Els científics acaben de descobrir per què es perd l’atmosfera de la Terra

The Washington Post · Kasha Patel

Fa seixanta anys hi va haver un descobriment sorprenent: l’atmosfera de la Terra s’escapava. La raó d’aquest fet va romandre com un misteri.

De final dels anys seixanta ençà, els satèl·lits que orbiten sobre els pols havien detectat un flux extremadament ràpid de partícules que s’escapaven a l’espai, a velocitats de vint quilòmetres per segon. Els científics sospitaven que la gravetat i el camp magnètic tots sols no podien explicar plenament aquest corrent. Havia d’haver-hi una altra font que creés aquest flux.

Ara s’ha trobat que la força misteriosa és un camp elèctric global fins ara desconegut. Té aproximadament la força d’una pila de rellotge, però amb això n’hi ha prou per a impulsar ions més lleugers de la nostra atmosfera cap a l’espai. A més, es genera d’una manera diferent que els altres camps elèctrics de la Terra.

La troballa, a més, proporciona pistes sobre l’evolució de la nostra atmosfera, i potser explica per què la Terra és habitable. “Aquest camp elèctric és un ‘agent del caos’”, diu Glyn Collinson, científic de coets de la NASA i autor principal de l’estudi. “Desfà la gravetat… Si no hi fos, la Terra seria molt diferent.”

[Llegiu, en anglès, l’article original a Nature: Earth’s ambipolar electrostatic field and its role in ion escape to space.]

“Considerat impossible de mesurar”

Segons els autors, el camp elèctric descobert fa poc és tan fonamental per a la Terra com la gravetat. Però no ha estat pas fàcil de detectar-lo.

La NASA diu que el nostre Sol pot escalfar i energitzar prou algunes partícules per a escapar a l’espai. Però les naus espacials que observaven un flux de partícules als pols, anomenat vent polar, van mostrar que molts ions es movien molt i molt de pressa, sí, però eren freds. La missió Clúster de l’Agència Espacial Europea va mesurar unes 90 tones de material que fugia cada dia, majoritàriament ions lleugers d’hidrogen.

Del punt de vista matemàtic, els científics fa temps que tenien la hipòtesi que un petit camp elèctric podria proporcionar prou energia per a desplaçar l’hidrogen fora de la nostra atmosfera. Però comptaven que, probablement, es generava a escala subatòmica i que era increïblement feble. A més, calia detectar-lo en centenars de quilòmetres.

“Tècnicament, es considerava impossible de mesurar. Tan feble!”, explica Collinson. De fet, ell i els seus col·legues van haver d’inventar un instrument, l’espectròmetre de fotoelectrons, per mesurar-lo.

Després de viatjar disset hores amb vaixell, l’equip es va adreçar a l’illa de Svalbard i va llançar un petit coet, anomenat Endurance, en honor del famós vaixell antàrtic de la dècada de 1910. El coet va volar breument a l’espai i va recollir dades en temps real amb el nou instrument. Svalbard, un arxipèlag entre Noruega i el pol Nord, era un indret ideal perquè el coet s’hi podia llançar directament al vent polar.

L’espectròmetre del coet va registrar un petit canvi de 0,55 volts fins a una altura de 477 milles (aproximadament, 767 quilòmetres). Mig volt sembla molt poc, però n’hi ha prou per a llançar un àtom lleuger a l’espai. Per a un àtom d’hidrogen, l’atracció ascendent d’aquest camp elèctric és 10,6 vegades més forta que no la gravetat que l’empeny cap avall, explica Alex Glocer, físic de la NASA i coautor de l’estudi.

També s’eleven partícules més pesants, però no tenen prou força per a anar completament a l’espai totes soles. Glocer diu que els àtoms d’oxigen més pesants necessiten molta més empenta –uns 10 electró-volts d’energia– per a elevar-se a l’espai. Però aquest camp elèctric “activa la bomba” i eleva els àtoms d’oxigen a una altura superior en l’atmosfera, on uns altres processos poden acabar catapultant-los a l’espai.

