Ние тук на Земята имаме щастието, че имаме жизнеспособна атмосфера, такава, която е защитена от магнитосферата на Земята. Без тази защитна обвивка животът на повърхността би бил бомбардиран от вредно излъчване, излъчвано от Слънцето. Горната атмосфера на Земята обаче все още бавно изтича, като около 90 тона материал на ден се измъква от горната атмосфера и тече в космоса.
И въпреки че астрономите разследват това изтичане от известно време, все още има много въпроси без отговор. Например колко материал се губи в космоса, какви видове и как това взаимодейства със слънчевия вятър, за да повлияе на нашата магнитна среда? Такава е била целта на клъстерния проект на Европейската космическа агенция - серия от четири еднакви космически кораба, които измерват магнитната среда на Земята през последните 15 години.
Разбирането на взаимодействието на нашата атмосфера със слънчевия вятър първо изисква да разберем как работи магнитното поле на Земята. За начало тя се простира от вътрешността на нашата планета (и се смята, че е резултат от динамо ефект в ядрото) и достига чак до космоса. Този космос, върху който нашето магнитно поле оказва влияние, е известен като магнитосфера.
Вътрешната част на тази магнитосфера се нарича плазмасфера - област с форма на поничка, която се простира на разстояние около 20 000 км от Земята и съвместно се върти с нея. Магнитосферата също е залята с заредени частици и йони, които попадат в капан вътре и след това се изпращат отскачащи напред-назад по полевите линии на региона.
На предния си, обърнат към Слънце ръб магнитосферата среща слънчевия вятър - поток от заредени частици, изтичащи от Слънцето в космоса. Мястото, където те осъществяват контакт, е известно като „удар с лъка“, който е наречен така, защото неговите линии на магнитното поле принуждават слънчевия вятър да придобие формата на лък, когато преминават над и около нас.
Докато слънчевият вятър минава над магнитосферата на Земята, той отново се събира зад нашата планета, за да образува магнитозавод - удължена тръба, съдържаща заловени листове плазма и взаимодействащи полеви линии. Без тази защитна обвивка земната атмосфера щеше да бъде бавно отстранена преди милиарди години, съдбата, за която се смята, че е засегнала Марс.
Както се казва, магнитното поле на Земята не е точно херметически затворено. Например на полюсите на нашата планета полевите линии са отворени, което позволява на слънчевите частици да влизат и да запълват нашата магнитосфера с енергийни частици. Този процес е отговорен за Aurora Borealis и Aurora Australis (известен още като Северното и Южното сияние).
В същото време частиците от горната атмосфера на Земята (йоносферата) могат да избягат по същия начин, пътувайки нагоре през полюсите и се губят в космоса. Въпреки че научихме много за магнитните полета на Земята и как се образува плазма чрез взаимодействието й с различни частици, много за целия процес е неясен до съвсем скоро.
Както Арно Масън, заместник-учен по проекта на ESA за мисията на клъстера, заяви в съобщение на ESA:
“Въпросът за плазмения транспорт и атмосферните загуби е важен както за планетите, така и за звездите и е невероятно завладяваща и важна тема. Разбирането как атмосферната материя избягва е от решаващо значение за разбирането на начина, по който животът може да се развива на планета. Взаимодействието между входящия и изходящия материал в магнитосферата на Земята е гореща тема в момента; откъде точно идват тези неща? Как влезе в нашия пластир на космоса?“
Като се има предвид, че атмосферата ни съдържа 5 квадрилиона тона материя (това е 5 х 1015или 5 000 000 милиарда тона), загуба от 90 тона на ден не е много. Това число обаче не включва масата на „студените йони“, които редовно се добавят. Този термин обикновено се използва за описване на водородните йони, за които сега знаем, че се губят редовно в магнитосферата (заедно с кислородните и хелиевите йони).
