Itt, a Földön, szerencsések vagyunk, hogy életképes légkörünk van, amelyet a Föld magnetoszféra véd. E védőburkolat nélkül a felszínen lévő életet a Nap káros sugárzása bombázná. A Föld felső légköre azonban továbbra is lassan szivárog, napi körülbelül 90 tonna anyag menekülve a felső légkörből, és az űrbe áramlik.
És bár a csillagászok egy ideje vizsgálják ezt a szivárgást, még mindig sok megválaszolatlan kérdés van. Például, mennyi anyagot veszítünk el az űrben, milyen típusú, és hogyan hat kölcsönhatásba a napsugárral a mágneses környezetünk befolyásolására? Ez az Európai Űrügynökség Cluster projektjének célja, amely négy azonos űrhajó sorozatát képezi, amelyek az elmúlt 15 évben a Föld mágneses környezetét mérték.
Ahhoz, hogy megértsük légkörünk és a napszél közötti kölcsönhatást, először meg kell értenünk, hogyan működik a Föld mágneses tere. Először is, ez a bolygónk belsejéből nyúlik ki (és úgy gondolják, hogy a magban lévő dinamóhatás eredménye), és egészen az űrbe jut. Ezt a térrégiót, amelyre mágneses mezőnk befolyásolja, magnetoszférának nevezzük.
Ennek a magnetoszféranek a belső részét plazmagömbnek nevezzük, egy fánk alakú régiónak, amely körülbelül 20 000 km-re fekszik a Földtől és együtt forog. A magnetoszférát töltött részecskék és ionok is elárasztják, amelyek becsapódnak, majd oda-vissza ugrálnak a régió terepi vonalai mentén.
Előre, a Nap felé néző szélén a magnetoszféra megfelel a napszélnek - a töltött részecskék áramlása, amely a Napból az űrbe áramlik. Az a hely, ahol kapcsolatba lépnek, az úgynevezett „íj sokk”, amelyet úgy hívják, mert a mágneses mező vonalai kényszerítik a szél szélét egy íj formájára, amikor áthaladnak körülöttünk és körülöttünk.
Amint a napszél áthalad a Föld magnetoszféráján, újra összejön a bolygónk mögött, hogy mágneses farkot képezzen - egy hosszúkás csövet, amely csapdába ejtett plazmalemezeket és kölcsönhatásban lévő mezővonalakat tartalmaz. E védőburok nélkül a Föld légkörét milliárd évvel ezelőtt lassan eltávolították volna, és ez a sors most úgy vélte, hogy a Mars megtörtént.
Ennek ellenére a Föld mágneses tere nem pontosan hermetikusan zárt. Például bolygónk pólusain a mezővonalak nyitottak, amelyek lehetővé teszik, hogy a napelemes részecskék belépjenek és energiás részecskékkel megtöltsék magnetoszféránkat. Ez a folyamat felelős Aurora Borealis és Aurora Australis (más néven: északi és déli fények )ért.
Ugyanakkor a Föld felső légköréből (az ionoszférából) származó részecskék ugyanúgy elmenekülhetnek, feljuthatnak a pólusokon keresztül, és elveszhetnek az űrbe. Annak ellenére, hogy sokat megtudtunk a Föld mágneses tereiről és arról, hogy a plazma miként alakul ki a különböző részecskékkel való kölcsönhatás során, az egész folyamatról egészen egészen a közelmúltig nem volt világos.
Amint Arnaud Masson, az ESA klaszter-misszió projekthelyettesének tudósítója kijelentette egy ESA sajtóközleményében:
“A plazma szállítás és a légköri veszteség kérdése mind a bolygók, mind a csillagok szempontjából releváns, és hihetetlenül izgalmas és fontos téma. A légköri anyag kijutásának megértése elengedhetetlen ahhoz, hogy megértsük, hogyan fejlődik az élet egy bolygón. A bejövő és a kimenő anyag kölcsönhatása a Föld magnetoszférájában jelenleg forró téma; pontosan honnan származik ez a cucc? Hogyan került be a hely patch-be?“
Tekintettel arra, hogy légkörünk 5 milliárd tonna anyagot tartalmaz (ez 5x1015, vagyis 5 000 000 milliárd tonnát), a napi 90 tonnás veszteség nem jelent sokat. Ez a szám azonban nem tartalmazza a rendszeresen hozzáadott „hideg ionok” tömegét. Ezt a kifejezést általában azoknak a hidrogénionoknak a leírására használják, amelyekről most már tudjuk, hogy rendszeresen elvesznek a magnetoszféra számára (oxigén- és héliumionokkal együtt).
