Εμείς εδώ στη Γη είμαστε τυχεροί που έχουμε μια βιώσιμη ατμόσφαιρα, που προστατεύεται από τη μαγνητόσφαιρα της Γης. Χωρίς αυτόν τον προστατευτικό φάκελο, η ζωή στην επιφάνεια θα βομβαρδίστηκε από επιβλαβείς ακτινοβολίες που προέρχονται από τον Ήλιο. Ωστόσο, η ανώτερη ατμόσφαιρα της Γης εξακολουθεί να διαρρέει αργά, με περίπου 90 τόνους υλικού την ημέρα να διαφεύγει από την ανώτερη ατμόσφαιρα και να ρέει στο διάστημα.
Και παρόλο που οι αστρονόμοι ερευνούν αυτήν τη διαρροή για αρκετό καιρό, εξακολουθούν να υπάρχουν πολλές αναπάντητες ερωτήσεις. Για παράδειγμα, πόσο υλικό χάνεται στο διάστημα, τι είδους και πώς αλληλεπιδρά με τον ηλιακό άνεμο για να επηρεάσει το μαγνητικό περιβάλλον μας; Αυτός ήταν ο σκοπός του έργου Cluster του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος, μια σειρά τεσσάρων πανομοιότυπων διαστημικών σκαφών που μετρούν το μαγνητικό περιβάλλον της Γης τα τελευταία 15 χρόνια.
Η κατανόηση της αλληλεπίδρασης της ατμόσφαιρας μας με τον ηλιακό άνεμο απαιτεί πρώτα να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί το μαγνητικό πεδίο της Γης. Για αρχάριους, εκτείνεται από το εσωτερικό του πλανήτη μας (και πιστεύεται ότι είναι το αποτέλεσμα ενός δυναμικού φαινομένου στον πυρήνα) και φτάνει μέχρι το διάστημα. Αυτή η περιοχή του διαστήματος, στην οποία ασκεί επιρροή το μαγνητικό μας πεδίο, είναι γνωστή ως μαγνητόσφαιρα.
Το εσωτερικό τμήμα αυτής της μαγνητόσφαιρας ονομάζεται πλασμίδιο, μια περιοχή σε σχήμα ντόνατ που εκτείνεται σε απόσταση περίπου 20.000 χλμ από τη Γη και περιστρέφεται μαζί της. Η μαγνητόσφαιρα είναι επίσης πλημμυρισμένη με φορτισμένα σωματίδια και ιόντα που παγιδεύονται μέσα και στη συνέχεια αποστέλλονται αναπηδώντας εμπρός-πίσω κατά μήκος των γραμμών πεδίου της περιοχής.
Στο μπροστινό του άκρο που βλέπει στον Ήλιο, η μαγνητόσφαιρα συναντά τον ηλιακό άνεμο - μια ροή φορτισμένων σωματιδίων που ρέουν από τον Ήλιο στο διάστημα. Το σημείο όπου έρχονται σε επαφή είναι γνωστό ως «Bow Shock», το οποίο ονομάζεται έτσι, επειδή οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου αναγκάζουν τον ηλιακό άνεμο να πάρει το σχήμα ενός τόξου καθώς περνούν πάνω και γύρω μας.
Καθώς ο ηλιακός άνεμος περνά πάνω από τη μαγνητόσφαιρα της Γης, συγκεντρώνεται και πάλι πίσω από τον πλανήτη μας για να σχηματίσει ένα μαγνητότατο - έναν επιμήκη σωλήνα που περιέχει παγιδευμένα φύλλα πλάσματος και αλληλεπιδρώντας γραμμές πεδίου. Χωρίς αυτόν τον προστατευτικό φάκελο, η ατμόσφαιρα της Γης θα είχε αφαιρεθεί αργά δισεκατομμύρια χρόνια πριν, μια μοίρα που πιστεύεται ότι έχει πέσει στον 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, οι οποίες επιτρέπουν στα ηλιακά σωματίδια να εισέλθουν και να γεμίσουν τη μαγνητόσφαιρα μας με ενεργητικά σωματίδια. Αυτή η διαδικασία είναι αυτή που είναι υπεύθυνη για την Aurora Borealis και την Aurora Australis (γνωστή και ως Βόρεια και Νότια Φώτα).
