Le champ est faible, seulement 0,55 volt, soit à peu près la puissance d'une pile de montre, explique Collinson. Mais il est suffisamment puissant pour contrôler la forme et l'évolution de la haute atmosphère, des caractéristiques qui pourraient avoir des implications sur l'aptitude de notre planète à la vie.
« C'est fondamental pour l'ADN de notre planète », explique Collinson, qui a rapporté la nouvelle mesure en Nature 28 août.
L'existence du champ électrique ambipolaire a été prédite pour la première fois dans les années 1960, à l'aube de l'ère spatiale. Les premiers engins spatiaux survolant les pôles terrestres ont détecté un flux supersonique de particules chargées provenant de l'atmosphère, appelé vent polaire.
La raison la plus logique pour expliquer la rapidité du vent serait un champ électrique dans l'atmosphère. L'idée est que la lumière du soleil peut expulser les électrons des atomes de la haute atmosphère. Ces électrons chargés négativement sont suffisamment légers et énergétiques pour vouloir flotter dans l'espace. Les ions d'oxygène chargés positivement qui restent sont plus lourds et veulent sombrer sous l'effet de la gravité terrestre.
Mais l'atmosphère veut rester électriquement neutre, en maintenant un équilibre entre les électrons et les ions. Le champ électrique se forme pour maintenir les électrons liés aux ions et les empêcher de s'échapper.
Une fois établi, le champ peut agir comme un booster pour les ions plus légers comme l'hydrogène, leur donnant suffisamment d'énergie pour se libérer de la gravité terrestre et s'envoler comme le vent polaire. Il peut également attirer les ions plus lourds plus haut dans l'atmosphère qu'ils n'atteindraient autrement, où d'autres forces peuvent également les arracher dans l'espace.
C'était l'hypothèse. Mais jusqu'à récemment, la technologie permettant de détecter ce champ n'existait pas.
« On pensait vraiment que c’était impossible à réaliser », explique Collinson.[The field] si faible qu'on pensait qu'on ne le mesurerait jamais.
Collinson s'est rendu compte que cette mesure n'avait pas été prise après que lui et ses collègues aient essayé de mesurer un champ similaire sur Vénus. Une recherche d'un article décrivant l'intensité du champ terrestre à des fins de comparaison est restée infructueuse.
« C'est drôle, ça s'est avéré être une histoire qui n'a jamais été réalisée », dit-il. « On s'est dit : « C'est parti ! » »
Collinson et ses collègues ont développé un nouvel instrument appelé spectromètre photoélectronique spécialement conçu pour détecter le champ électrique. L'équipe a monté le spectromètre sur une fusée baptisée Endurance, du nom du navire qui a transporté Ernest Shackleton pour explorer l'Antarctique en 1914.
Le voyage jusqu'à la rampe de lancement de Svalbard, en Norvège, a été digne du nom de la fusée. L'équipe a voyagé en bateau pendant 17 heures pour rejoindre l'archipel du Svalbard, situé à quelques centaines de kilomètres du pôle Nord. Plusieurs membres de l'équipe ont été malades du Covid-19 en chemin. Et la guerre entre la Russie et l'Ukraine avait commencé quelques mois plus tôt.
« À l’époque, les tirs de fusées suscitaient une certaine nervosité », explique Collinson. « Les ours polaires étaient le moindre problème. Nous avions la guerre et la peste. »
Deux autres jours de blizzard ont maintenu Endurance au sol. Lorsque la fusée a finalement été lancée le 11 mai 2022, elle a traversé l'atmosphère à environ 770 kilomètres, mesurant l'énergie des électrons toutes les 10 secondes. Le vol a duré 19 minutes. À la fin, la fusée a plongé dans la mer du Groenland.
Endurance a mesuré un changement de potentiel électrique de 0,55 volt entre les altitudes de 248 kilomètres et 768 kilomètres, soit exactement assez pour expliquer à lui seul le vent polaire, sans aucun autre effet atmosphérique.
Les mesures sont solides et passionnantes, déclare le planétologue David Brain de l'Université du Colorado à Boulder, qui n'a pas participé aux nouveaux travaux. Mais il ne s'agit que d'un point de données provenant d'une seule fusée. « Je pense que ce résultat est vraiment excellent et qu'il faudrait procéder à davantage de mesures de ce type », dit-il.
Collinson est du même avis. Ses collègues et lui-même ont récemment reçu l’approbation de la NASA pour une fusée de suivi, baptisée cette fois Resolute, destinée à un navire d’exploration de l’Arctique qui a pris la mer en 1850.
Comme le champ électrique ambipolaire permet de contrôler la vitesse à laquelle l'atmosphère d'une planète s'échappe dans l'espace, il joue probablement un rôle dans la création d'une planète accueillante pour la vie, explique Collinson. Les scientifiques pensent que Mars ressemblait autrefois davantage à la Terre, mais qu'elle a perdu une grande partie de son atmosphère dans l'espace au fil du temps. (SN: 27/11/15). Vénus a peut-être été autrefois beaucoup plus humide qu'aujourd'hui (SN: 01/08/17).
Ces deux planètes possèdent également des champs électriques ambipolaires, mais elles auraient peut-être été mieux sans eux.
« Si ce processus n'avait pas existé sur Vénus et Mars, alors je pense qu'il est possible que Vénus et Mars auraient perdu moins d'oxygène », et donc moins d'eau, explique Brain.
Le champ électrique ambipolaire de la Terre permet également d’évacuer l’oxygène dans l’espace. Mais la Terre a un avantage clé sur Mars et Vénus : un champ magnétique global qui guide les particules chargées autour de la planète. « Le champ électrique est le moteur qui fait bouger les particules », explique Brain. « Le champ magnétique est en quelque sorte la route que les particules empruntent. » Le champ magnétique de la Terre signifie que l’oxygène ne peut s’échapper que près des pôles, plutôt que de n’importe quelle partie de l’atmosphère. Cela pourrait aider à expliquer pourquoi la Terre a conservé son atmosphère habitable pendant beaucoup plus longtemps que Vénus ou Mars.
« Fondamentalement, de nombreux facteurs peuvent rendre une planète habitable », explique Collinson. « Mais je pense que comparer ces différents champs énergétiques sur différentes planètes est une façon de répondre à la question : pourquoi la Terre est-elle habitable ? Pourquoi sommes-nous ici ? »