Εμείς εδώ στη Γη είμαστε τυχεροί που έχουμε μια βιώσιμη ατμόσφαιρα, που προστατεύεται από τη μαγνητόσφαιρα της Γης. Χωρίς αυτό το προστατευτικό περίβλημα, η ζωή στην επιφάνεια θα βομβαρδιζόταν από την επιβλαβή ακτινοβολία που προέρχεται από τον Ήλιο. Ωστόσο, η ανώτερη ατμόσφαιρα της Γης εξακολουθεί να διαρρέει αργά, με περίπου 90 τόνους υλικού την ημέρα να ξεφεύγουν από την ανώτερη ατμόσφαιρα και να ρέουν στο διάστημα.
Και παρόλο που οι αστρονόμοι ερευνούν αυτή τη διαρροή εδώ και αρκετό καιρό, εξακολουθούν να υπάρχουν πολλά αναπάντητα ερωτήματα. Για παράδειγμα, πόσο υλικό χάνεται στο διάστημα, τι είδους και πώς αυτό αλληλεπιδρά με τον ηλιακό άνεμο για να επηρεάσει το μαγνητικό μας περιβάλλον; Αυτός ήταν ο σκοπός της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος Cluster project , μια σειρά από τέσσερα πανομοιότυπα διαστημόπλοια που μετρούν το μαγνητικό περιβάλλον της Γης τα τελευταία 15 χρόνια.
Η κατανόηση της αλληλεπίδρασης της ατμόσφαιράς μας με τον ηλιακό άνεμο απαιτεί πρώτα να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί το μαγνητικό πεδίο της Γης. Για αρχή, εκτείνεται από το εσωτερικό του πλανήτη μας (και πιστεύεται ότι είναι το αποτέλεσμα ενός φαινομένου δυναμό στον πυρήνα) και φτάνει μέχρι το διάστημα. Αυτή η περιοχή του διαστήματος, στην οποία το μαγνητικό μας πεδίο ασκεί επιρροή, είναι γνωστή ως μαγνητόσφαιρα.
Τα τέσσερα διαστημόπλοια Cluster που διασχίζουν το βόρειο άκρο της μαγνητόσφαιρας της Γης. Πίστωση: ESA/AOES Medialab
Το εσωτερικό τμήμα αυτής της μαγνητόσφαιρας ονομάζεται πλασμάσφαιρα, μια περιοχή σε σχήμα ντόνατ που εκτείνεται σε απόσταση περίπου 20.000 km από τη Γη και συν-περιστρέφεται μαζί της. Η μαγνητόσφαιρα είναι επίσης πλημμυρισμένη με φορτισμένα σωματίδια και ιόντα που παγιδεύονται μέσα και στη συνέχεια αναπηδούν εμπρός και πίσω κατά μήκος των γραμμών πεδίου της περιοχής.
Στην μπροστινή, στραμμένη προς τον Ήλιο άκρο της, η μαγνητόσφαιρα συναντά τον ηλιακό άνεμο – ένα ρεύμα φορτισμένων σωματιδίων που ρέουν από τον Ήλιο στο διάστημα. Το σημείο όπου έρχονται σε επαφή είναι γνωστό ως «Σοκ του τόξου», το οποίο ονομάζεται έτσι επειδή οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου του αναγκάζουν τον ηλιακό άνεμο να πάρει το σχήμα τόξου καθώς περνούν από πάνω και γύρω μας.
Καθώς ο ηλιακός άνεμος περνά πάνω από τη μαγνητόσφαιρα της Γης, ενώνεται ξανά πίσω από τον πλανήτη μας για να σχηματίσει μια μαγνητοουρά - έναν επιμήκη σωλήνα που περιέχει παγιδευμένα φύλλα πλάσματος και αλληλεπιδρώντες γραμμές πεδίου. Χωρίς αυτό το προστατευτικό περίβλημα, η ατμόσφαιρα της Γης θα ήταν απογυμνώθηκε αργά δισεκατομμύρια χρόνια πριν, μια μοίρα που τώρα πιστεύεται ότι έπληξε τον Άρη.
Τούτου λεχθέντος, το μαγνητικό πεδίο της Γης δεν είναι ακριβώς ερμητικά σφραγισμένο. Για παράδειγμα, στους πόλους του πλανήτη μας, οι γραμμές πεδίου είναι ανοιχτές, γεγονός που επιτρέπει στα ηλιακά σωματίδια να εισέλθουν και να γεμίσουν τη μαγνητόσφαιρά μας με ενεργητικά σωματίδια. Αυτή η διαδικασία είναι αυτή που ευθύνεται βόρειο σέλας και Aurora Australis (γνωστός και ως το Βόρειο και το Νότιο Σέλας).
Μια εικόνα που δείχνει το φυσικό φράγμα που μας δίνει η Γη ενάντια στην ηλιακή ακτινοβολία. Πίστωση: NASA.