Ταυτόχρονα, σωματίδια από την ανώτερη ατμόσφαιρα της Γης (η ιονόσφαιρα) μπορούν να διαφύγουν με τον ίδιο τρόπο, ταξιδεύοντας στους πόλους και χάνονται στο διάστημα. Παρά το ότι μαθαίνει πολλά για τα μαγνητικά πεδία της Γης και πώς σχηματίζεται το πλάσμα μέσω της αλληλεπίδρασής του με διάφορα σωματίδια, πολλά για ολόκληρη τη διαδικασία ήταν ασαφή μέχρι πρόσφατα.
Όπως ανέφερε ο Arnaud Masson, αναπληρωτής επιστήμονας έργου της ESA για την αποστολή Cluster σε δελτίο τύπου της ESA:
“Το ζήτημα της μεταφοράς πλάσματος και της ατμοσφαιρικής απώλειας είναι κατάλληλο τόσο για πλανήτες όσο και για αστέρια και είναι ένα εξαιρετικά συναρπαστικό και σημαντικό θέμα. Η κατανόηση του τρόπου διαφυγής της ατμοσφαιρικής ύλης είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο 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 χώρο μας;“
Δεδομένου ότι η ατμόσφαιρά μας περιέχει 5 τετρα δισεκατομμύρια τόνους ύλης (δηλαδή 5 x 1015, ή 5.000.000 δισεκατομμύρια τόνοι), η απώλεια 90 τόνων την ημέρα δεν ισοδυναμεί με πολύ. Ωστόσο, αυτός ο αριθμός δεν περιλαμβάνει τη μάζα των «κρύων ιόντων» που προστίθενται τακτικά. Αυτός ο όρος χρησιμοποιείται συνήθως για να περιγράψει τα ιόντα υδρογόνου που ξέρουμε τώρα ότι χάνεται στη μαγνητόσφαιρα σε τακτική βάση (μαζί με τα ιόντα οξυγόνου και ηλίου).
Δεδομένου ότι το υδρογόνο απαιτεί λιγότερη ενέργεια για να ξεφύγει από την ατμόσφαιρα μας, τα ιόντα που δημιουργούνται όταν αυτό το υδρογόνο γίνει μέρος της πλασμάσφαιρας έχουν επίσης χαμηλή ενέργεια. Ως αποτέλεσμα, στο παρελθόν ήταν πολύ δύσκολο να εντοπιστούν. Επιπλέον, οι επιστήμονες γνωρίζουν μόνο αυτήν τη ροή ιόντων οξυγόνου, υδρογόνου και ηλίου - που προέρχονται από τις πολικές περιοχές της Γης και αναπληρώνουν το πλάσμα στη μαγνητόσφαιρα - για μερικές δεκαετίες.
Πριν από αυτό, οι επιστήμονες πίστευαν ότι μόνο τα ηλιακά σωματίδια ήταν υπεύθυνα για το πλάσμα στη μαγνητόσφαιρα της Γης. Όμως τα τελευταία χρόνια, έχουν καταλάβει ότι δύο άλλες πηγές συμβάλλουν στο πλασμόσφαιρα. Το πρώτο είναι σποραδικά «λοφία» πλάσματος που αναπτύσσονται εντός του πλασμίσματος και ταξιδεύουν προς τα έξω προς την άκρη της μαγνητόσφαιρας, όπου αλληλεπιδρούν με το πλάσμα του ηλιακού ανέμου που έρχεται με τον άλλο τρόπο.
Η άλλη πηγή; Η προαναφερθείσα ατμοσφαιρική διαρροή. Ενώ αυτό αποτελείται από άφθονα ιόντα οξυγόνου, ηλίου και υδρογόνου, τα κρύα ιόντα υδρογόνου φαίνεται να παίζουν τον πιο σημαντικό ρόλο. Όχι μόνο αποτελούν σημαντική ποσότητα ύλης που χάθηκε στο διάστημα, και μπορεί να διαδραματίσουν βασικό ρόλο στη διαμόρφωση του μαγνητικού μας περιβάλλοντος. Επιπλέον, οι περισσότεροι από τους δορυφόρους που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τη Γη δεν είναι σε θέση να εντοπίσουν τα κρύα ιόντα που προστίθενται στο μείγμα, κάτι που μπορεί να κάνει το Cluster.
