Wij hier op aarde hebben het geluk dat we een levensvatbare atmosfeer hebben, die wordt beschermd door de magnetosfeer van de aarde. Zonder deze beschermende omhulling zou het leven aan de oppervlakte worden gebombardeerd door schadelijke straling van de zon. De bovenste atmosfeer van de aarde lekt echter nog steeds langzaam, met ongeveer 90 ton materiaal per dag dat uit de bovenste atmosfeer ontsnapt en de ruimte in stroomt.
En hoewel astronomen deze lekkage al langer onderzoeken, zijn er nog veel onbeantwoorde vragen. Hoeveel materiaal gaat er bijvoorbeeld verloren in de ruimte, welke soorten en hoe reageert dit op zonnewind om onze magnetische omgeving te beïnvloeden? Dat is het doel van het Cluster-project van de European Space Agency, een serie van vier identieke ruimtevaartuigen die de afgelopen 15 jaar de magnetische omgeving van de aarde hebben gemeten.
Om eerst de interactie van onze atmosfeer met zonnewind te begrijpen, moeten we begrijpen hoe het magnetische veld van de aarde werkt. Om te beginnen strekt het zich uit van het binnenste van onze planeet (en wordt aangenomen dat het het resultaat is van een dynamo-effect in de kern) en reikt het helemaal de ruimte in. Dit gebied in de ruimte, waar ons magnetisch veld invloed op uitoefent, staat bekend als de magnetosfeer.
Het binnenste gedeelte van deze magnetosfeer wordt de plasmasfeer genoemd, een donutvormig gebied dat zich uitstrekt tot een afstand van ongeveer 20.000 km van de aarde en daarmee meedraait. De magnetosfeer wordt ook overspoeld met geladen deeltjes en ionen die erin vast komen te zitten en vervolgens heen en weer stuiteren langs de veldlijnen van de regio.
Aan de voorwaartse, naar de zon gerichte rand ontmoet de magnetosfeer de zonnewind - een stroom geladen deeltjes die van de zon de ruimte in stroomt. De plek waar ze contact maken staat bekend als de "Bow Shock", die zo genoemd wordt omdat de magnetische veldlijnen de zonnewind dwingen de vorm aan te nemen van een boog terwijl ze over en om ons heen passeren.
Terwijl de zonnewind de magnetosfeer van de aarde passeert, komt deze weer achter onze planeet samen om een magnetotail te vormen - een langwerpige buis die opgesloten vellen plasma en op elkaar inwerkende veldlijnen bevat. Zonder deze beschermende omhulling zou de atmosfeer van de aarde miljarden jaren geleden langzaam zijn verdwenen, een lot waarvan nu wordt aangenomen dat het Mars is overkomen.
Dat gezegd hebbende, is het magnetische veld van de aarde niet bepaald hermetisch afgesloten. Aan de polen van onze planeet zijn de veldlijnen bijvoorbeeld open, waardoor zonnedeeltjes onze magnetosfeer kunnen binnendringen en vullen met energetische deeltjes. Dit proces is verantwoordelijk voor Aurora Borealis en Aurora Australis (ook bekend als het noorder- en zuiderlicht).
Tegelijkertijd kunnen deeltjes uit de bovenste atmosfeer van de aarde (de ionosfeer) op dezelfde manier ontsnappen, door de polen omhoog reizen en verloren gaan in de ruimte. Ondanks dat we veel hebben geleerd over de magnetische velden van de aarde en hoe plasma wordt gevormd door de interactie met verschillende deeltjes, was tot voor kort veel over het hele proces onduidelijk.
Zoals Arnaud Masson, ESA's plaatsvervangend projectwetenschapper voor de Cluster-missie, zei in een ESA-persbericht:
“De kwestie van plasmatransport en atmosferisch verlies is relevant voor zowel planeten als sterren en is een ongelooflijk fascinerend en belangrijk onderwerp. Begrijpen hoe atmosferische materie ontsnapt, is cruciaal om te begrijpen hoe het leven zich op een planeet kan ontwikkelen. De interactie tussen inkomend en uitgaand materiaal in de magnetosfeer van de aarde is momenteel een hot topic; waar komt dit spul precies vandaan? Hoe kwam het ons stukje ruimte binnen?“
Aangezien onze atmosfeer 5 biljard ton materie bevat (dat is 5 x 1015of 5.000.000 miljard ton), een verlies van 90 ton per dag is niet veel. Dit aantal is echter exclusief de massa van "koude ionen" die regelmatig worden toegevoegd. Deze term wordt meestal gebruikt om de waterstofionen te beschrijven waarvan we nu weten dat ze op regelmatige basis verloren gaan voor de magnetosfeer (samen met zuurstof- en heliumionen).