Ταυτόχρονα, τα σωματίδια από την ανώτερη ατμόσφαιρα της Γης (την ιονόσφαιρα) μπορούν να διαφύγουν με τον ίδιο τρόπο, ταξιδεύοντας μέσα από τους πόλους και χάνοντας στο διάστημα. Παρά το γεγονός ότι μάθαμε πολλά για τα μαγνητικά πεδία της Γης και πώς σχηματίζεται το πλάσμα μέσω της αλληλεπίδρασής του με διάφορα σωματίδια, πολλά για την όλη διαδικασία ήταν ασαφή μέχρι πολύ πρόσφατα.
Όπως δήλωσε ο Arnaud Masson, αναπληρωτής επιστήμονας έργου της ESA για την αποστολή Cluster σε μια ESA δελτίο τύπου :
'Το ζήτημα της μεταφοράς πλάσματος και της απώλειας της ατμόσφαιρας είναι σχετικό τόσο για τους πλανήτες όσο και για τα αστέρια και είναι ένα απίστευτα συναρπαστικό και σημαντικό θέμα. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο διαφεύγει η ατμοσφαιρική ύλη είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση του πώς μπορεί να αναπτυχθεί η ζωή σε έναν πλανήτη.Η αλληλεπίδραση μεταξύ εισερχόμενου και εξερχόμενου υλικού στη μαγνητόσφαιρα της Γης είναι ένα καυτό θέμα αυτή τη στιγμή. από πού ακριβώς προέρχονται αυτά τα πράγματα; Πώς μπήκε στο κομμάτι του διαστήματος μας;'
Δεδομένου ότι η ατμόσφαιρά μας περιέχει 5 τετράδα δισεκατομμύρια τόνους ύλης (δηλαδή 5 x 10δεκαπέντε, ή 5.000.000 δισεκατομμύρια τόνους), μια απώλεια 90 τόνων την ημέρα δεν είναι μεγάλη. Ωστόσο, αυτός ο αριθμός δεν περιλαμβάνει τη μάζα των «ψυχρών ιόντων» που προστίθενται τακτικά. Αυτός ο όρος χρησιμοποιείται συνήθως για να περιγράψει τα ιόντα υδρογόνου που τώρα γνωρίζουμε ότι χάνονται στη μαγνητόσφαιρα σε τακτική βάση (μαζί με ιόντα οξυγόνου και ηλίου).
Δεδομένου ότι το υδρογόνο απαιτεί λιγότερη ενέργεια για να διαφύγει από την ατμόσφαιρά μας, τα ιόντα που δημιουργούνται όταν αυτό το υδρογόνο γίνει μέρος της πλασμάσφαιρας έχουν επίσης χαμηλή ενέργεια. Ως αποτέλεσμα, ήταν πολύ δύσκολο να εντοπιστούν στο παρελθόν. Επιπλέον, οι επιστήμονες γνώριζαν μόνο για αυτή τη ροή ιόντων οξυγόνου, υδρογόνου και ηλίου - που προέρχονται από τις πολικές περιοχές της Γης και αναπληρώνουν το πλάσμα στη μαγνητόσφαιρα - εδώ και μερικές δεκαετίες.
Απεικόνιση των ιόντων που ρέουν έξω από το πολικό καπάκι προς τη μαγνητική ουρά. Πίστωση: ESA – C. Carreau
Πριν από αυτό, οι επιστήμονες πίστευαν ότι μόνο τα ηλιακά σωματίδια ήταν υπεύθυνα για το πλάσμα στη μαγνητόσφαιρα της Γης. Αλλά τα πιο πρόσφατα χρόνια, έχουν καταλάβει ότι δύο άλλες πηγές συνεισφέρουν στην πλασμάσφαιρα. Τα πρώτα είναι σποραδικά «λοφία» πλάσματος που αναπτύσσονται εντός της πλασμάσφαιρας και ταξιδεύουν προς τα έξω προς την άκρη της μαγνητόσφαιρας, όπου αλληλεπιδρούν με το πλάσμα του ηλιακού ανέμου που έρχεται από την άλλη πλευρά.
Η άλλη πηγή; Η προαναφερθείσα ατμοσφαιρική διαρροή. Ενώ αυτό αποτελείται από άφθονα ιόντα οξυγόνου, ηλίου και υδρογόνου, τα ψυχρά ιόντα υδρογόνου φαίνεται να παίζουν τον πιο σημαντικό ρόλο. Όχι μόνο αποτελούν σημαντική ποσότητα ύλης που χάνεται στο διάστημα, αλλά μπορεί να διαδραματίσει βασικό ρόλο στη διαμόρφωση του μαγνητικού μας περιβάλλοντος. Επιπλέον, οι περισσότεροι από τους δορυφόρους που βρίσκονται αυτή τη στιγμή σε τροχιά γύρω από τη Γη δεν είναι σε θέση να ανιχνεύσουν τα ψυχρά ιόντα που προστίθενται στο μείγμα, κάτι που μπορεί να κάνει το Cluster.
