Ми овде на Земљи имамо срећу да имамо одрживу атмосферу, ону која је заштићена магнетосфером Земље. Без ове заштитне овојнице, живот на површини би био бомбардиран штетним зрачењем које излази из Сунца. Међутим, Земљина горња атмосфера и даље полако цури, при чему око 90 тона материјала дневно излази из горње атмосфере и струји у свемир.
И иако астрономи истражују ово цурење већ неко време, још увек постоји много неодговорених питања. На пример, колико материјала се губи у свемиру, које врсте и како то утиче на соларни ветар да утиче на наше магнетно окружење? То је била сврха пројекта кластера Европске свемирске агенције, серије од четири идентичне свемирске летелице које су последњих 15 година мериле магнетно окружење Земље.
Разумевање интеракције наше атмосфере са соларним ветром прво захтева да схватимо како делује магнетно поље Земље. За почетак се простире из унутрашњости наше планете (а верује се да је резултат динамо ефекта у језгри) и допире све до свемира. Ова област простора, на коју наше магнетно поље врши утицај, позната је као магнетосфера.
Унутрашњи део ове магнетосфере назива се плазмасфера, регија у облику крофне која се протеже на удаљености од око 20 000 км од Земље и заједно се ротира са њом. Магнетосфера је такође преплављена наелектрисаним честицама и јонима који су унутра заробљени, а затим се шаљу напријед и назад дуж поља поља.
На својој предњој ивици окренутој сунцу магнетосфера се сусреће са соларним ветром - струјом наелектрисаних честица које струје са Сунца у свемир. Место на коме успостављају контакт познато је под називом "Бов Схоцк", тако је названо зато што његове линије магнетног поља присиљавају соларни ветар да поприми облик прамца док пролазе изнад нас и око нас.
Док соларни ветар пролази преко магнетосфере Земље, он се поново састаје иза наше планете и формира магнетотаил - издужену цев која садржи заробљене листове плазме и интерактивне линије поља. Без ове заштитне овојнице Земљина атмосфера би се полако одвлачила пре неколико милијарди година, што је судбина за коју се верује да је погодила Марс.
Како је речено, магнетно поље Земље није баш херметички затворено. На пример, на половима наше планете, поља поља су отворене, што омогућава соларним честицама да уђу и испуне нашу магнетосферу енергетским честицама. Овај процес је одговоран за Аурора Бореалис и Аурора Аустралис (ака Сјеверно и Јужно свјетло).
У исто време, честице из Земљине горње атмосфере (ионосфере) могу избећи на исти начин, путујући горе кроз полове и изгубити се у свемиру. Упркос томе што смо сазнали много о магнетним пољима Земље и како се плазма формира кроз интеракцију са разним честицама, много тога о целом процесу није било сасвим јасно тек недавно.
Као Арнауд Массон, замјеник ЕСА-е пројекта за мисију кластера у изјави за ЕСА:
“Питање транспорта плазме и атмосферских губитака је релевантно и за планете и за звезде и тема је невероватно фасцинантна и важна. Разумевање изласка атмосферске материје је пресудно за разумевање начина на који се живот може развити на планети. Интеракција између долазног и одлазног материјала у магнетосфери Земље је тренутно врућа тема; одакле тачно долазе ове ствари? Како је ушао у наш простор?“
С обзиром да наша атмосфера садржи 5 квадратних милијарди тона материје (то је 5 к 1015, или 5.000.000 милијарди тона), губитак од 90 тона на дан не представља пуно. Међутим, у овај број није укључена маса „хладних јона“ који се редовно додају. Овај израз се обично користи за описивање водоничних јона за које сада знамо да се редовно губе у магнетосфери (заједно са јонима кисеоника и хелијума).
Пошто је водонику потребно мање енергије да би изашло из наше атмосфере, јони који настају када овај водоник постане део плазмасфере такође имају ниску енергију. Као резултат тога, њих је у прошлости било врло тешко открити. Штавише, научници само знају за овај проток јона кисеоника, водоника и хелијума - који долазе из земаљских поларних региона и пуне плазму у магнетосфери - већ неколико деценија.
Пре тога, научници су веровали да су само соларне честице одговорне за плазму у магнетосфери Земље. Али у последњим годинама схватили су да још два извора доприносе плазмасфери. Први су спорадични "плинови" плазме који расту унутар плазмасфере и путују према крају ивице магнетосфере, где комуницирају са плазмом соларног ветра и долазе супротним путем.
Други извор? Поменута цурења атмосфере. Док се ово састоји од обилног јона кисеоника, хелијума и водоника, изгледа да иони хладног водоника играју најважнију улогу. Не само што представљају значајну количину материје изгубљене у свемиру и могу играти кључну улогу у обликовању нашег магнетног окружења. Штавише, већина сателита који тренутно круже око Земље нису у стању да детектују хладне јоне који се додају у мешавину, што је Клустер у стању да уради.
У 2009. и 2013. години кластерске сонде су могле да карактеришу њихову снагу, као и остале изворе плазме који се додају у магнетосферу Земље. Када се узму у обзир само хладни јони, количина атмосфере која се губи из простора износи неколико хиљада тона годишње. Укратко, то је попут губљења чарапа. Није велика ствар, али желите да знате куда иду, зар не?
Ово је још једно подручје фокусирања мисије кластера, које последњу деценију и по покушавају да истраже како се ови јони губе, одакле долазе и слично. Као што је Пхилиппе Есцоубет, ЕСА-ин научник за мисију кластера, истакао:
“У суштини, морамо да схватимо како хладна плазма завршава током магнетопаузе. Постоји неколико различитих аспеката тога; морамо знати процесе који су укључени у његово преношење тамо, како ти процеси зависе од динамичког соларног ветра и услова магнетосфере и одакле плазма долази, пре свега, да ли потиче из ионосфере, плазмасфере или негде другде?“
Разлози за то су јасни. Честице високе енергије, обично у облику сунчевих бљескова, могу представљати опасност за свемирску технологију. Поред тога, разумевање начина на који наша атмосфера делује са соларним ветром такође је корисно када је реч о истраживању свемира уопште. Размислите о нашим тренутним напорима да лоцирамо живот изван властите планете у Сунчевом систему. Ако постоји једна ствар којој су нас учили деценијама мисије на оближње планете, то је да су атмосфера и магнетно окружење планете пресудни за одређивање животне вести.
У непосредној близини Земље постоје два примера тога: Марс, који има танку атмосферу и је превише хладан; и Венера, која је атмосфера сувише густа и претопла. У спољњем Сунчевом систему Сатурнов Месец Титан и даље нас интригира, углавном због необичне атмосфере. Као једино тело са атмосфером богатом азотом поред Земље, то је и једина позната планета на којој се одвија течност између површине и атмосфере - иако са петрохемијским средствима уместо воде.
Штавише, НАСА-ина мисија Јуно провешће наредне две године истражујући Јупитерово магнетно поље и атмосферу. Ове информације ће нам рећи много о највећој планети Сунчевог система, али се такође нада да ће осветлити нешто о формирању планетарне историје у Сунчевом систему.
У последњих петнаест година, Кластер је био у стању да астрономима много говори о томе како Земљина атмосфера утиче на соларни ветар и да је помогао у истраживању појава магнетног поља које смо тек почели да разумемо. И док се мора још много тога научити, научници се слажу да би оно што је досад откривено било немогуће без мисије попут Кластера.
