Vi her på Jorden er heldige, at vi har en levedygtig atmosfære, der er beskyttet af Jordens magnetosfære. Uden denne beskyttende konvolut ville livet på overfladen blive bombarderet af skadelig stråling fra solen. Jordens øvre atmosfære lækker dog stadig langsomt, med cirka 90 ton materiale om dagen undslipper fra den øvre atmosfære og strømmer ud i rummet.
Og selvom astronomer har undersøgt denne lækage i nogen tid, er der stadig mange ubesvarede spørgsmål. For eksempel, hvor meget materiale, der går tabt i rummet, hvilke slags, og hvordan interagerer dette med solvind for at påvirke vores magnetiske miljø? Sådan har været formålet med Det europæiske rumfartsagenturs klyngeprojekt, en serie af fire identiske rumfartøjer, der har målt Jordens magnetiske miljø i de sidste 15 år.
At forstå vores atmosfæres interaktion med solvind kræver først, at vi forstår, hvordan Jordens magnetfelt fungerer. Til at begynde med strækker den sig fra det indre af vores planet (og antages at være resultatet af en dynamoeffekt i kernen) og når helt ud i rummet. Dette område af rummet, som vores magnetiske felt udøver indflydelse på, er kendt som magnetosfæren.
Den indre del af denne magnetosfære kaldes plasmasfæren, en donutformet region, der strækker sig til en afstand af ca. 20.000 km fra Jorden og co-roterer med den. Magnetosfæren er også oversvømmet med ladede partikler og ioner, der bliver fanget inde og derefter sendes hoppende frem og tilbage langs regionens feltlinjer.
Ved sin fremadgående, solvendte kant møder magnetosfæren solvinden - en strøm af ladede partikler, der strømmer fra solen ud i rummet. Det sted, hvor de kommer i kontakt, er kendt som "Bow Shock", der er såkaldt fordi dens magnetiske feltlinjer tvinger solvind til at tage formen på en bue, når de passerer over og omkring os.
Når solvinden passerer over Jordens magnetosfære, samles den igen bag vores planet for at danne en magnetotail - et langstrakt rør, der indeholder fangede plader med plasma og interagerende feltlinjer. Uden denne beskyttende konvolut ville Jordens atmosfære langsomt være blevet fjernet for milliarder af år siden, en skæbne, som nu antages at have ramt Mars.
Når det er sagt, er Jordens magnetfelt ikke nøjagtigt hermetisk forseglet. For eksempel er marklinjerne på vores planet poler åbne, som tillader solpartikler at komme ind og fylde vores magnetosfære med energiske partikler. Denne proces er det, der er ansvarlig for Aurora Borealis og Aurora Australis (også kaldet nord- og sydlyset).
På samme tid kan partikler fra Jordens øvre atmosfære (ionosfæren) flygte på samme måde, rejse op gennem polerne og gå tabt i rummet. På trods af at vi lærte meget om Jordens magnetfelter og hvordan plasma dannes gennem dets interaktion med forskellige partikler, har meget om hele processen været uklar indtil for nylig.
Som Arnaud Masson sagde ESAs viceprojektforsker for klyngemissionen i en ESA-pressemeddelelse:
“Spørgsmålet om plasma-transport og atmosfærisk tab er relevant for både planeter og stjerner, og er et utroligt fascinerende og vigtigt emne. At forstå, hvordan atmosfærisk stof undslipper, er afgørende for at forstå, hvordan livet kan udvikle sig på en planet. Samspillet mellem indgående og udgående materiale i Jordens magnetosfære er et varmt emne i øjeblikket; hvor kommer præcis disse ting fra? Hvordan kom det ind i vores plads af plads?“
I betragtning af at vores atmosfære indeholder 5 quadrillion ton stof (det er 5 x 1015, eller 5.000.000.000.000.000 tons), udgør et tab på 90 tons om dagen ikke meget. Dette antal inkluderer dog ikke massen af “kolde ioner”, der regelmæssigt tilføjes. Dette udtryk bruges typisk til at beskrive de hydrogenioner, som vi nu ved, går tabt til magnetosfæren regelmæssigt (sammen med ilt og heliumioner).
