Noi aici, pe Pământ, avem norocul că avem o atmosferă viabilă, protejată de magnetosfera Pământului. Fără acest înveliș protector, viața la suprafață ar fi bombardată de radiații nocive emanate de Soare. Cu toate acestea, atmosfera superioară a Pământului se scurge încet, cu aproximativ 90 de tone de material pe zi scăpând din atmosfera superioară și curgând în spațiu.
Și deși astronomii investighează această scurgere de ceva timp, există încă multe întrebări fără răspuns. De exemplu, cât de mult se pierde material în spațiu, ce feluri și cum interacționează acest lucru cu vântul solar pentru a influența mediul nostru magnetic? Acesta a fost scopul proiectului Cluster al Agenției Spațiale Europene, o serie de patru nave spațiale identice, care au măsurat mediul magnetic al Pământului în ultimii 15 ani.
Înțelegerea interacțiunii atmosferei noastre cu vântul solar necesită mai întâi să înțelegem cum funcționează câmpul magnetic al Pământului. Pentru început, se extinde din interiorul planetei noastre (și se crede că este rezultatul unui efect dinamo în miez) și ajunge până la capăt în spațiu. Această regiune a spațiului, pe care câmpul nostru magnetic o exercită este cunoscută sub numele de magnetosferă.
Porțiunea interioară a acestei magnetosfera se numește plasmasfera, o regiune în formă de gogoașă care se extinde pe o distanță de aproximativ 20.000 km de Pământ și co-rotează cu ea. Magnetosfera este, de asemenea, inundată cu particule încărcate și ioni care sunt prinși în interior și apoi sunt trimiși înapoi și înapoi de-a lungul liniilor de câmp din regiune.
La marginea sa îndreptată spre Soare, magnetosfera întâlnește vântul solar - un flux de particule încărcate care curge de la Soare în spațiu. Locul în care intră în contact este cunoscut sub numele de „șocul cu arc”, care este numit așa, deoarece liniile sale de câmp magnetic obligă vântul solar să ia forma unui arc pe măsură ce trec pe lângă noi și în jurul nostru.
Pe măsură ce vântul solar trece peste magnetosfera Pământului, se reuneste din nou în spatele planetei noastre pentru a forma un magnetotail - un tub alungit care conține foi de plasmă prinse și linii de câmp care interacționează. Fără acest plic protector, atmosfera Pământului ar fi fost dezbrăcată încet miliarde de ani în urmă, o soartă despre care se crede că s-a produs acum pe Marte.
Acestea fiind spuse, câmpul magnetic al Pământului nu este închis ermetic. De exemplu, la stâlpii planetei noastre, liniile de câmp sunt deschise, ceea ce permite particulelor solare să intre și să umple magnetosfera noastră cu particule energetice. Acest proces este ceea ce este responsabil pentru Aurora Borealis și Aurora Australis (de asemenea, Luminile de Nord și de Sud).
În același timp, particulele din atmosfera superioară a Pământului (ionosfera) pot scăpa în același mod, călătorind prin stâlpi și pierzându-se în spațiu. În ciuda faptului că am aflat multe despre câmpurile magnetice ale Pământului și despre modul în care plasma se formează prin interacțiunea sa cu diverse particule, multe despre întregul proces nu a fost clar până de curând.
După cum a declarat Arnaud Masson, cercetătorul adjunct al proiectului ESA pentru misiunea Cluster, a declarat într-un comunicat de presă al ESA:
“Problema transportului cu plasmă și a pierderilor atmosferice este relevantă atât pentru planete, cât și pentru stele și este un subiect incredibil de fascinant și important. Înțelegerea modului în care scapă materia atmosferică este crucială pentru a înțelege modul în care viața se poate dezvolta pe o planetă. Interacțiunea dintre materialul care intră și cel care iese în magnetosfera Pământului este un subiect fierbinte în acest moment; de unde vine exact chestia asta? Cum a intrat în patch-ul nostru de spațiu?“
Având în vedere că atmosfera noastră conține 5 sferturi de tone de materie (adică 5 x 10)15sau 5.000.000 de miliarde de tone), o pierdere de 90 de tone pe zi nu înseamnă mult. Cu toate acestea, acest număr nu include masa „ionilor reci” care sunt adăugate în mod regulat. Acest termen este de obicei utilizat pentru a descrie ionii de hidrogen despre care știm acum că sunt pierduți în magnetosferă în mod regulat (împreună cu ionii de oxigen și heliu).