“El fet més sorprenent és que el camp, essent tan petit, sigui capaç d’impulsar aquests processos globals”, diu Derek Schaeffer, professor de física de plasma a la Universitat de Califòrnia, Los Angeles, que no va participar en l’estudi.

El físic espacial Philippe Escoubet, que tampoc no hi va participar, afirma: “Aquests resultats són fantàstics”, i mostren grans avenços en la tecnologia moderna per a mesurar camps elèctrics tan petits amb alta resolució.

‘Diferent de qualsevol camp elèctric’

La Terra té molts camps elèctrics, però aquest que s’ha descobert de fa poc és “diferent de qualsevol camp elèctric que hàgiu trobat en la vostra vida diària”, explica Collinson.

S’anomena camp ambipolar i comença entorn de 150 milles (241,402 quilòmetres.) per sobre nostre, diu. El Sol brilla sobre un àtom i n’elimina un electró, tot separant l’electró negatiu i l’ió positiu, per bé que encara s’atreuen l’un a l’altre.

Els electrons són lleugers i fugirien a l’espai tots sols, però la gravetat estira amb més força l’ió positiu més pesant, diu Collinson. L’electró intenta allunyar-se’n, però es forma una força elèctrica entre tots dos per evitar la separació, com un gos estirant una corretja. Aquest camp elèctric estira en ambdues direccions –és ambipolar–, explica la NASA.

Collinson diu: “Totes aquestes minúscules, minúscules, minúscules corretges elèctriques” s’afegeixen a aquest potencial de mig volt en segon pla. L’efecte net del camp elèctric eleva ions perquè s’escapin a l’espai dins el vent solar.

On van les partícules?

Quan les partícules s’eleven a partir de la nostra atmosfera, algunes fan el trajecte d’anada a l’espai i algunes altres tornen.

Els models mostren que el nostre camp magnètic pot atrapar aquestes partícules i tornar-les a empènyer cap a la Terra, diu Escoubet. Per exemple, les partícules poden ploure en les aurores boreals.

“Algunes partícules tornen, però no sabem exactament quantes, quina proporció –explica–. És molt difícil de mesurar-ho, això.”

Algunes altres vegades poden restar dins la bombolla protectora de la Terra, anomenada magnetosfera, on poden afectar les tempestes solars entrants, diu. Els ions d’hidrogen addicionals, per exemple, poden esmorteir els efectes d’una tempesta solar i interactuar amb la Terra. Aquesta seria una bona notícia per als nostres sistemes energètics a la superfície, que es poden trobar afectats per l’afluència de partícules solars, però també podria disminuir les aparicions d’aurores.

“Saber exactament com és aquest camp és important per a simular correctament aquests processos en ordinadors, que al seu torn és una de les maneres clau per a predir el temps espacial”, diu Schaeffer.

Si es perden massa partícules, això pot afectar la Terra d’unes altres maneres, com s’ha vist en alguns planetes. Les noranta tones de material que s’escapen de l’atmosfera superior de la Terra cada dia a l’espai no són gaires, però es poden acumular amb el temps, diu Escoubet, el gestor de la missió Clúster que va estudiar el vent polar.

Per exemple, Mart ara té una atmosfera prima i no permet la vida, segons que sabem, però abans no era així. Hom pensa que qualsevol planeta o lluna amb atmosfera té aquest camp elèctric ambipolar, que pot donar pistes sobre l’evolució d’un planeta.

És possible que la Terra no perilli de perdre l’atmosfera durant la nostra vida, però Collinson explica que el descobriment ens pot ajudar a comprendre què fa possible la vida al nostre planeta. “Indiscutiblement, això ha tingut un impacte en l’evolució de la nostra atmosfera, però encara no puc dir quin és –explica–. Voldríem la resposta ara, però el cas és que acabem de descobrir-ho.”

• Subscribe to The Washington Post
• Podeu llegir més reportatges del Washington Post publicats en català a VilaWeb