Duizenden kilometers boven de aarde heerst ruimteweer. Het is een schijnbaar lege en eenzame plek - een plek waar een mysterie genaamd 'koud plasma' in overvloed is gevonden en mogelijk implicaties heeft voor onze verbinding met de zon. Hoewel het vrijwel verborgen is gebleven, hebben Zweedse onderzoekers een nieuwe methode ontwikkeld om deze koude, geladen ionen te meten. Met meer dan ooit gedacht, kunnen deze nieuwe bevindingen ons heel goed aanwijzingen geven over wat er gebeurt rond andere planeten en hun natuurlijke satellieten.
"Hoe meer je zoekt naar energiezuinige ionen, hoe meer je vindt", zegt Mats Andre, hoogleraar ruimtefysica aan het Zweedse instituut voor ruimtefysica in Uppsala, Zweden, en leider van het onderzoeksteam wiens bevindingen zijn geaccepteerd voor publicatie in Geophysical Research Letters, een tijdschrift van de American Geophysical Union. 'We wisten niet hoeveel er was. Het is meer dan ik dacht. "
Waar komt dit raadsel vandaan? De energiezuinige ionen beginnen in het bovenste deel van onze atmosfeer, de ionosfeer. Hier kan zonne-energie elektronen van moleculen verwijderen, waardoor atomen zoals zuurstof en waterstof een positieve lading achterlaten. Het fysiek vinden van deze ionen was echter problematisch. Terwijl onderzoekers wisten dat ze bestonden op een hoogte van ongeveer 100 kilometer (60 mijl), hebben Andre en collega Chris Cully hun sites hoger gezet - tussen 20.000 en 100.000 km (12.400 tot 60.000 mijl). Aan de rand varieert de hoeveelheid koude ionen tussen 50 en 70% ... en maakt het grootste deel van de massa van de ruimte uit.
Dat is echter niet de enige plaats waar koud plasma is gevonden. Volgens de satellietgegevens en berekeningen van het onderzoek bevatten bepaalde hooggelegen zones continu laagenergetische ionen. Hoe vergezocht het ook mag klinken, het team heeft ze ook gedetecteerd op een hoogte van 100.000 km! Volgens Andre is het verrassend om zoveel relatief koele ionen in deze regio's te ontdekken, omdat er zoveel energie de hoge hoogten van de aarde raakt van de zonnewind - een heet plasma dat ongeveer 1000 keer heter is dan wat Andre als koud beschouwt. Hoe koud? “De energiezuinige ionen hebben een energie die overeenkomt met ongeveer 500.000 graden Celsius (ongeveer een miljoen graden Fahrenheit) bij typische gasdichtheden op aarde. Maar omdat de dichtheid van de ionen in de ruimte zo laag is, kunnen satellieten en ruimtevaartuigen in een baan om de aarde draaien zonder in vlammen op te gaan. ”
Het vaststellen van deze energiezuinige ionen en het meten van hoeveel materiaal onze atmosfeer verlaat, was een ongrijpbare taak. De werkplaats van Andre is een satelliet en een van de vier ruimtevaartuigen van het European Space Agency CLUSTER. Het bevat een detector die is gemaakt van een fijne draad die het elektronische veld daartussen meet tijdens satellietrotatie. Toen de gegevens echter werden verzameld, ontdekten de onderzoekers een paar mysteries: sterke elektrische velden in onverwachte delen van de ruimte en elektrische velden die niet gelijkmatig schommelden.
'Voor een wetenschapper zag het er nogal lelijk uit', zei Andre. 'We hebben geprobeerd uit te zoeken wat er mis was met het instrument. Toen realiseerden we ons dat er niets mis was met het instrument. " Wat ze vonden opende hun ogen. Koud plasma veranderde de opstelling van de elektrische velden rond de satelliet. Hierdoor realiseerden ze zich dat ze hun veldmetingen konden gebruiken om de aanwezigheid van koud plasma te valideren. "Het is een slimme manier om de beperkingen van een op ruimtevaartuigen gebaseerde detector om te zetten in activa", zegt Thomas Moore, senior projectwetenschapper voor NASA's Magnetospheric Multiscale-missie in het Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. Hij was niet betrokken bij het nieuwe onderzoek.
Door middel van deze nieuwe technieken kan de wetenschap de koude plasma-envelop van de aarde meten en in kaart brengen - en meer leren over hoe zowel warm als koud plasma verandert tijdens extreme weersomstandigheden in de ruimte. Dit onderzoek wijst ook op een beter begrip van andere sferen dan de onze. Momenteel laten de nieuwe metingen zien dat ongeveer een kilo (twee pond) koud plasma elke seconde uit de atmosfeer van de aarde ontsnapt. Door een solide cijfer te hebben als basis voor de snelheid van verlies, kunnen wetenschappers misschien modelleren wat er van de atmosfeer van Mars is geworden - of de sfeer rond andere planeten en manen. Het kan ook helpen bij het nauwkeuriger voorspellen van ruimteweer, zelfs als het de omgeving zelf niet rechtstreeks beïnvloedt. Het is een hoofdrolspeler, ook al veroorzaakt het zelf geen schade. 'Misschien wil je weten waar het lagedrukgebied is om een storm te voorspellen,' merkte Andre op.
Het moderniseren van weersvoorspellingen in de ruimte naar waar het vergelijkbaar is met gewone weersvoorspellingen, was "zelfs niet op afstand mogelijk als je het grootste deel van je plasma mist", zei Moore, met NASA. Nu we een manier hebben om koud plasma te meten, is het doel van hoogwaardige prognoses een stap dichterbij. "Het zijn dingen die we niet konden zien en niet konden detecteren, en dan konden we het plotseling meten", zei Moore over de energiezuinige ionen. 'Nu kun je het echt bestuderen en kijken of het overeenkomt met de theorieën.'
Oorspronkelijke verhaalbron: American Geophysical Union News Release. Voor verder lezen: Low-energy ionen: een voorheen verborgen deeltjespopulatie in het zonnestelsel.