Το 2009 και το 2013, οι ανιχνευτές συμπλέγματος κατάφεραν να χαρακτηρίσουν τη δύναμή τους, καθώς και εκείνους άλλων πηγών πλάσματος που προστέθηκαν στη μαγνητόσφαιρα της Γης. Όταν λαμβάνονται υπόψη μόνο τα κρύα ιόντα, η ποσότητα της ατμόσφαιρας που χάνεται ο χώρος ανέρχεται σε αρκετές χιλιάδες τόνους ετησίως. Εν ολίγοις, είναι σαν να χάνετε κάλτσες. Δεν είναι μεγάλη υπόθεση, αλλά θα θέλατε να μάθετε πού πηγαίνουν, σωστά;
Αυτός ήταν ένας άλλος τομέας εστίασης για την αποστολή Cluster, η οποία εδώ και ενάμιση δεκαετία προσπαθεί να διερευνήσει πώς χάνονται αυτά τα ιόντα, από πού προέρχονται και παρόμοια. Όπως ο Philippe Escoubet, Project Scientist για την αποστολή Cluster, το έθεσε:
“Στην ουσία, πρέπει να καταλάβουμε πώς καταλήγει το κρύο πλάσμα στη μαγνητοπαύση. 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 από την πρώτη θέση - προέρχεται από την ιονόσφαιρα, το πλασμόσφαιρο ή κάπου αλλού?“
Οι λόγοι για την κατανόηση αυτού είναι σαφείς. Τα σωματίδια υψηλής ενέργειας, συνήθως με τη μορφή ηλιακών εκλάμψεων, μπορούν να αποτελέσουν απειλή για τη διαστημική τεχνολογία. Επιπλέον, η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η ατμόσφαιρα αλληλεπιδρά με τον ηλιακό άνεμο είναι επίσης χρήσιμη όταν πρόκειται για εξερεύνηση του διαστήματος γενικά. Σκεφτείτε τις τρέχουσες προσπάθειές μας να εντοπίσουμε τη ζωή πέρα από τον πλανήτη μας στο Ηλιακό Σύστημα. Αν υπάρχει ένα πράγμα που μας έχει διδάξει δεκαετίες αποστολών σε κοντινούς πλανήτες, είναι ότι η ατμόσφαιρα και το μαγνητικό περιβάλλον ενός πλανήτη είναι ζωτικής σημασίας για τον προσδιορισμό της βιωσιμότητας.
Σε κοντινή απόσταση από τη Γη, υπάρχουν δύο παραδείγματα: ο Άρης, ο οποίος έχει μια λεπτή ατμόσφαιρα και είναι πολύ κρύος. και η Αφροδίτη, η ατμόσφαιρα που είναι πολύ πυκνή και πολύ ζεστή. Στο εξωτερικό ηλιακό σύστημα, ο Τιτάνας του φεγγαριού του Κρόνου συνεχίζει να μας διώχνει, 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, η αποστολή Juno της NASA θα περάσει τα επόμενα δύο χρόνια για να εξερευνήσει το μαγνητικό πεδίο και την ατμόσφαιρα του Δία. Αυτές οι πληροφορίες θα μας πουν πολλά για τον μεγαλύτερο πλανήτη του Ηλιακού Συστήματος, αλλά ελπίζεται επίσης ότι θα ρίξει φως στον ιστορικό σχηματισμό πλανητών στο Ηλιακό Σύστημα.
Τα τελευταία δεκαπέντε χρόνια, το Cluster μπόρεσε να πει στους αστρονόμους πολλά για το πώς αλληλεπιδρά η ατμόσφαιρα της Γης με τον ηλιακό άνεμο και βοήθησε να εξερευνήσουμε φαινόμενα μαγνητικού πεδίου που μόλις αρχίσαμε να κατανοούμε. Και ενώ υπάρχουν πολλά περισσότερα να μάθουμε, οι επιστήμονες συμφωνούν ότι αυτό που έχει αποκαλυφθεί μέχρι στιγμής θα ήταν αδύνατο χωρίς αποστολή όπως το Cluster.