Το 2009 και το 2013 , οι ανιχνευτές Cluster ήταν σε θέση να χαρακτηρίσουν τη δύναμή τους, καθώς και αυτή άλλων πηγών πλάσματος που προστέθηκαν στη μαγνητόσφαιρα της Γης. Όταν λαμβάνονται υπόψη μόνο τα ψυχρά ιόντα, η ποσότητα της ατμόσφαιρας που χάνεται στο διάστημα ανέρχεται σε αρκετές χιλιάδες τόνους ετησίως. Με λίγα λόγια, είναι σαν να χάνεις κάλτσες. Δεν είναι κάτι σπουδαίο, αλλά θα θέλατε να μάθετε πού πάνε, σωστά;
Αυτός ήταν ένας άλλος τομέας εστίασης για την αποστολή Cluster, η οποία την τελευταία μιάμιση δεκαετία προσπαθεί να διερευνήσει πώς χάνονται αυτά τα ιόντα, από πού προέρχονται και άλλα παρόμοια. Ως Philippe Escoubet, Επιστήμονας Έργου της ESA για την αποστολή Cluster, βάλε το :
'Στην ουσία, πρέπει να καταλάβουμε πώς το ψυχρό πλάσμα καταλήγει στη μαγνητόπαυση.Υπάρχουν μερικές διαφορετικές πτυχές σε αυτό. πρέπει να γνωρίζουμε τις διαδικασίες που εμπλέκονται στη μεταφορά του εκεί, πώς αυτές οι διεργασίες εξαρτώνται από τον δυναμικό ηλιακό άνεμο και τις συνθήκες της μαγνητόσφαιρας και από πού προέρχεται το πλάσμα αρχικά – προέρχεται από την ιονόσφαιρα, την πλασμάσφαιρα ή κάπου αλλού?'
Έγχρωμη απεικόνιση που δείχνει την κλίμακα των πλανητών στο ηλιακό μας σύστημα, με επίκεντρο τον Δία και τον Κρόνο. Πίστωση: NASA
Οι λόγοι για την κατανόηση αυτού είναι ξεκάθαροι. Τα σωματίδια υψηλής ενέργειας, συνήθως με τη μορφή ηλιακών εκλάμψεων, μπορούν να αποτελέσουν απειλή για την τεχνολογία που βασίζεται στο διάστημα. Επιπλέον, η κατανόηση του πώς η ατμόσφαιρά μας αλληλεπιδρά με τον ηλιακό άνεμο είναι επίσης χρήσιμη όταν πρόκειται για την εξερεύνηση του διαστήματος γενικά. Εξετάστε τις τρέχουσες προσπάθειές μας να εντοπίσουμε ζωή πέρα από τον δικό μας πλανήτη στο Ηλιακό Σύστημα. Αν υπάρχει κάτι που μας έχουν διδάξει δεκαετίες αποστολών σε κοντινούς πλανήτες, είναι ότι η ατμόσφαιρα και το μαγνητικό περιβάλλον ενός πλανήτη είναι ζωτικής σημασίας για τον προσδιορισμό της κατοικιμότητας.
Σε κοντινή απόσταση από τη Γη, υπάρχουν δύο παραδείγματα αυτού: ο Άρης, ο οποίος έχει μια λεπτή ατμόσφαιρα και είναι πολύ κρύος. και η Αφροδίτη, της οποίας η ατμόσφαιρα είναι πολύ πυκνή και πολύ ζεστή. Στο εξωτερικό ηλιακό σύστημα, το φεγγάρι του Κρόνου Τιτάν συνεχίζει να μας ιντριγκάρει, κυρίως λόγω της ασυνήθιστης ατμόσφαιρας. Ως το μόνο σώμα με ατμόσφαιρα πλούσια σε άζωτο εκτός από τη Γη, είναι επίσης ο μόνος γνωστός πλανήτης όπου πραγματοποιείται μεταφορά υγρών μεταξύ της επιφάνειας και της ατμόσφαιρας – αν και με πετροχημικά αντί για νερό.
Επιπλέον, της NASA Αποστολή Juno θα περάσει τα επόμενα δύο χρόνια εξερευνώντας το μαγνητικό πεδίο και την ατμόσφαιρα του Δία. Αυτές οι πληροφορίες θα μας πουν πολλά για τον μεγαλύτερο πλανήτη του Ηλιακού Συστήματος, αλλά ελπίζουμε επίσης να ρίξουν λίγο φως στην ιστορία του πλανητικού σχηματισμού στο Ηλιακό Σύστημα.
Τα τελευταία δεκαπέντε χρόνια, το Cluster μπόρεσε να πει στους αστρονόμους πολλά για το πώς η ατμόσφαιρα της Γης αλληλεπιδρά με τον ηλιακό άνεμο και βοήθησε στην εξερεύνηση φαινομένων μαγνητικού πεδίου που μόλις αρχίσαμε να κατανοούμε. Και ενώ υπάρχουν πολλά περισσότερα που πρέπει να μάθουμε, οι επιστήμονες συμφωνούν ότι αυτό που έχει αποκαλυφθεί μέχρι τώρα θα ήταν αδύνατο χωρίς μια αποστολή όπως το Cluster.
Περαιτέρω ανάγνωση: ΑΥΤΟ