Deoarece hidrogenul necesită mai puțină energie pentru a scăpa de atmosfera noastră, ionii care sunt creați odată ce acest hidrogen devine parte a plasmasferei au și energie redusă. Drept urmare, acestea au fost foarte dificil de detectat în trecut. Mai mult, oamenii de știință nu au știut decât despre acest flux de ioni de oxigen, hidrogen și heliu - care provin din regiunile polare ale Pământului și care reumpleu plasma în magnetosferă - de câteva decenii.
Înainte de aceasta, oamenii de știință au considerat că singurele particule solare erau responsabile de plasmă în magnetosfera Pământului. Dar în ultimii ani, au ajuns să înțeleagă că alte două surse contribuie la plasmasferă. Primele sunt „plumbe” sporadice de plasmă care cresc în plasmasferă și se deplasează spre exterior spre marginea magnetosferei, unde interacționează cu plasma solară a vântului, în sens invers.
Cealaltă sursă? Scurgerea atmosferică menționată anterior. În timp ce acesta este format din ioni oxigen abundenți, heliu și hidrogen, ionii reci de hidrogen par să joace cel mai important rol. Ele constituie nu numai o cantitate semnificativă de materie pierdută în spațiu și pot juca un rol cheie în conturarea mediului nostru magnetic. Ba mai mult, majoritatea sateliților care orbitează în prezent pe Pământ nu sunt în măsură să detecteze ioni reci adăugați la mix, lucru pe care Cluster este capabil să îl facă.
În 2009 și în 2013, sondele Cluster au putut să-și caracterizeze puterea, precum și cea a altor surse de plasmă adăugate la magnetosfera Pământului. Când se iau în considerare doar ionii reci, cantitatea de atmosferă pierdută o spațiu se ridică la câteva mii de tone pe an. Pe scurt, este ca pierderea șosetelor. Nu este mare lucru, dar ai vrea să știi unde merg, nu?
Acesta a fost un alt domeniu de concentrare pentru misiunea Cluster, care în ultimul deceniu și jumătate a încercat să exploreze modul în care acești ioni se pierd, de unde provin, și altele asemenea. În calitate de Philippe Escoubet, savantul de proiect al ESA pentru misiunea Cluster, a spus:
“În esență, trebuie să ne dăm seama cum sfârșește plasma rece la magnetopauză. Există câteva aspecte diferite în acest sens; trebuie să cunoaștem procesele implicate în transportul acolo, modul în care aceste procese depind de vântul solar dinamic și de condițiile magnetosferei și de unde provine plasma în primul rând - își are originea în ionosferă, plasmasferă sau altundeva?“
Motivele pentru înțelegerea acestui lucru sunt clare. Particulele cu energie ridicată, de obicei sub formă de raze solare, pot reprezenta o amenințare pentru tehnologia spațială. În plus, înțelegerea modului în care atmosfera noastră interacționează cu vântul solar este utilă și în cazul explorării spațiale în general. Luați în considerare eforturile noastre actuale de a localiza viața dincolo de propria planetă în Sistemul Solar. Dacă există un lucru pe care ni l-a învățat zeci de misiuni în planetele din apropiere, este aceea că atmosfera și mediul magnetic al unei planete sunt cruciale pentru determinarea locuinței.
În apropierea Pământului, există două exemple în acest sens: Marte, care are o atmosferă subțire și este prea rece; și Venus, care este atmosfera prea densă și mult prea caldă. În sistemul solar exterior, Titanul lunii lui Saturn continuă să ne intrige, în principal din cauza atmosferei neobișnuite. Fiind singurul corp cu o atmosferă bogată în azot în afară de Pământ, este, de asemenea, singura planetă cunoscută unde transferul de lichid are loc între suprafață și atmosferă - deși cu produse petrochimice în loc de apă.
Mai mult, misiunea Juno a NASA va petrece următorii doi ani în explorarea propriului câmp magnetic și atmosferă a lui Jupiter. Aceste informații ne vor spune multe despre cea mai mare planetă a Sistemului Solar, dar este de asemenea sperat să arunce o lumină asupra istoriei formării planetare în Sistemul Solar.
În ultimii cincisprezece ani, Cluster a reușit să le spună astronomilor o mare parte despre modul în care atmosfera Pământului interacționează cu vântul solar și a ajutat la explorarea fenomenelor câmpului magnetic pe care abia am început să le înțelegem. Și deși mai sunt multe de învățat, oamenii de știință sunt de acord că ceea ce a fost descoperit până acum ar fi fost imposibil fără o misiune precum Cluster.
