Het zogenaamde ‘ambipolaire elektrische veld’ is zwak, maar net zo essentieel als de zwaartekracht en magnetische velden van de aarde.
We weten al lange tijd dat de aarde omgeven is door verschillende ‘velden’. Denk bijvoorbeeld aan het zwaartekrachtsveld en het magnetische veld. Meer dan zestig jaar geleden stelden wetenschappers voor dat er nog een ander, onzichtbaar veld bestaat: het ambipolaire elektrische veld. Dit veld werd gezien als een belangrijke drijvende kracht achter de ‘poolwind’, een constante uitstroom van geladen deeltjes die boven de polen de ruimte in ‘lekt’. Tientallen jaren zijn onderzoekers naar dit raadselachtige elektrische veld op zoek geweest. En nu hebben ze het eindelijk gevonden, zo melden ze in het vakblad Nature.
Poolwind
Sinds het einde van de jaren ’60 hebben ruimtevaartuigen die over de polen van de aarde vliegen een stroom van deeltjes waargenomen die uit onze atmosfeer de ruimte in lekt. Maar onderzoekers konden dit niet volledig verklaren. Een zekere uitstroom van deeltjes uit onze atmosfeer is te verwachten, omdat intens zonlicht enkele deeltjes uit de lucht kan laten ontsnappen, vergelijkbaar met stoom die uit een pan stijgt. Maar de waargenomen poolwind was raadselachtiger. Veel deeltjes waren koud en vertoonden geen tekenen van verwarming, terwijl ze toch met supersonische snelheden bewogen. “Iets moest deze deeltjes uit de atmosfeer trekken,” zegt hoofdonderzoeker Glyn Collinson. En wetenschappers vermoedden dat er een nog onontdekt elektrisch veld in het spel zou kunnen zijn.
Extreem zwak
Het veronderstelde elektrische veld, dat op subatomair niveau wordt gegenereerd, zou extreem zwak zijn, met effecten die alleen merkbaar zijn over honderden kilometers. Het detecteren van dit veld was echter jarenlang niet mogelijk met de beschikbare technologie. In 2016 begonnen Collinson en zijn team daarom met de ontwikkeling van een nieuw instrument dat naar hun mening in staat zou zijn om het ambipolaire veld van de aarde te meten.
Endurance
Dit instrument werd met een suborbitale raket van NASA gelanceerd vanaf de Noordpool. Ter ere van het schip dat Ernest Shackleton in 1914 naar Antarctica bracht, noemde het team hun missie Endurance. Ze reisden naar Svalbard, een Noorse archipel en de thuisbasis van het noordelijkste raketcentrum ter wereld. “Svalbard is de enige locatie ter wereld waar je door de poolwind kunt vliegen en de metingen kunt uitvoeren die we nodig hebben,” zegt onderzoeker Suzie Imber.
Horlogebatterij
Na de lancering bereikte Endurance een hoogte van ongeveer 768 kilometer en landde 19 minuten later in de Groenlandzee. Tijdens zijn vlucht over een hoogtebereik van meer dan 500 kilometer, verzamelde Endurance gegevens en noteerde een verandering in elektrisch potentieel van slechts 0,55 volt. “Een halve volt is bijna niets – vergelijkbaar met de kracht van een horlogebatterij,” zegt Collinson. “Maar het is precies genoeg om de poolwind te verklaren.”
Waterstofionen
Waterstofionen, de meest voorkomende deeltjes in de poolwind, ondervinden een kracht van dit veld die 10,6 keer sterker is dan de zwaartekracht. “Dat is ruim voldoende om de zwaartekracht te overwinnen,” legt onderzoeker Alex Glocer uit. “In feite is het genoeg om ze met supersonische snelheden de ruimte in te stuwen.” Zwaardere deeltjes krijgen ook een duwtje in de rug. Zuurstofionen op dezelfde hoogte, die zich in dit halve volt veld bevinden, wegen de helft minder. Over het algemeen ontdekte het team dat het ambipolaire veld de zogenaamde ‘schaalhoogte’ van de ionosfeer met 271 procent vergrootte, wat betekent dat de ionosfeer op grotere hoogte dichter blijft dan zonder dit veld. “Het is alsof het fungeert als een lopende band die de atmosfeer omhoog naar de ruimte tilt,” voegt Collinson eraan toe.
Doorbraak
De ontdekking van het ambipolaire elektrische veld markeert een belangrijke doorbraak in ons begrip van de aardse atmosfeer. Bovendien stellen de onderzoekers dat dit zwakke, wereldwijde elektrische veld net zo essentieel is als de zwaartekracht en magnetische velden van de aarde. Het begrijpen van de complexe bewegingen en evolutie van de aardatmosfeer biedt niet alleen inzichten in de geschiedenis van onze planeet, maar helpt ons ook de mysteries van andere planeten te ontrafelen en te beoordelen welke mogelijk bewoonbaar zouden kunnen zijn.
De bevestiging dat het ambipolaire elektrische veld dus echt bestaat, heeft dan ook veel nieuwe mogelijkheden voor onderzoek geopend. Zo denken wetenschappers dat dit veld mogelijk voortdurend invloed heeft gehad op de evolutie van onze atmosfeer op manieren die we nu kunnen beginnen te onderzoeken. En aangezien dit veld voortkomt uit de interne dynamiek van de atmosfeer, wordt verwacht dat vergelijkbare elektrische velden ook op andere planeten voorkomen, zoals Venus en Mars. “Elke planeet met een atmosfeer zou een ambipolair veld moeten hebben,” stelt Collinson. “Nu we het eindelijk hebben gemeten, kunnen we beginnen te begrijpen hoe dit veld onze eigen planeet en andere planeten door de tijd heen heeft gevormd.”
