Нам, тут, на Землі, пощастило, що у нас є життєздатна атмосфера, яка захищена магнітосферою Землі. Без цього захисного оболонки життя на поверхні було б обстріляно шкідливим випромінюванням, що виходить від Сонця. Однак верхня земна атмосфера все ще повільно протікає, і близько 90 тонн матеріалу щодня витікає з верхньої атмосфери і витікає в космос.
І хоча астрономи вже протягом певного часу розслідують цей витік, є ще безліч питань без відповіді. Наприклад, скільки матеріалу втрачається в космосі, які види і як це взаємодіє з сонячним вітром, щоб впливати на наше магнітне середовище? Це було метою проекту кластерів Європейського космічного агентства - серії з чотирьох однакових космічних апаратів, які вимірювали магнітне середовище Землі протягом останніх 15 років.
Розуміння взаємодії нашої атмосфери із сонячним вітром спочатку вимагає зрозуміти, як працює магнітне поле Землі. Для початку вона простягається з надр нашої планети (і, як вважається, є наслідком ефекту динамо в ядрі), і сягає всього шляху у космос. Ця область простору, на яку впливає наше магнітне поле, відома як магнітосфера.
Внутрішня частина цієї магнітосфери називається плазмасферою, областю у формі пончика, яка простягається на відстань близько 20 000 км від Землі і спільно обертається з нею. Магнітосфера також затоплена зарядженими частинками та іонами, які потрапляють всередину, а потім відправляються підстрибуючи вперед та назад по польових лініях регіону.
На своєму передньому, зверненому до Сонця краю, магнітосфера зустрічається із сонячним вітром - потоком заряджених частинок, що тече від Сонця в космос. Місце, де вони вступають у контакт, відоме як "удар лука", який так називають, оскільки його лінії магнітного поля змушують сонячний вітер набувати форми лука, коли вони проходять над нами та навколо нас.
Коли сонячний вітер проходить над магнітосферою Землі, він знову збирається позаду нашої планети, утворюючи магнітотейл - витягнуту трубку, що містить пастки плазми та взаємодіючі лінії поля. Без цього захисного оболонки атмосферу Землі було б повільно позбавлено мільярди років тому, доля, яка, як вважають, спіткала Марс.
При цьому, магнітне поле Землі не є герметично закритим. Наприклад, на полюсах нашої планети відкриті лінії поля, що дозволяє сонячним частинкам входити і наповнювати нашу магнітосферу енергетичними частинками. Цей процес відповідає за Aurora Borealis та Aurora Australis (ака. Північне та Південне сяйво).
У той же час, частинки з верхньої атмосфери Землі (іоносфера) можуть тікати таким же шляхом, подорожуючи через полюси і гублячись у космосі. Незважаючи на те, що ми дізналися багато про магнітні поля Землі та про те, як утворюється плазма завдяки її взаємодії з різними частинками, багато про весь процес був незрозумілим ще зовсім недавно.
Як заявив в прес-релізі ESA Арно Массон, заступник вченого проекту ESA для місії кластера:
“Питання транспорту плазми та втрати атмосфери є актуальним як для планет, так і для зірок, і є надзвичайно захоплюючою та важливою темою. Розуміння того, як виходить атмосферна речовина, має вирішальне значення для розуміння того, як може розвиватися життя на планеті. Взаємодія між вхідним та вихідним матеріалом у магнітосфері Землі є актуальною темою на даний момент; звідки саме цей матеріал береться? Як він увійшов до нашого простору космосу?“
Враховуючи, що наша атмосфера містить 5 квадрильйонів тонн речовини (це 5 х 1015, або 5 000 000 мільярдів тонн, втрата 90 тонн на день - це не багато. Однак ця кількість не включає масу "холодних іонів", які регулярно додаються. Цей термін зазвичай використовується для опису іонів водню, про які ми знаємо, щодня регулярно втрачаються до магнітосфери (разом з іонами кисню та гелію).