Omdat waterstof minder energie nodig heeft om uit onze atmosfeer te ontsnappen, hebben de ionen die worden aangemaakt zodra deze waterstof deel gaat uitmaken van de plasmasfeer ook een lage energie. Als gevolg hiervan waren ze in het verleden erg moeilijk te detecteren. Bovendien weten wetenschappers pas enkele decennia over deze stroom van zuurstof-, waterstof- en heliumionen - die afkomstig zijn uit de poolgebieden van de aarde en plasma aanvullen in de magnetosfeer.
Voordien geloofden wetenschappers dat alleen zonnedeeltjes verantwoordelijk waren voor plasma in de magnetosfeer van de aarde. Maar in de afgelopen jaren zijn ze gaan begrijpen dat twee andere bronnen bijdragen aan de plasmasfeer. De eerste zijn sporadische "pluimen" van plasma die groeien in de plasmasfeer en naar buiten reizen naar de rand van de magnetosfeer, waar ze interageren met het zonnewindplasma dat de andere kant op komt.
De andere bron? De bovengenoemde atmosferische lekkage. Waar dit uit overvloedige zuurstof-, helium- en waterstofionen bestaat, blijken de koude waterstofionen de belangrijkste rol te spelen. Ze vormen niet alleen een aanzienlijke hoeveelheid materie die verloren gaat in de ruimte, en kunnen een sleutelrol spelen bij het vormgeven van onze magnetische omgeving. Bovendien kunnen de meeste satellieten die momenteel in een baan om de aarde draaien, de koude-ionen die aan de mix worden toegevoegd niet detecteren, wat Cluster wel kan.
In 2009 en in 2013 konden de Cluster-sondes hun sterkte karakteriseren, evenals die van andere plasmabronnen die aan de magnetosfeer van de aarde werden toegevoegd. Wanneer alleen naar de koude ionen wordt gekeken, bedraagt de hoeveelheid atmosfeer die verloren gaat in de ruimte enkele duizenden tonnen per jaar. Kortom, het is alsof je sokken verliest. Geen probleem, maar je wilt toch graag weten waar ze heen gaan?
Dit was een ander aandachtsgebied voor de Cluster-missie, die de afgelopen anderhalf decennium heeft geprobeerd te onderzoeken hoe deze ionen verloren gaan, waar ze vandaan komen en dergelijke. Zoals Philippe Escoubet, ESA's Project Scientist voor de Cluster-missie, het uitdrukte:
“In wezen moeten we erachter komen hoe koud plasma bij de magnetopauze terechtkomt. Hieraan zijn een paar verschillende aspecten verbonden; we moeten de processen kennen die nodig zijn om het daar naartoe te transporteren, hoe deze processen afhangen van de dynamische zonnewind en de condities van de magnetosfeer, en waar plasma vandaan komt - komt het oorspronkelijk uit de ionosfeer, de plasmasfeer, of ergens anders?“
De redenen om dit te begrijpen zijn duidelijk. Hoogenergetische deeltjes, meestal in de vorm van zonnevlammen, kunnen een bedreiging vormen voor ruimtevaarttechnologie. Bovendien is het nuttig om te begrijpen hoe onze atmosfeer in wisselwerking staat met zonnewind als het gaat om ruimteverkenning in het algemeen. Overweeg onze huidige inspanningen om het leven buiten onze eigen planeet in het zonnestelsel te plaatsen. Als er iets is dat decennia van missies naar nabijgelegen planeten ons hebben geleerd, dan is het wel dat de atmosfeer en de magnetische omgeving van een planeet cruciaal zijn bij het bepalen van de bewoonbaarheid.
In de nabijheid van de aarde zijn er twee voorbeelden hiervan: Mars, dat een dunne atmosfeer heeft en te koud is; en Venus, wiens atmosfeer te dicht en veel te heet is. In het buitenste zonnestelsel blijft Saturnusmaan Titan ons intrigeren, vooral vanwege de ongewone atmosfeer. Als het enige lichaam met een stikstofrijke atmosfeer naast de aarde, is het ook de enige bekende planeet waar vloeistofoverdracht plaatsvindt tussen het oppervlak en de atmosfeer - zij het met petrochemische stoffen in plaats van met water.
Bovendien zal NASA's Juno-missie de komende twee jaar besteden aan het verkennen van Jupiter's eigen magnetische veld en atmosfeer. Deze informatie zal ons veel vertellen over de grootste planeet van het zonnestelsel, maar we hopen ook enig licht te werpen op de geschiedenis van de planetaire vorming in het zonnestelsel.
In de afgelopen vijftien jaar heeft Cluster astronomen veel kunnen vertellen over hoe de atmosfeer van de aarde in wisselwerking staat met zonnewind en heeft het geholpen bij het onderzoeken van fenomenen in het magnetische veld die we nog maar net zijn gaan begrijpen. En hoewel er nog veel meer te leren valt, zijn wetenschappers het erover eens dat wat tot nu toe is ontdekt, onmogelijk zou zijn geweest zonder een missie als Cluster.