Тъй като водородът изисква по-малко енергия, за да излезе от атмосферата ни, йоните, които се създават, след като този водород стане част от плазмасферата, също имат ниска енергия. В резултат на това те са били много трудни за откриване в миналото. Нещо повече, учените знаят само за този поток от кислород, водород и хелий йони - които идват от земните полярни региони и попълват плазмата в магнитосферата от няколко десетилетия.
Преди това учените смятали, че единствено слънчевите частици са отговорни за плазмата в магнитосферата на Земята. Но в по-последните години те разбраха, че други два източника допринасят за плазмасферата. Първите са спорадични "струи" от плазма, които растат в плазмасферата и пътуват навън към ръба на магнитосферата, където взаимодействат със слънчевата плазма на вятъра, идваща по другия път.
Другият източник? Гореспоменатото изтичане на атмосфера. Докато това се състои от изобилие на кислород, хелий и водородни йони, студените водородни йони изглежда играят най-важната роля. Те не само представляват значително количество загубена в космоса материя и могат да играят ключова роля при формирането на нашата магнитна среда. Нещо повече - повечето спътници, които в момента обикалят около Земята, не са в състояние да открият студените йони, които се добавят към сместа, нещо, което е в състояние да направи Клъстер.
През 2009 г. и 2013 г. клъстерните сонди успяха да характеризират силата си, както и други източници на плазма, добавени към магнитосферата на Земята. Когато се вземат предвид само студените йони, количеството изгубена атмосфера или пространство възлиза на няколко хиляди тона годишно. Накратко, това е като загуба на чорапи. Не е голяма работа, но бихте искали да знаете накъде отиват, нали?
Това беше друга област на фокус на мисията на клъстера, която през последното десетилетие и половина се опитва да проучи как се губят тези йони, откъде идват и други подобни. Както Филип Ескубет, проектният учен на ESA за мисията на клъстера, го заявява:
“По същество трябва да разберем как студената плазма завършва при магнитопаузата. Има няколко различни аспекта към това; трябва да знаем процесите, свързани с транспортирането му дотам, как тези процеси зависят от динамичния слънчев вятър и условията на магнитосферата и откъде идва плазмата на първо място - възниква ли тя в йоносферата, плазмасферата или някъде другаде?“
Причините за разбирането на това са ясни. Високо енергийните частици, обикновено под формата на слънчеви изблици, могат да представляват заплаха за космическата технология. Освен това разбирането как нашата атмосфера взаимодейства със слънчевия вятър е полезно и когато става въпрос за космическото изследване. Обмислете нашите настоящи усилия за намиране на живот извън нашата собствена планета в Слънчевата система. Ако има нещо, на което десетилетия на мисии до близките планети са ни научили, това е, че атмосферата и магнитната среда на планетата са от решаващо значение при определянето на обитаемостта.
В непосредствена близост до Земята има два примера за това: Марс, който има тънка атмосфера и е твърде студен; и Венера, която атмосферата е твърде гъста и твърде гореща. Във външната Слънчева система лунният титан на Сатурн продължава да ни заинтригува, главно заради необичайната атмосфера. Като единственото тяло с богата на азот атмосфера освен Земята, това е и единствената известна планета, където се извършва пренос на течност между повърхността и атмосферата - макар и с нефтохимикали вместо вода.
Нещо повече, мисията на НАСА Juno ще прекара следващите две години в изследване на собственото магнитно поле и атмосфера на Юпитер. Тази информация ще ни разкаже много за най-голямата планета на Слънчевата система, но също така се надяваме да хвърли малко светлина върху историческото планетарно образуване в Слънчевата система.
През последните петнадесет години Клъстер успя да каже на астрономите много за това как атмосферата на Земята взаимодейства със слънчевия вятър и е помогнал за изследване на явленията на магнитното поле, които едва сега започваме да разбираме. И макар да се научи много повече, учените са съгласни, че това, което е разкрито досега, би било невъзможно без мисия като Клъстер.