Da brint kræver mindre energi for at undslippe vores atmosfære, har de ioner, der oprettes, når dette brint bliver en del af plasmasfæren, også lav energi. Som et resultat har de været meget vanskelige at opdage tidligere. Hvad mere er, videnskabsmænd har kun kendt til denne strøm af ilt, brint og heliumioner - der kommer fra Jordens polære regioner og genopfylder plasma i magnetosfæren - i et par årtier.
Før dette troede forskere, at solpartikler alene var ansvarlige for plasma i Jordens magnetosfære. Men i de senere år er de kommet til at forstå, at to andre kilder bidrager til plasmasfæren. De første er sporadiske "plumes" af plasma, der vokser inden i plasmasfæren og bevæger sig udad mod kanten af magnetosfæren, hvor de interagerer med solvindplasma, der kommer den anden vej.
Den anden kilde? Den førnævnte atmosfæriske lækage. Mens dette består af rigelige ilt-, helium- og brintioner, synes de kolde brintioner at spille den vigtigste rolle. Ikke kun udgør de en betydelig mængde stof, der er tabt i rummet, og kan spille en nøglerolle i udformningen af vores magnetiske miljø. Hvad mere er, de fleste af de satellitter, der i øjeblikket kredser rundt om Jorden, er ikke i stand til at registrere de kolde ioner, der føjes til blandingen, noget som Cluster er i stand til at gøre.
I 2009 og i 2013 var klyngesonderne i stand til at karakterisere deres styrke såvel som andre kilder til plasma, der blev føjet til jordens magnetosfære. Når kun de kolde ioner overvejes, udgør mængden af atmosfære, der går tabt o plads, flere tusinde tons om året. Kort sagt, det er som at miste sokker. Ikke en big deal, men du vil gerne vide, hvor de skal hen, ikke?
Dette har været et andet fokusområde for klyngemissionen, der i det sidste halvandet årti har forsøgt at undersøge, hvordan disse ioner går tabt, hvor de kommer fra og lignende. Som Philippe Escoubet, ESAs projektforsker til klyngemissionen, udtrykte det:
“I det væsentlige er vi nødt til at finde ud af, hvordan koldt plasma ender ved magnetopausen. Der er et par forskellige aspekter ved dette; vi er nødt til at kende de processer, der er involveret i at transportere den dit, hvordan disse processer afhænger af den dynamiske solvind og betingelserne i magnetosfæren, og hvor plasma kommer fra i første omgang - stammer det fra ionosfæren, plasmasfæren eller et andet sted?“
Årsagerne til at forstå dette er klare. Højenergipartikler, som regel i form af solbrændere, kan udgøre en trussel mod rumbaseret teknologi. Derudover er det også nyttigt at forstå, hvordan vores atmosfære interagerer med solvind, når det kommer til rumforskning generelt. Overvej vores nuværende bestræbelser på at lokalisere liv ud over vores egen planet i solsystemet. Hvis der er en ting, som årtier med missioner til nærliggende planeter har lært os, er det, at en planetes atmosfære og magnetiske miljø er afgørende for at bestemme beboelsesevnen.
I nærheden af Jorden er der to eksempler på dette: Mars, der har en tynd atmosfære og er for kold; og Venus, hvem er atmosfæren er for tæt og alt for varm. I det ydre solsystem fortsætter Saturns måne Titan os, hovedsageligt på grund af den usædvanlige atmosfære. Som det eneste legeme med en nitrogenrig atmosfære udover Jorden, er det også den eneste kendte planet, hvor væskeoverførsel finder sted mellem overfladen og atmosfæren - omend med petrokemikalier i stedet for vand.
Desuden vil NASAs Juno-mission bruge de næste to år på at udforske Jupiters eget magnetfelt og atmosfære. Disse oplysninger vil fortælle os meget om solsystemets største planet, men det er også håbet at kaste lys over den planetariske dannelse i solsystemet.
I de sidste femten år har Cluster været i stand til at fortælle astronomer meget om, hvordan Jordens atmosfære interagerer med solvind, og har bidraget til at udforske magnetfeltfænomener, som vi kun er begyndt at forstå. Og selvom der er meget mere at lære, er videnskabsmænd enige om, at det, der hidtil er blevet afsløret, ville have været umuligt uden en mission som Cluster.