Оскільки водню потрібно менше енергії для виходу з нашої атмосфери, іони, які створюються після того, як цей водень стає частиною плазмасфери, також мають низьку енергію. Як результат, їх було важко виявити в минулому. Більше того, вченим відомо лише про цей потік кисню, водню та іонів гелію, які надходять із полярних регіонів Землі та поповнюють плазму в магнітосфері протягом кількох десятиліть.
До цього вчені вважали, що лише сонячні частинки відповідають за плазму в магнітосфері Землі. Але в останні роки вони зрозуміли, що два інших джерела вносять свій внесок у плазмасферу. Перші - це спорадичні "переливи" плазми, які ростуть всередині плазмасфери і виходять назовні до краю магнітосфери, де вони взаємодіють із плазмою сонячного вітру, що йде іншим шляхом.
Інше джерело? Вищезгадані витоки атмосфери. Оскільки це складається з рясних іонів кисню, гелію та водню, холодні іони водню грають найважливішу роль. Вони не лише становлять значну кількість втраченої в космосі речовини, і можуть грати ключову роль у формуванні нашого магнітного середовища. Більше того, більшість супутників, які зараз перебувають на орбіті Землі, не в змозі виявити холодні іони, що додаються до суміші, що може зробити Кластер.
У 2009 та 2013 роках кластерні зонди змогли охарактеризувати їх силу, а також інші джерела плазми, що додаються до магнітосфери Землі. Якщо враховувати лише холодні іони, кількість втраченої атмосфери простір становить кілька тисяч тонн на рік. Одним словом, це як втрачаючі шкарпетки. Не велика справа, але ви хочете знати, куди вони йдуть, правда?
Це було ще одним напрямом для місії Кластеру, яка протягом останнього півтора десятиліть намагається дослідити, як ці іони втрачаються, звідки вони беруться тощо. Як заявив Філіп Ескубет, науковий співробітник проекту ESA для місії кластеру:
“По суті, нам потрібно розібратися, як холодна плазма закінчується при магнітопаузі. У цьому є кілька різних аспектів; нам потрібно знати процеси, пов'язані з його транспортуванням туди, як ці процеси залежать від динамічного сонячного вітру та умов магнітосфери, і звідки в першу чергу надходить плазма - чи походить вона в іоносфері, плазмасфері чи десь в іншому місці?“
Причини розуміння цього зрозумілі. Частинки високої енергії, як правило, у вигляді сонячних спалахів, можуть становити загрозу для космічної технології. Крім того, розуміння того, як наша атмосфера взаємодіє із сонячним вітром, також корисно, якщо мова йде про дослідження космосу загалом. Розглянемо наші нинішні зусилля щодо пошуку життя за межами нашої планети у Сонячній системі. Якщо є одне, чого навчили нас десятиліття місій на сусідні планети, то це те, що атмосфера та магнітне середовище планети мають вирішальне значення для визначення мешкання.
У безпосередній близькості до Землі є два приклади цього: Марс, який має тонку атмосферу і занадто холодний; і Венера, у якої атмосфера занадто щільна і занадто гаряча. У зовнішній Сонячній системі місячний титан Сатурна продовжує інтригувати нас, головним чином через незвичну атмосферу. Як єдине тіло з атмосферою, багатою на азот, окрім Землі, це також єдина відома планета, де відбувається переміщення рідини між поверхнею та атмосферою - хоч і з нафтохімічними речовинами замість води.
Більше того, наступна два роки НАСА відвідає місію НАСО, вивчаючи власне магнітне поле та атмосферу Юпітера. Ця інформація нам багато розповість про найбільшу планету Сонячної системи, але також можна сподіватися пролити трохи світла на планетарне утворення історії Сонячної системи.
За останні п’ятнадцять років Кластер зміг багато розповісти астрономам про те, як атмосфера Землі взаємодіє із сонячним вітром, і допоміг дослідити явища магнітного поля, які ми лише почали розуміти. І хоча можна дізнатися багато іншого, учені погоджуються, що те, що було розкрито досі, було б неможливим без такої місії, як Кластер.
