Vi här på jorden har turen att vi har en livskraftig atmosfär, en som är skyddad av jordens magnetosfär. Utan detta skyddande hölje skulle livet på ytan bombarderas av skadlig strålning från solen. Jordens övre atmosfär läcker dock fortfarande långsamt, med cirka 90 ton material per dag som flyr från den övre atmosfären och strömmar ut i rymden.
Och även om astronomer har undersökt detta läckage under en tid, finns det fortfarande många obesvarade frågor. Till exempel, hur mycket material som går förlorat i rymden, vilka slag och hur interagerar detta med solvind för att påverka vår magnetiska miljö? Sådant har varit syftet med Europeiska rymdorganisationens klusterprojekt, en serie av fyra identiska rymdfarkoster som har mätt jordens magnetiska miljö under de senaste 15 åren.
Att förstå atmosfärens interaktion med solvind kräver först att vi förstår hur jordens magnetfält fungerar. Till att börja med sträcker sig det från det inre av vår planet (och tros vara resultatet av en dynamoeffekt i kärnan) och når hela vägen ut i rymden. Detta område i rymden, som vårt magnetfält utövar inflytande över, kallas magnetosfären.
Den inre delen av denna magnetosfär kallas plasmasfären, en munkformad region som sträcker sig till ett avstånd av cirka 20 000 km från jorden och samroterar med den. Magnetosfären översvämmas också med laddade partiklar och joner som fångas inuti och sedan skickas studsande fram och tillbaka längs regionens fältlinjer.
Vid sin främre, mot solen vända kant, möter magnetosfären solvinden - en ström av laddade partiklar som strömmar från solen ut i rymden. Platsen där de tar kontakt kallas "Bow Shock", som kallas för att dess magnetfältlinjer tvingar solvind att ta formen av en båge när de passerar över och runt oss.
När solvinden passerar över jordens magnetosfär, samlas den igen bakom vår planet för att bilda en magnetögel - ett långsträckt rör som innehåller fångade plastskivor och samverkande fältlinjer. Utan detta skyddande hölje skulle jordens atmosfär långsamt ha tagits bort för miljarder år sedan, ett öde som nu tros ha fallit Mars.
Med det sagt är jordens magnetfält inte exakt hermetiskt tätat. Till exempel, på vår planets poler, är fältlinjerna öppna, vilket gör att solpartiklar kan komma in och fylla vår magnetosfär med energiska partiklar. Denna process är det som är ansvarig för Aurora Borealis och Aurora Australis (även nord- och sydljus).
Samtidigt kan partiklar från jordens övre atmosfär (jonosfären) fly undan på samma sätt, resa upp genom polerna och gå förlorade i rymden. Trots att man lär sig mycket om jordens magnetfält och hur plasma bildas genom dess interaktion med olika partiklar, har mycket om hela processen varit oklar tills ganska nyligen.
Som Arnaud Masson uttalade ESA: s vice projektforskare för klusteruppdraget i ett ESA: s pressmeddelande:
“Frågan om plasmatransport och atmosfärisk förlust är relevant för både planeter och stjärnor och är ett otroligt fascinerande och viktigt ämne. Att förstå hur atmosfärisk materie flyr är avgörande för att förstå hur livet kan utvecklas på en planet. Interaktionen mellan inkommande och utgående material i jordens magnetosfär är ett hett ämne för tillfället; var kommer exakt dessa saker ifrån? Hur kom det in i vårt utrymme?“
Med tanke på att vår atmosfär innehåller 5 kvadriljon ton materia (det är 5 x 1015, eller 5 000 000 000 000 ton), en förlust på 90 ton per dag uppgår inte till mycket. Detta nummer inkluderar dock inte massan av "kalla joner" som regelbundet läggs till. Denna term används vanligtvis för att beskriva vätejonerna som vi nu vet förlorar till magnetosfären regelbundet (tillsammans med syre- och heliumjoner).
