Mi ovdje na Zemlji imamo sreću da imamo održivu atmosferu koja je zaštićena magnetosferom Zemlje. Bez ove zaštitne ovojnice život na površini bio bi bombardiran štetnim zračenjem koje proizlazi iz Sunca. Međutim, Zemljina gornja atmosfera i dalje polako curi, pri čemu oko 90 tona materijala dnevno izlazi iz gornje atmosfere i struji u svemir.
I iako astronomi istražuju to curenje već neko vrijeme, još uvijek postoji mnogo neodgovorenih pitanja. Na primjer, koliko materijala se gubi u svemiru, koje vrste i kako to utječe na solarni vjetar kako bi utjecalo na naše magnetsko okruženje? To je bila svrha projekta klastera Europske svemirske agencije, serije od četiri identične svemirske letjelice koje su mjerile zemljino magnetsko okruženje posljednjih 15 godina.
Razumijevanje interakcije naše atmosfere sa solarnim vjetrom prvo zahtijeva razumijevanje načina rada Zemljinog magnetskog polja. Za početak se prostire iz unutrašnjosti našeg planeta (a vjeruje se da je rezultat dinamovog učinka u jezgri) i dopire sve do svemira. Ovo područje prostora, na koje naše magnetsko polje vrši utjecaj, poznato je kao magnetosfera.
Unutarnji dio ove magnetosfere naziva se plazmasfera, regija u obliku krafne koja se proteže na udaljenosti od oko 20 000 km od Zemlje i zajedno se rotira s njom. Magnetosfera je također preplavljena napunjenim česticama i ionima koji su unutra zarobljeni, a zatim se šalju naprijed i nazad duž poljanih linija.
Na svojoj rubu okrenutoj prema Suncu magnetosfera se susreće sa sunčevim vjetrom - strujom nabijenih čestica koja teče sa Sunca u svemir. Mjesto na kojem uspostavljaju kontakt poznato je pod nazivom "Bow Shock", tako je nazvano zato što njegove linije magnetskog polja prisiljavaju solarni vjetar da poprimi oblik pramca dok prolaze iznad nas i oko nas.
Dok solarni vjetar prolazi iznad Zemljine magnetosfere, ponovno se okuplja iza našeg planeta i tvori magnetotail - izduženu cijev koja sadrži zarobljene listove plazme i interaktivne linije polja. Bez ove zaštitne ovojnice Zemljina atmosfera bi se polako uklanjala prije nekoliko milijardi godina, što je sudbina za koju se sada vjeruje da je pogodila Mars.
Kako se kaže, Zemljino magnetsko polje nije baš hermetički zatvoreno. Na primjer, na polovima našeg planeta otvorene su polja polja što omogućava solarnim česticama da uđu i ispune našu magnetosferu energetskim česticama. U ovom su procesu odgovorni Aurora Borealis i Aurora Australis (aka. Sjeverno i Južno svjetlo).
U isto vrijeme, čestice iz Zemljine gornje atmosfere (ionosfere) mogu pobjeći istim putem, putujući gore kroz polove i izgubiti se u svemiru. Unatoč tome što smo puno naučili o Zemljinim magnetskim poljima i kako se plazma formira kroz interakciju s raznim česticama, mnogo toga o cijelom procesu bilo je tek nedavno.
Kao Arnaud Masson, zamjenik ESA-jevog znanstvenog projekta za misiju klastera u izjavi za ESA-u izjavio je:
“Pitanje transporta plazme i gubitka atmosfere važno je i za planete i za zvijezde i nevjerojatno je fascinantna i važna tema. Razumijevanje izlaska atmosferske materije je presudno za razumijevanje načina na koji se život može razvijati na planeti. Interakcija između dolaznog i odlaznog materijala u magnetosferi Zemlje trenutno je vruća tema; odakle tačno dolaze stvari? Kako je ušao u naš prostor?“
S obzirom da naša atmosfera sadrži 5 kvadratnih tona materije (to je 5 x 1015, ili 5.000.000 milijardi tona), gubitak od 90 tona na dan ne predstavlja puno. Međutim, u ovaj broj nije uključena masa "hladnih iona" koji se redovito dodaju. Ovaj se izraz obično koristi za opisivanje vodikovih iona za koje znamo da se redovito gube u magnetosferi (zajedno s ionima kisika i helija).