Mivel a hidrogénnek kevesebb energiára van szükség a légkörünk elhagyásához, az ionok, amelyek akkor keletkeznek, ha ez a hidrogén a plazmaszféra részévé válik, szintén alacsony energiával rendelkeznek. Ennek eredményeként ezeket a múltban nagyon nehéz volt felismerni. Sőt, a tudósok csak néhány évtizeden keresztül tudtak erről az oxigén-, hidrogén- és héliumion-áramlásáról - amelyek a Föld sarkvidékeiből származnak és a magnetoszférában feltöltik a plazmát.
Ezt megelőzően a tudósok úgy gondolták, hogy önmagában a napszemcsék felelősek a plazmaért a Föld magnetoszférájában. Az utóbbi években azonban megértették, hogy két másik forrás hozzájárul a plazmagömbhöz. Az első a szóban forgó plazma „daganata”, amely a plazmagömbön belül növekszik és kifelé halad a magnetoszféra széle felé, ahol kölcsönhatásba lépnek a másik irányba érkező napsugárzással.
A másik forrás? A fent említett légköri szivárgás. Míg ez bőséges oxigén-, hélium- és hidrogénionokból áll, úgy tűnik, hogy a hideg hidrogén-ionok játszják a legfontosabb szerepet. Nem csak jelentős mennyiségű anyagot képviselnek az űrben elveszett anyagként, és kulcsszerepet játszhatnak a mágneses környezetünk alakításában. Ráadásul a jelenleg a Föld körül keringő műholdak többsége nem képes felismerni a keverékhez hozzáadott hideg ionokat, amit a klaszter képes megtenni.
2009-ben és 2013-ban a Klaszter szondák képesek voltak jellemezni erősségüket, valamint a plazma más forrásainak erősségét a Föld magnetoszférájához. Ha csak a hideg ionokat vesszük figyelembe, akkor a térben elvesztett légkör évente több ezer tonna. Röviden, olyan, mintha elveszíti a zoknit. Nem nagy ügy, de szeretné tudni, hogy merre tartanak, ugye?
Ez volt a Cluster misszió másik fókuszpontja, amely az elmúlt másfél évtizedben megpróbálta feltárni, hogy ezek az ionok elvesznek, honnan származnak és hasonlók. Mint Philippe Escoubet, az ESA klaszter-missziójának tudósa, elmondta:
“Lényegében ki kell találnunk, hogy a hideg plazma hogyan végződik a mágneses szünetnél. Ehhez néhány különféle szempont van; tudnunk kell az ott történő szállítás folyamatait, hogy ezek a folyamatok hogyan függenek a dinamikus napenergia szélétől és a magnetoszféra körülményeitől, és honnan származik elsősorban a plazma - származik-e az ionoszférában, a plazmaszférában vagy valahol máshol?“
Ennek megértésének okai világosak. A nagy energiájú részecskék, általában napsugárzás formájában, veszélyt jelentenek az űrben működő technológiára. Ezen túlmenően az is fontos, hogy megértsük, hogyan működik légkörünk és a napsugár, mint általában az űrkutatás. Fontolja meg jelenlegi erőfeszítéseinket annak érdekében, hogy az élet a saját bolygónkon túl a Naprendszerben helyezkedjen el. Ha van egy dolog, amelyet a közeli bolygókra tett évtizedes küldetések tanítottak nekünk, akkor az, hogy a bolygó légköre és a mágneses környezet döntő jelentőségű a lakhatóság szempontjából.
A Föld közvetlen közelében erre két példa van: Mars, amelynek légköre vékony és túl hideg; és a Vénusz, akinek a légköre túl sűrű és túl meleg. A külső Naprendszerben a Szaturnusz holdi Titánja továbbra is intrikál bennünket, főként a szokatlan légkör miatt. Mivel az egyetlen test a nitrogénben gazdag légkörrel rendelkezik a Földön kívül, ez az egyetlen ismert bolygó, ahol a folyadék átadódik a felület és a légkör között - bár petrolkémiai anyagokkal, a víz helyett.
Ezenkívül a NASA Juno missziója a következő két évet Jupiter saját mágneses mezőjének és légkörének feltárására tölti. Ez az információ sokat fog mondani nekünk a Naprendszer legnagyobb bolygójáról, ám reméljük, hogy rávilágít a Naprendszer bolygóképződésének története is.
Az elmúlt tizenöt évben a Cluster sokat tudott elmondani a csillagászoknak arról, hogy a Föld légköre hogyan hat a napsugárra, és segített feltárni azokat a mágneses mező jelenségeket, amelyeket csak megértettünk. És bár még sok mindent meg kell tanulni, a tudósok egyetértenek abban, hogy az eddig felfedezett lehetetlen lehetetlen lett volna egy olyan misszió nélkül, mint Cluster.
