Um foguete da NASA finalmente encontrou o campo elétrico global da Terra

Cientistas descobriram que a Terra tem um terceiro campo. Todos nós sabemos sobre o campo magnético da Terra. E todos nós sabemos sobre o campo gravitacional da Terra, embora normalmente o chamemos apenas de gravidade.

Agora, uma equipe de cientistas internacionais descobriu o campo elétrico global da Terra.

É chamado de campo elétrico ambipolar, e é um campo elétrico fraco que envolve o planeta. É responsável pela vento polarque foi detectado pela primeira vez décadas atrás. O vento polar é um fluxo de plasma das regiões polares da magnetosfera da Terra. Cientistas levantaram a hipótese da existência do campo ambipolar décadas atrás, e agora eles finalmente têm provas.

A descoberta está em um novo artigo na Nature intitulado “Campo eletrostático ambipolar da Terra e seu papel na fuga de íons para o espaço.O autor principal é Glyn Collinson, da Divisão de Ciência Heliofísica do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA.

A Era Espacial ganhou força na década de 1960, quando os EUA e a URSS lançaram mais e mais satélites. Quando as naves espaciais passaram sobre os polos da Terra, elas detectaram um fluxo de partículas da atmosfera da Terra para o espaço. Os cientistas chamaram isso de vento polar, mas por décadas, foi misterioso.

Cientistas esperam que algumas partículas da Terra “vazem” para o espaço. A luz solar pode causar isso. Mas se for esse o caso, as partículas devem ser aquecidas. O vento é misterioso porque muitas partículas nele são frias, apesar de se moverem em velocidades supersônicas.

“Algo tinha que estar atraindo essas partículas para fora da atmosfera”, disse o autor principal Collinson.

Collinson também é o principal investigador da missão de foguete de sondagem “Endurance” da NASA. “O propósito da missão Endurance era fazer a primeira medição da magnitude e estrutura do campo elétrico gerado pela ionosfera da Terra”, escreve a NASA na descrição da missão. O Endurance foi lançado em 22 de maio de 2022, do arquipélago de Svalbard, na Noruega.

“Svalbard é o único campo de foguetes do mundo onde você pode voar através do vento polar e fazer as medições de que precisávamos”, disse Suzie Imber, física espacial da Universidade de Leicester, Reino Unido, e coautora do artigo.

Svalbard é essencial porque há linhas de campo magnético abertas acima das calotas polares da Terra. Essas linhas de campo fornecem um caminho para os íons fluírem para a magnetosfera.

Após o lançamento, Collinson disse: “Obtivemos dados fabulosos durante todo o voo, embora demore um pouco até que possamos realmente analisá-los para ver se atingimos nosso objetivo científico ou não”.

Agora, os dados estão disponíveis e os resultados mostram que a Terra tem um campo elétrico global.

Antes de sua descoberta, os cientistas levantaram a hipótese de que o campo era fraco e que seus efeitos só poderiam ser sentidos em centenas de quilômetros. Embora tenha sido proposto pela primeira vez há 60 anos, os cientistas tiveram que esperar a tecnologia avançar antes que pudessem medi-lo. Em 2016, Collinson e seus colegas começaram a inventar um novo instrumento que poderia medir o campo elusivo.

A cerca de 250 km (150 mi) acima da superfície da Terra, os átomos se quebram em elétrons com carga negativa e íons com carga positiva. Os elétrons são muito mais leves que os íons, e o menor choque energético pode mandá-los para o espaço. Os íons são mais de 1800 vezes mais pesados, e a gravidade os atrai de volta para a superfície.

Se a gravidade fosse a única força em ação, as duas populações se separariam ao longo do tempo e simplesmente se afastariam. Mas não é isso que acontece.

Elétrons e íons têm cargas elétricas opostas. Eles são atraídos um pelo outro e um campo elétrico se forma que os mantém juntos. Isso neutraliza parte do poder da gravidade.

O campo é chamado ambipolar porque é bidirecional. Isso significa que ele funciona em ambas as direções. À medida que os íons afundam devido à gravidade, as cargas elétricas significam que os íons arrastam alguns dos elétrons para baixo com eles. No entanto, ao mesmo tempo, os elétrons levantam os íons para o alto na atmosfera com eles, enquanto tentam deixar a atmosfera e escapar para o espaço.

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O resultado de tudo isso é que o campo ambipolar aumenta a altura da atmosfera, o que significa que alguns íons escapam com o vento polar.

Após décadas de hipóteses e teorizações, o foguete Endurance mediu uma mudança no potencial elétrico de apenas 0,55 volts. Isso é extremamente fraco, mas o suficiente para ser mensurável.

“Meio volt é quase nada — é quase tão forte quanto uma bateria de relógio”, disse Collinson. “Mas é a quantidade certa para explicar o vento polar.”

Íons de hidrogênio são as partículas mais abundantes no vento polar. Os resultados do Endurance mostram que esses íons experimentam uma força externa do campo magnético que é 10,6 vezes mais poderosa do que a gravidade. “Isso é mais do que suficiente para contrariar a gravidade — na verdade, é o suficiente para lançá-los para cima no espaço em velocidades supersônicas”, disse Alex Glocer, cientista do projeto Endurance na NASA Goddard e coautor do artigo.

Os íons de hidrogênio são leves, mas mesmo as partículas mais pesadas no vento polar são levantadas. Os íons de oxigênio no campo elétrico fraco pesam efetivamente metade, mas também são impulsionados para alturas maiores. No geral, o campo ambipolar torna a ionosfera mais densa em altitudes mais altas do que seria sem o efeito de elevação do campo. “É como uma correia transportadora, elevando a atmosfera para o espaço”, acrescentou Collinson.

“As medições apoiam a hipótese de que o campo elétrico ambipolar é o principal impulsionador do fluxo de H+ ionosférico e do vento polar supersônico de íons leves que escapam das calotas polares”, explicam os autores em seu artigo.

“Inferimos que isso aumenta o suprimento de íons O+ frios para a magnetosfera em mais de 3.800%”, escrevem os autores. Nesse ponto, outros mecanismos entram em jogo. As interações onda-partícula podem aquecer os íons, acelerando-os para a velocidade de escape.

Esses resultados levantam outras questões. Como esse campo afeta a Terra? O campo afetou a habitabilidade do planeta? Outros planetas têm esses campos?

Em 2016, a missão Venus Express da Agência Espacial Europeia detectou um potencial elétrico de 10 volts ao redor do planeta. Isso significa que partículas carregadas positivamente seriam puxadas para longe da superfície do planeta. Isso poderia afastar o oxigênio.

Cientistas acham que Vênus pode ter tido água em abundância. No entanto, como a luz solar divide a água em hidrogênio e oxigênio, o campo elétrico pode ter sugado o oxigênio para longe, eliminando a água do planeta. Isso é teórico, mas levanta a questão de por que a mesma coisa não aconteceu na Terra.

O campo ambipolar é fundamental para a Terra. Seu papel na evolução da atmosfera e da biosfera do planeta ainda não foi compreendido, mas deve desempenhar um papel.

“Qualquer planeta com uma atmosfera deve ter um campo ambipolar”, disse Collinson. “Agora que finalmente o medimos, podemos começar a aprender como ele moldou nosso planeta, assim como outros, ao longo do tempo.”