Me täällä maan päällä olemme onnekkaita, että meillä on elinkelpoinen ilmapiiri, sellainen, jota Maan magnetosfääri suojaa. Ilman tätä suojakuorta Auringosta lähtevä haitallinen säteily pommittaisi pinta-alaista elämää. Maan ylemmästä ilmakehästä kuitenkin vuotaa edelleen hitaasti: päivittäin noin 90 tonnia materiaalia pakenee ylemmästä ilmakehästä ja virtaa avaruuteen.
Ja vaikka tähtitieteilijät ovat tutkineet tätä vuotoa jo jonkin aikaa, on vielä monia vastaamattomia kysymyksiä. Esimerkiksi, kuinka paljon materiaalia menetetään avaruuteen, millaisia ja kuinka tämä vuorovaikutuksessa aurinkotuuleen vaikuttaa magneettiseen ympäristöömme? Tällainen on ollut Euroopan avaruusjärjestön klusteriprojektin tarkoitus, sarja, joka koostuu neljästä identtisestä avaruusaluksesta, jotka ovat mittaaneet maan magneettista ympäristöä viimeisten 15 vuoden aikana.
Atmosfäärimme vuorovaikutuksen aurinko tuulen kanssa ymmärtäminen edellyttää ensin, että ymmärrämme kuinka Maan magneettikenttä toimii. Ensinnäkin se ulottuu planeettamme sisäpuolelta (ja uskotaan sen olevan ytimessä olevan dynaamisen vaikutuksen tulos) ja ulottuu aina avaruuteen. Tämä avaruusalue, johon magneettikentämme vaikuttaa, tunnetaan nimellä magnetosfääri.
Tämän magnetosfäärin sisäosaa kutsutaan plasmasfääriksi, donitsin muotoiseksi alueeksi, joka ulottuu noin 20 000 km: n etäisyydelle maapallosta ja kiertää sen kanssa. Magnetosfääri tulvii myös varautuneilla hiukkasilla ja ioneilla, jotka jäävät loukkuun ja jotka sitten lähetetään pomppimaan edestakaisin alueen kenttäviivoja pitkin.
Eteenpäin, aurinkoa kohti suuntautuva reuna, magnetosfääri kohtaa aurinkotuulen - varautuneiden hiukkasten virran, joka virtaa auringosta avaruuteen. Paikka, jossa he tekevät kontaktia, tunnetaan nimellä ”Bow Shock”, joka on niin kutsuttu, koska sen magneettikentän linjat pakottavat aurinkotuulen ottamaan keulan muodon kulkiessaan ympäri ja ympärillämme.
Auringon tuulen kulkiessa Maan magnetosfäärin yli, se kokoontuu jälleen planeettamme taakse ja muodostaa magnetotailin - pitkänomaisen putken, joka sisältää loukkuun jääneet plasmalevyt ja vuorovaikutteiset kenttäviivat. Ilman tätä suojakuorta maapallon ilmapiiri olisi höylätty hitaasti miljardeja vuosia sitten, kohtalon, jonka uskotaan nyt olevan Mars.
Maan magneettikenttä ei ole kuitenkaan täysin hermeettisesti suljettu. Esimerkiksi planeettamme napoilla kenttäviivat ovat avoinna, mikä antaa aurinkohiukkasten päästä sisään ja täyttää magnetosfäärimme energisillä hiukkasilla. Tämä prosessi on vastuussa Aurora Borealis ja Aurora Australis (aka. Pohjoinen ja etelä valot).
Samanaikaisesti hiukkaset maan ylemmästä ilmakehästä (ionosfääristä) voivat poistua samalla tavalla, kulkevat pylväiden läpi ja kadota avaruuteen. Huolimatta siitä, että olemme oppineet paljon Maan magneettikentistä ja siitä, kuinka plasma muodostuu sen vuorovaikutuksessa eri hiukkasten kanssa, koko prosessista on ollut paljon epäselvää aivan viime aikoihin asti.
Kuten Arnaud Masson, ESA: n klusteritoiminnan varaprojektitutkija totesi ESA: n lehdistötiedotteessa:
“Kysymys plasman kulkeutumisesta ja ilmakehän menetyksestä on merkityksellinen sekä planeetoille että tähtiille, ja se on uskomattoman kiehtova ja tärkeä aihe. Ymmärtää, kuinka ilmakehän aine pääsee ulos, on elintärkeää ymmärtääksesi kuinka elämä voi kehittyä planeetalla. Saapuvan ja lähtevän materiaalin vuorovaikutus Maan magnetosfäärissä on tällä hetkellä kuuma aihe; mistä tarkalleen nämä jutut ovat peräisin? Kuinka se tuli tilapaikkaamme?“
Ottaen huomioon, että ilmakehässämme on viisi neliömetriä tonnia ainetta (se on 5 x 1015, eli 5 000 000 miljardia tonnia), 90 tonnin päivähäviö ei ole paljon. Tämä luku ei kuitenkaan sisällä "kylmien ionien" massaa, jota lisätään säännöllisesti. Tätä termiä käytetään tyypillisesti kuvaamaan vetyioneja, jotka tunnemme nyt menetetyksi magnetosfäärille säännöllisesti (yhdessä happi- ja heliumionien kanssa).
