Mums, Žemėje, pasisekė, kad turime gyvybingą atmosferą, kurią saugo Žemės magnetosfera. Be šio apsauginio apvalkalo gyvybė ant paviršiaus būtų bombarduojama nuo saulės skleidžiamos kenksmingos radiacijos. Tačiau viršutinė Žemės atmosfera vis dar lėtai teka: maždaug 90 tonų medžiagos per parą išeina iš viršutinės atmosferos ir patenka į kosmosą.
Ir nors astronomai kurį laiką tyrė šį nutekėjimą, vis dar yra daug neatsakytų klausimų. Pvz., Kiek medžiagos yra prarandama kosmose, kokių rūšių ir kaip tai sąveikauja su saulės vėjiu, kad paveiktų mūsų magnetinę aplinką? Toks buvo Europos kosmoso agentūros projekto „Cluster“, keturių tapačių erdvėlaivių, kurie pastaruosius 15 metų matavo Žemės magnetinę aplinką, tikslas.
Pirmiausia norint suprasti mūsų atmosferos sąveiką su saulės vėju, reikia suprasti, kaip veikia Žemės magnetinis laukas. Pradedantiesiems jis tęsiasi nuo mūsų planetos vidaus (ir manoma, kad tai yra dinamo efekto šerdyje rezultatas), ir visą kelią išeina į kosmosą. Ši kosmoso sritis, kuriai įtaką daro mūsų magnetinis laukas, yra žinoma kaip magnetosfera.
Vidinė šios magnetosferos dalis vadinama plazmosfera - spurgos formos regionu, kuris tęsiasi maždaug 20 000 km atstumu nuo Žemės ir kartu sukasi. Magnetosfera taip pat yra užtvindyta įkrautomis dalelėmis ir jonais, kurie įstrigę viduje, o po to siunčiami šokinėti pirmyn ir atgal išilgai regiono lauko linijų.
Į priekį, į Saulę nukreiptas kraštas, magnetosfera susitinka su saulės vėjeliu - iš Saulės į kosmosą tekančių įkrautų dalelių srautu. Taškas, kur jie kontaktuoja, yra žinomas kaip „Bow Shock“, kuris taip vadinamas, nes jo magnetinio lauko linijos priverčia saulės vėją įgyti lanko formą, einant pro mus ir aplink juos.
Saulės vėjui pereinant per Žemės magnetosferą, jis vėl susilieja už mūsų planetos ir sudaro magnetinę uodegą - pailgą vamzdį, kuriame yra įstrigę plazmos lakštai ir sąveikaujančios lauko linijos. Be šio apsauginio voko Žemės atmosfera būtų lėtai pašalinta prieš milijardus metų - toks likimas, kuris, kaip manoma, dabar ištiko Marsą.
Atsižvelgiant į tai, Žemės magnetinis laukas nėra tiksliai hermetiškai uždarytas. Pavyzdžiui, mūsų planetos poliuose lauko linijos yra atviros, o tai leidžia saulės dalelėms patekti ir užpildyti mūsų magnetosferą energetinėmis dalelėmis. Už šį procesą atsakingos Aurora Borealis ir Aurora Australis (dar žinomos kaip šiauriniai ir pietiniai žiburiai).
Tuo pačiu metu dalelės iš viršutinės Žemės atmosferos (jonosferos) gali išeiti tokiu pačiu keliu, keliaudamos aukštyn per polius ir būdamos prarastos į kosmosą. Nepaisant to, kad daug sužinojote apie Žemės magnetinius laukus ir tai, kaip plazma susidaro per jos sąveiką su įvairiomis dalelėmis, iki šiol visai apie šį procesą buvo neaišku.
Kaip ESA pranešime spaudai teigė Arnaud Masson, EKA projekto mokslininko pavaduotojas klasterio misijai:
“Plazmos pernašos ir atmosferos praradimo klausimas yra aktualus tiek planetoms, tiek žvaigždėms ir yra nepaprastai žavi ir svarbi tema. Norint suprasti, kaip planetoje gali vystytis gyvybė, labai svarbu suprasti, kaip išsiskiria atmosferos medžiaga. Įeinančios ir išeinančios medžiagos sąveika Žemės magnetosferoje šiuo metu yra aktuali tema; iš kur yra ši medžiaga? Kaip jis pateko į mūsų erdvės lopą?“
Atsižvelgiant į tai, kad mūsų atmosferoje yra 5 kvadrilijonai tonų medžiagos (tai yra 5 x 1015, arba 5 000 000 milijardų tonų), 90 tonų nuostoliai per dieną nėra dideli. Tačiau į šį skaičių neįeina reguliariai pridedamų „šaltųjų jonų“ masė. Šis terminas paprastai naudojamas apibūdinti vandenilio jonus, kurie, kaip mes žinome, yra reguliariai prarandami magnetosferoje (kartu su deguonies ir helio jonais).
