Forskere har for første gang klart å måle det ambipolare feltet – et globalt elektrisk felt som befinner seg i F2-laget i ionosfæren

I en artikkel i Science Alert kan vi lese om den nylige utførte målingen av det elektriske ambipolare feltet som befinner seg i F2-laget i ionosfæren.

F2-laget i ionosfæren er nettopp av stor interesse for radioamatører og andre som ønsker å benytte seg av, eller unngå, radiobølgerefleksjonen som foregår her. F2-laget er som kjent vesentlig for langdistanse kommunikasjon på HF og lavere VHF, og hvor graden av refleksjon er sterkt påvirket av den 11-årige solflekksyklusen. Nå er det påvist, og målt, et elektrisk felt som befinner seg i denne delen av ionosfæren. Hvilke implikasjoner dette feltet eventuelt måtte ha for radiobølgerefleksjon er så langt ikke avdekket, men at det spiller en rolle kan nok kanskje antas.

Det ambipolare feltet er et elektrisk felt som først ble antatt å eksistere for mer enn 60 år siden. «Enhver planet med en atmosfære bør ha et ambipolart felt» sier astronom Glyn Collinson fra NASAs Goddard Space Flight Center. «Nå som vi endelig har målt feltet, kan vi begynne å lære hvordan det over tid har formet planeten vår, så vel som andre planeter.

Jorden er ikke bare en «død steinklump» i verdensrommet. Den er omgitt av flere felt, f.eks. gravitasjonsfeltet. Vi vet ikke så mye om tyngdekraften, spesielt med tanke på hvor allestedsnærværende den er, men uten tyngdekraften ville vi ikke hatt en planet. Tyngdekraften bidrar også til å holde atmosfæren tett mot overflaten. Det finnes også et magnetfelt, som genereres av det roterende, ledende materialet (jern) i jordens indre, som konverterer bevegelsesenergi til magnetfeltet som beveger seg ut i verdensrommet. Dette feltet beskytter planeten vår mot effekten av solvinden og strålingen, og bidrar også til å forhindre at atmosfæren blåser bort.

I 1968 beskrev forskere et fenomen som vi ikke kunne ha lagt merke til før romalderen. Romfartøy som fløy over jordens poler oppdaget en supersonisk vind av partikler fra jordens atmosfære. Den beste forklaringen på dette var et tredje, elektrisk, energifelt.

«Det kalles det ambipolare feltet, og det er en agent for kaos. Det motvirker tyngdekraften, og det sender partikler ut i rommet» forklarer Collinson i en video.

«Men vi har aldri vært i stand til å måle dette før nå, fordi vi ikke har hatt teknologien. Så vi bygde Endurance-satellitten, nettopp for å lete etter dette usynlige kraftfeltet.»

Det ambipolare feltet fungere slik: Fra en høyde på rundt 250 kilometer, i ionosfæren, ioniserer ultrafiolett solstråling atmosfæriske atomer, bryter løs negativt ladede elektroner og gjør atomet til et positivt ladet ion. De lettere elektronene vil forsøke å fly ut i verdensrommet, mens de tyngre ionene synker mot bakken. Men plasmamiljøet denne prosessen foregår i, vil forsøke å opprettholde ladningsnøytralitet, noe som resulterer i et elektrisk felt mellom elektronene og ionene.

Dette kalles det ambipolare feltet fordi det fungerer i begge retninger, med ionene som har et nedadgående drag og elektronene som har et oppadgående.

Resultatet er at atmosfæren blir «oppblåst» og den økte høyden atmosfæren får av denne prosessen gjør at noen ioner slipper fri fra tyngdekraften og strømmer ut i verdensrommet. Det er dette vi observerer i polarvinden.

Dette ambipolare feltet er svært svakt, og det er derfor Collinson og teamet hans måtte designe spesiell instrumentering for å oppdage det. Endurance-oppdraget ble lansert i mai 2022, og nådde en høyde på 768 kilometer før det falt tilbake til jorden med sine dyrebare data. Og det lyktes. Det ble målt en endring i elektrisk potensial på 0,55 volt – ikke mye, men det var alt som skulle til for å forklare observasjonene vi gjør, og har gjort. «En halv volt er nesten ingenting – det er bare omtrent like sterkt som et klokkebatteri» sier Collinson. «Men det er akkurat passe mye til å forklare polarvinden.»

Denne mengden energi er nok til å trekke på hydrogenioner med 10,6 ganger tyngdekraften, og sende dem ut i verdensrommet med de supersoniske hastighetene som er målt over jordens poler.
Oksygenioner, som er tyngre enn hydrogenioner, blir også løftet høyere, og øker tettheten til den øvre delen av ionosfæren med 271 prosent, sammenlignet med hva tettheten ville vært uten det ambipolare feltet.

Det som er enda mer spennende er at dette bare er det første trinnet. Vi vet ikke hvilke større implikasjoner det ambipolare feltet har, hvor lenge det faktisk har eksistert, hva det i praksis medfører, og hvordan det har bidratt til å forme utviklingen av planeten vår og dens atmosfære.

«Dette feltet er en grunnleggende del av måten jorden fungerer på» sier Collinson. «Og nå har vi endelig målt det, og vi kan faktisk nå begynne å stille noen av disse store spennende spørsmålene dette åpner opp for.»

Forskningen er publisert i Nature.