het artikel. Wetenschappers vermoedden dat een nog niet ontdekt elektrisch veld aan het werk was. Er werd verwacht dat het veronderstelde elektrische veld, dat op subatomaire schaal wordt opgewekt, ongelooflijk zwak zou zijn en dat de effecten slechts over honderden kilometers merkbaar zouden zijn. Decennialang lag de detectie ervan buiten de grenzen van de bestaande technologie. In 2016 gingen Collinson en zijn team aan de slag met het uitvinden van een nieuw instrument waarvan ze dachten dat het geschikt was om het ambipolaire veld van de aarde te meten.
Een raket lanceren vanaf de Noordpool
De instrumenten en ideeën van het team waren het meest geschikt voor een suborbitale raketvlucht gelanceerd vanaf de Noordpool. Met een knipoog naar het schip dat Ernest Shackleton vervoerde op zijn beroemde reis naar Antarctica in 1914, noemde het team hun missie Endurance. De wetenschappers zetten koers naar Svalbard, een Noorse archipel op slechts een paar honderd mijl van de Noordpool en de thuisbasis van de meest noordelijke raketbasis ter wereld. “Svalbard is de enige raketbasis ter wereld waar je door de poolwind kunt vliegen en de metingen kunt doen die wij nodig hadden,” zei Suzie Imber, een ruimtefysicus aan de Universiteit van Leicester in het Verenigd Koninkrijk en co-auteur van het artikel.
Op 11 mei 2022 lanceerde de Endurance, bereikte een hoogte van 768,03 kilometer en plonsde 19 minuten later neer in de Groenlandse Zee. In het 322 mijl lange hoogtebereik waar het gegevens verzamelde, mat Endurance een verandering in elektrische potentiaal van slechts 0,55 volt. “Een halve volt is bijna niets - het is ongeveer net zo sterk als een horlogebatterij,” zei Collinson. “Maar dat is precies de juiste hoeveelheid om de poolwind te verklaren.”
Waterstofionen, het meest voorkomende type deeltje in de poolwind, ondervinden een buitenwaartse kracht van dit veld die 10,6 keer sterker is dan de zwaartekracht. “Dat is meer dan genoeg om de zwaartekracht tegen te gaan - het is zelfs genoeg om ze met supersonische snelheden de ruimte in te lanceren”, zegt Alex Glocer, projectwetenschapper van het Endurance-project bij NASA Goddard en co-auteur van het artikel. Zwaardere deeltjes krijgen ook een boost. Zuurstofionen op dezelfde hoogte, ondergedompeld in dit veld van een halve volt, wegen de helft minder. In het algemeen ontdekte het team dat het ambipolaire veld de zogenaamde “schaalhoogte” van de ionosfeer met 271% verhoogt, wat betekent dat de ionosfeer dichter blijft tot grotere hoogten dan zonder het veld. “Het is als een lopende band die de atmosfeer de ruimte in tilt,” voegde Collinson eraan toe.
De ontdekking van Endurance heeft veel nieuwe wegen geopend voor verkenning. Het ambipolaire veld, een fundamenteel energieveld van onze planeet naast zwaartekracht en magnetisme, kan de evolutie van onze atmosfeer voortdurend hebben gevormd op manieren die we nu kunnen gaan onderzoeken. Omdat het wordt gecreëerd door de interne dynamiek van een atmosfeer, wordt verwacht dat er soortgelijke elektrische velden bestaan op andere planeten, waaronder Venus en Mars. “Elke planeet met een atmosfeer zou een ambipolair veld moeten hebben,” zei Collinson. “Nu we het eindelijk hebben gemeten, kunnen we beginnen te leren hoe het onze planeet en andere planeten in de loop der tijd heeft gevormd.”
Hoe het ambipolaire veld werkt
Wetenschappers hadden een theorie dat dit elektrische veld zou moeten beginnen op ongeveer 250 kilometer hoogte, waar atomen in onze atmosfeer uiteenvallen in negatief geladen elektronen en positief geladen ionen. Elektronen zijn ongelooflijk licht - het kleinste beetje energie kan ze de ruimte in sturen. Ionen zijn minstens 1.836 keer zwaarder en hebben de neiging om naar de grond te zinken. Als alleen de zwaartekracht een rol zou spelen, zouden de twee populaties, eenmaal gescheiden, na verloop van tijd uit elkaar drijven. Maar door hun tegengestelde elektrische ladingen vormt zich een elektrisch veld dat ze aan elkaar bindt, waardoor de ladingen niet van elkaar scheiden en sommige effecten van de zwaartekracht worden tegengegaan. Dit elektrische veld is bidirectioneel, of “ambipolair”, omdat het in beide richtingen werkt. Ionen trekken de elektronen met zich mee naar beneden als ze zinken door de zwaartekracht. Tegelijkertijd tillen elektronen ionen naar grotere hoogten als ze proberen te ontsnappen naar de ruimte, als een klein hondje dat aan de lijn van zijn trage baasje trekt. Het netto-effect van het ambipolaire veld is dat de hoogte van de atmosfeer wordt vergroot, waardoor sommige ionen hoog genoeg worden opgetild om met de poolwind te ontsnappen.
Bron: NASA