Eftersom väte kräver mindre energi för att undkomma vår atmosfär, har jonerna som skapas när detta väte blir en del av plasmasfären också låg energi. Som ett resultat har de varit mycket svåra att upptäcka tidigare. Dessutom har forskare bara känt till detta flöde av syre, väte och heliumjoner - som kommer från jordens polära regioner och fyller på plasma i magnetosfären - under några decennier.
Före detta trodde forskare att solpartiklar ensamma var ansvariga för plasma i jordens magnetosfär. Men under senare år har de förstått att två andra källor bidrar till plasmasfären. De första är sporadiska "plummar" av plasma som växer inom plasmasfären och reser utåt mot kanten av magnetosfären, där de interagerar med solvindplasma som kommer åt andra hållet.
Den andra källan? Det nämnda atmosfäriska läckaget. Medan detta består av rikligt syre-, helium- och vätejoner, verkar de kalla vätejonerna spela den viktigaste rollen. De utgör inte bara en betydande mängd materia som går förlorad i rymden, och kan spela en nyckelroll för att utforma vår magnetiska miljö. Dessutom kan de flesta satelliter som för närvarande kretsar runt Jorden inte upptäcka de kalla jonerna som läggs till blandningen, något som Cluster kan göra.
Under 2009 och 2013 kunde klusterproberna känneteckna deras styrka, liksom de andra plasmakällorna som tillförs jordens magnetosfär. När bara de kalla jonerna beaktas uppgår mängden atmosfär som förloras o rymden till flera tusen ton per år. Kort sagt, det är som att förlora strumpor. Inte en stor sak, men du skulle vilja veta vart de ska, eller hur?
Detta har varit ett annat fokusområde för klusteruppdraget, som under det senaste halvt decenniet har försökt utforska hur dessa joner går förlorade, var de kommer ifrån och liknande. Som Philippe Escoubet, ESAs projektforskare för klusteruppdraget, uttryckte det:
“I huvudsak måste vi ta reda på hur kall plasma hamnar vid magnetopausen. Det finns några olika aspekter på detta; vi måste veta de processer som är involverade i att transportera den dit, hur dessa processer beror på den dynamiska solvinden och magnetosfärens förhållanden, och var plasma kommer från början - har det sitt ursprung i jonosfären, plasmasfären eller någonannanstans?“
Skälen för att förstå detta är tydliga. Högenergipartiklar, vanligtvis i form av solfällningar, kan utgöra ett hot mot rymdbaserad teknik. Att förstå hur vår atmosfär interagerar med solvind är också användbart när det gäller rymdutforskning i allmänhet. Tänk på våra nuvarande ansträngningar för att hitta livet bortom vår egen planet i solsystemet. Om det är en sak som decennier av uppdrag till närliggande planeter har lärt oss, är det att en planetens atmosfär och magnetiska miljö är avgörande för att fastställa bana.
I närheten av jorden finns det två exempel på detta: Mars, som har en tunn atmosfär och är för kallt; och Venus, som är för tät och alldeles för varm. I det yttre solsystemet fortsätter Saturns måne Titan att fascinera oss, främst på grund av den ovanliga atmosfären. Som den enda kroppen med en kväverik atmosfär förutom jorden är det också den enda kända planeten där vätskeöverföring sker mellan ytan och atmosfären - om än med petrokemikalier istället för vatten.
Dessutom kommer NASAs Juno-uppdrag att tillbringa de kommande två åren med att utforska Jupiters eget magnetfält och atmosfär. Denna information kommer att berätta mycket om solsystemets största planet, men det hoppas också att kasta lite ljus på den historiska planetformationen i solsystemet.
Under de senaste femton åren har Cluster kunnat berätta astronomer mycket om hur jordens atmosfär interagerar med solvind och har hjälpt till att utforska magnetfältfenomen som vi bara har börjat förstå. Och även om det finns mycket mer att lära sig, är forskare överens om att det som hittills har upptäckts skulle ha varit omöjligt utan ett uppdrag som Cluster.