Kadangi vandeniliui reikia mažiau energijos, kad išeitų iš mūsų atmosferos, jonai, kurie susidaro, kai šis vandenilis tampa plazmosferos dalimi, taip pat turi mažai energijos. Todėl praeityje juos buvo labai sunku aptikti. Be to, mokslininkai apie šį deguonies, vandenilio ir helio jonų srautus, kurie patenka iš Žemės polinių regionų ir papildo plazmą magnetosferoje, sužinojo tik keletą dešimtmečių.
Prieš tai mokslininkai tikėjo, kad vien Žemės dalelės yra atsakingos už plazmą Žemės magnetosferoje. Tačiau pastaraisiais metais jie suprato, kad du kiti šaltiniai prisideda prie plazmosferos. Pirmieji yra atsitiktiniai plazmos „pluoštai“, kurie auga plazmosferoje ir keliauja į išorę link magnetosferos krašto, kur jie sąveikauja su priešinga saulės vėjo plazma.
Kitas šaltinis? Minėtas atmosferos nuotėkis. Nors tai susideda iš gausaus deguonies, helio ir vandenilio jonų, atrodo, kad svarbiausią vaidmenį vaidina šaltieji vandenilio jonai. Jie ne tik sudaro didelę erdvėje prarastų medžiagų kiekį ir gali vaidinti pagrindinį vaidmenį formuojant mūsų magnetinę aplinką. Be to, dauguma palydovų, kurie šiuo metu skrieja aplink Žemę, nesugeba aptikti šaltų jonų, kurie pridedami prie mišinio - tai gali padaryti klasteris.
2009 m. Ir 2013 m. „Cluster“ zondai sugebėjo apibūdinti savo stiprumą, taip pat kitų plazmos šaltinių, pridedamų prie Žemės magnetosferos, stiprumą. Kai atsižvelgiama tik į šaltuosius jonus, prarandama atmosferos dalis erdvėje siekia kelis tūkstančius tonų per metus. Trumpai tariant, tai tarsi pamesti kojines. Nelabai svarbu, tačiau norėtumėte žinoti, kur jie eina, tiesa?
Tai buvo dar viena „Cluster“ misijos, kuriai praėjusį pusantro dešimtmečio buvo bandoma ištirti, kaip šie jonai prarandami, iš kur jie atsiranda ir panašiai, dėmesio sritis. Kaip sakė ESA „Cluster“ misijos projektų mokslininkas Philippe'as Escoubet'as:
“Iš esmės turime išsiaiškinti, kaip šalta plazma baigiasi magnetopauzėje. Yra keli skirtingi aspektai; mes turime žinoti apie procesus, susijusius su jo gabenimu ten, kaip šie procesai priklauso nuo dinaminio saulės vėjo ir magnetosferos sąlygų ir iš kur pirmiausia ateina plazma - ar ji atsiranda jonosferoje, plazmosferoje, ar kažkur kitur?“
Priežastys tai suprasti yra aiškios. Didelės energijos dalelės, paprastai saulės spindulių pavidalo, gali sukelti grėsmę kosmoso technologijoms. Be to, suprasti, kaip mūsų atmosfera sąveikauja su saulės vėju, taip pat naudinga, kai kalbama apie kosmoso tyrinėjimą apskritai. Apsvarstykite mūsų dabartines pastangas, kad gyvenimas Saulės sistemoje būtų už mūsų pačių planetos ribų. Jei yra vienas dalykas, kurio išmokėme dešimtmečius trukusių misijų į netoliese esančias planetas, tai planetos atmosfera ir magnetinė aplinka yra labai svarbūs nustatant apgyvendinamumą.
Netoli Žemės yra du pavyzdžiai: Marsas, kurio atmosfera yra plona ir per šalta; ir Venera, kurios atmosfera yra per tanki ir per karšta. Išorinėje Saulės sistemoje Saturno mėnulis „Titan“ ir toliau mus intriguoja, daugiausia dėl neįprastos atmosferos. Kaip vienintelis kūnas, kuriame be Žemės yra atmosfera, kurioje gausu azoto, tai taip pat yra vienintelė žinoma planeta, kurioje skysčiai pernešami tarp paviršiaus ir atmosferos - nors ir naudojant naftos chemikalus, o ne vandenį.
Be to, NASA misija „Juno“ ateinančius dvejus metus praleis tyrinėdama paties Jupiterio magnetinį lauką ir atmosferą. Ši informacija mums daug pasakys apie didžiausią Saulės sistemos planetą, tačiau taip pat tikimasi paaiškinti Saulės sistemos planetų formavimosi istoriją.
Per pastaruosius penkiolika metų „Cluster“ sugebėjo astronomams daug pasakyti apie tai, kaip Žemės atmosfera sąveikauja su saulės vėju, ir padėjo ištirti magnetinio lauko reiškinius, kuriuos mes tik pradėjome suprasti. Ir nors dar yra daug ko išmokti, mokslininkai sutinka, kad to, kas buvo atskleista iki šiol, būtų buvę neįmanoma be tokios misijos kaip „Klasteris“.