Kako je vodiku potrebno manje energije da bi izašlo iz naše atmosfere, ioni koji su stvoreni nakon što taj vodik postane dio plazmasfere također imaju nisku energiju. Kao rezultat toga, u prošlosti ih je bilo vrlo teško otkriti. Štoviše, znanstvenici o ovom protoku kisika, vodika i helijevih iona znaju - koji dolaze iz Zemljinih polarnih regija i nadopunjuju plazmu u magnetosferi - već nekoliko desetljeća.
Prije toga, znanstvenici su vjerovali da su samo solarne čestice odgovorne za plazmu u magnetosferi Zemlje. No, u novijim godinama shvatili su da još dva izvora doprinose plazmasferi. Prvi su sporadični "plinovi" plazme koji rastu unutar plazmasfere i putuju prema rubu magnetosfere gdje djeluju drugačije s plazmom solarnog vjetra.
Drugi izvor? Spomenuto istjecanje atmosfere. Iako se to sastoji od obilnih kisika, helija i vodikovih iona, čini se da ioni hladnog vodika imaju najvažniju ulogu. Oni ne samo što predstavljaju značajnu količinu materije izgubljene u svemiru i mogu igrati ključnu ulogu u oblikovanju našeg magnetskog okruženja. Štoviše, većina satelita koji trenutno kruže oko Zemlje nisu u stanju otkriti hladne ione koji se dodaju u mješavinu, što je Cluster u mogućnosti učiniti.
U 2009. i 2013. godini klasterske sonde bile su u stanju karakterizirati njihovu snagu, kao i snagu drugih izvora plazme koji se dodaju u magnetosferu Zemlje. Kad se uzmu u obzir samo hladni ioni, količina atmosfere koja se gubi u prostoru iznosi nekoliko tisuća tona godišnje. Ukratko, to je poput gubljenja čarapa. Nije velika stvar, ali želite znati kamo idu, zar ne?
To je još jedno područje fokusiranja misije klastera, koje već desetljeće i pol pokušava istražiti kako se ti ioni gube, odakle potječu i slično. Kao što je rekao Philippe Escoubet, ESA-in znanstvenik za misiju klastera:
“U osnovi, trebamo shvatiti kako hladna plazma završava u magnetopauzi. Postoji nekoliko različitih aspekata toga; moramo znati procese koji su uključeni u njegovo prenošenje tamo, kako ti procesi ovise o dinamičkom sunčevom vjetru i uvjetima magnetosfere i odakle plazma dolazi u prvom redu - potječe li iz ionosfere, plazmasfere ili negdje drugdje?“
Razlozi za razumijevanje toga su jasni. Čestice visoke energije, obično u obliku sunčevih bljeskova, mogu predstavljati prijetnju svemirskoj tehnologiji. Osim toga, razumijevanje interakcije naše atmosfere sa solarnim vjetrom korisno je i kada je u pitanju istraživanje svemira. Razmislite o našim trenutnim naporima da lociramo život izvan našeg vlastitog planeta u Sunčevom sustavu. Ako postoji jedna stvar kojoj su nas učili desetljećima misije na obližnje planete, to je da su atmosfera i magnetsko okruženje planeta ključni u određivanju naseljenosti.
U neposrednoj blizini Zemlje postoje dva primjera toga: Mars, koji ima tanku atmosferu i previše je hladan; i Venera, koja je atmosfera suviše gusta i pretopla. U vanjskom Sunčevom sustavu Saturnov mjesec Titan i dalje nas intrigira, uglavnom zbog neobične atmosfere. Kao jedino tijelo s atmosferom bogatom dušikom osim Zemlje, to je i jedini poznati planet na kojem se odvija tekućina između površine i atmosfere - iako s petrokemijskim sastojcima umjesto vodom.
Nadalje, NASA-ina misija Juno provest će sljedeće dvije godine istražujući Jupiterovo magnetsko polje i atmosferu. Te će nam informacije mnogo reći o najvećem planetu Sunčevog sustava, ali također se nada da će osvijetliti planetarnu formaciju povijesti u Sunčevom sustavu.
U posljednjih petnaestak godina, Klaster je mogao astronomima mnogo reći o tome kako Zemljina atmosfera utječe na solarni vjetar i pomogao je u istraživanju pojava magnetskog polja koje tek počinjemo razumijevati. I dok se mora još puno toga naučiti, znanstvenici se slažu da bi ono što je dosad otkriveno bilo nemoguće bez misije poput Clustera.