Koska vety vaatii vähemmän energiaa atmosfääriimme pääsemiseksi, ioneilla, jotka syntyy, kun tästä vedystä tulee osa plasmasfääriä, on myös vähän energiaa. Tämän seurauksena niitä on aikaisemmin ollut erittäin vaikea havaita. Lisäksi tutkijat ovat vain muutaman vuosikymmenen ajan tienneet tästä hapen, vedyn ja heliumin ionien virtauksista - jotka tulevat Maan napa-alueilta ja täydentävät plasmaa magnetosfäärissä.
Ennen tätä tutkijat uskoivat, että pelkästään aurinkohiukkaset olivat vastuussa plasmasta Maan magnetosfäärissä. Mutta viime vuosina he ovat ymmärtäneet, että kaksi muuta lähdeä myötävaikuttaa plasmasfääriin. Ensimmäiset ovat satunnaisia “plumeja” plasmasta, jotka kasvavat plasmasfäärissä ja kulkevat ulospäin kohti magnetosfäärin reunaa, missä ne ovat vuorovaikutuksessa toisin päin tulevan aurinkotuuliplasman kanssa.
Toinen lähde? Edellä mainittu ilmavuoto. Vaikka tämä koostuu runsaasti happea, heliumia ja vetyioneja, kylmillä vetyioneilla näyttää olevan tärkein rooli. Ne eivät pelkästään muodosta merkittävää määrää avaruuteen menetettyä ainetta, ja ne voivat olla avainasemassa magneettisen ympäristömme muotoilussa. Lisäksi suurin osa tällä hetkellä Maata kiertävistä satelliiteista ei pysty havaitsemaan miksaukseen lisättäviä kylmiä ioneja, minkä klusteri kykenee tekemään.
Vuonna 2009 ja 2013 Cluster-koettimet pystyivät luonnehtimaan niiden voimakkuutta samoin kuin muiden plasmalähteiden, joita lisätään Maan magnetosfääriin. Kun tarkastellaan vain kylmiä ioneja, kadonneen ilmakehän määrä tilasta on useita tuhansia tonneja vuodessa. Lyhyesti sanottuna, se on kuin sukkien menettäminen. Ei iso juttu, mutta haluat tietää, mihin he menevät, eikö niin?
Tämä on ollut uusi keskittymisalue klusteritoiminnassa, joka on viimeisen puolitoista vuosikymmenen ajan yrittänyt selvittää, kuinka nämä ionit häviävät, mistä ne tulevat ja vastaavat. Kuten Philippe Escoubet, ESA: n klusteritehtävän projektitutkija, sanoi:
“Pohjimmiltaan meidän on selvitettävä, kuinka kylmä plasma päätyy magnetopausiin. Tähän on muutama näkökohta; meidän on tiedettävä prosessit, jotka liittyvät sen kuljettamiseen sinne, kuinka nämä prosessit riippuvat dynaamisesta aurinkotuulista ja magnetosfäärin olosuhteista ja mistä plasma tulee ensisijaisesti - onko se peräisin ionosfääristä, plasmasfääristä vai jossain muualla?“
Syyt tämän ymmärtämiseen ovat selvät. Korkean energian hiukkaset, yleensä aurinkopaneelien muodossa, voivat olla uhka avaruuteen perustuvalle tekniikalle. Lisäksi on hyödyllistä ymmärtää, kuinka ilmakehämme ja aurinkotuuli ovat vuorovaikutuksessa avaruustutkimuksen kanssa. Harkitse nykyisiä pyrkimyksiämme löytää elämä oman planeettamme ulkopuolelle aurinkokunnassa. Jos on yksi asia, jonka vuosikymmenien matkat läheisiin planeettoihin ovat meille opettaneet, on se, että planeetan ilmapiiri ja magneettinen ympäristö ovat ratkaisevan tärkeitä asettavuuden määrittämisessä.
Maan välittömässä läheisyydessä on kaksi esimerkkiä tästä: Mars, jonka ilmapiiri on ohut ja liian kylmä; ja Venus, jonka ilmapiiri on liian tiheä ja aivan liian kuuma. Ulommassa aurinkokunnassa Saturnuksen kuu Titan jatkaa intriguuria meihin, lähinnä epätavallisen ilmapiirin takia. Koska se on ainoa runsaasti typpirikkasta ilmakehää maapallon lisäksi, se on myös ainoa tunnettu planeetta, jossa neste siirtyy pinnan ja ilmakehän välillä - tosin petrokemikaalien kanssa veden sijasta.
Lisäksi NASA: n Juno-operaatio viettää seuraavat kaksi vuotta Jupiterin oman magneettikentän ja ilmakehän tutkimiseen. Nämä tiedot kertovat meille paljon aurinkokunnan suurimmasta planeetasta, mutta sen toivotaan myös valaisevan aurinkokunnan historiallista planeettamuodostusta.
Viimeisen viidentoista vuoden aikana Cluster on pystynyt kertomaan tähtitieteilijöille paljon siitä, kuinka Maan ilmapiiri on vuorovaikutuksessa auringon tuulen kanssa, ja on auttanut tutkimaan magneettikenttäilmiöitä, joita olemme vasta alkaneet ymmärtää. Ja vaikka opittavaa on vielä paljon, tutkijat ovat yhtä mieltä siitä, että toistaiseksi paljastunut olisi ollut mahdotonta ilman klusterin kaltaista operaatiota.
