Mums, Zemei, ir paveicies, ka mums ir dzīvotspējīga atmosfēra, kuru aizsargā Zemes magnetosfēra. Bez šī aizsargājošā apvalka dzīvību uz virsmas bombardētu kaitīgs starojums, ko izstaro Saule. Tomēr Zemes augšējā atmosfēra joprojām lēnām noplūst, un aptuveni 90 tonnas materiāla dienā izkļūst no augšējās atmosfēras un izplūst kosmosā.
Un, kaut arī astronomi kādu laiku pēta šo noplūdi, joprojām ir daudz neatbildētu jautājumu. Piemēram, cik daudz materiāla tiek zaudēta kosmosā, kāda veida un kā tas mijiedarbojas ar saules vēju, lai ietekmētu mūsu magnētisko vidi? Tāds ir bijis Eiropas Kosmosa aģentūras klastera projekta mērķis - četru identisku kosmosa kuģu sērija, kas pēdējos 15 gadus mēra Zemes magnētisko vidi.
Lai izprastu mūsu atmosfēras mijiedarbību ar saules vēju, vispirms ir jāsaprot, kā darbojas Zemes magnētiskais lauks. Iesācējiem tas sniedzas no mūsu planētas iekšpuses (un tiek uzskatīts, ka tas ir dinamo efekta rezultāts kodolā) un visu ceļu nonāk kosmosā. Šis kosmosa reģions, kuru ietekmē mūsu magnētiskais lauks, ir pazīstams kā magnetosfēra.
Šīs magnetosfēras iekšējo daļu sauc par plazmasfēru, virtula formas reģionu, kas sniedzas apmēram 20 000 km attālumā no Zemes un vienlaikus rotē ar to. Magnetosfēru pārpludina arī uzlādētas daļiņas un joni, kas iesprūst iekšpusē, un pēc tam tiek sūtīti atlecoši uz priekšu un atpakaļ pa reģiona lauka līnijām.
Pa priekšu, pret Sauli vērstajā malā, magnetosfēra satiekas ar Saules vēju - lādētu daļiņu straumi, kas no Saules plūst kosmosā. Vietne, kur viņi kontaktējas, ir pazīstama kā “priekšgala šoks”, kas ir tā saucamais, jo tā magnētiskā lauka līnijas piespiež saules vēju iegūt priekšgala formu, kad tie iet mums apkārt un ap mums.
Kad Saules vējš šķērso Zemes magnetosfēru, tas atkal apvienojas aiz mūsu planētas, lai veidotu magnetofonu - iegarenu cauruli, kurā ir ieslodzītas plazmas loksnes un mijiedarbojošās lauka līnijas. Bez šīs aizsargājošās aploksnes Zemes atmosfēra būtu lēnām atbrīvota pirms miljardiem gadu, liktenis, kas, domājams, ir noticis Marsā.
Jāsaka, ka Zemes magnētiskais lauks nav precīzi hermētiski noslēgts. Piemēram, mūsu planētas polos lauka līnijas ir atvērtas, kas ļauj saules daļiņām iekļūt un piepildīt mūsu magnetosfēru ar enerģētiskām daļiņām. Par šo procesu atbild Aurora Borealis un Aurora Australis (pazīstams arī kā ziemeļu un dienvidu gaisma).
Tajā pašā laikā daļiņas no Zemes augšējās atmosfēras (jonosfēras) var izkļūt vienādi, ceļot augšup pa poliem un tiekot zaudētas kosmosā. Neskatoties uz to, ka daudz uzzinājām par Zemes magnētiskajiem laukiem un to, kā plazma veidojas, mijiedarbojoties ar dažādām daļiņām, par visu procesu līdz nesenam laikam nebija skaidrības.
Kā ESA paziņojumā presei paziņoja Arnaud Masson, ESA projekta zinātnieka vietnieks klastera misijā:
“Jautājums par plazmas transportu un atmosfēras zudumiem ir aktuāls gan planētām, gan zvaigznēm, un tas ir neticami aizraujošs un svarīgs temats. Lai saprastu, kā dzīvība var attīstīties uz planētas, ir ļoti svarīgi izprast atmosfēras vielas izplūšanu. Mijiedarbība starp ienākošo un izejošo materiālu Zemes magnetosfērā šobrīd ir karsts temats; no kurienes tieši nāk šie sīkumi? Kā tas iekļuva mūsu kosmosa ielāpā?“
Ņemot vērā to, ka mūsu atmosfērā ir 5 kvadriljoni tonnu vielas (tas ir 5 x 1015, jeb 5 000 000 miljardi tonnu), 90 tonnu zaudējumi dienā nav lieli. Tomēr šajā skaitā nav iekļauta “auksto jonu” masa, ko regulāri pievieno. Šis termins parasti tiek izmantots, lai aprakstītu ūdeņraža jonus, kuri, kā mēs zinām, regulāri tiek zaudēti magnetosfērā (kopā ar skābekļa un hēlija joniem).
Tā kā ūdeņradim ir nepieciešama mazāk enerģijas, lai izbēgtu no mūsu atmosfēras, arī joniem, kas rodas, tiklīdz šis ūdeņradis kļūst par plazmasfēras daļu, ir zema enerģija. Tā rezultātā pagātnē tos ir bijis ļoti grūti atklāt. Turklāt zinātnieki par šo skābekļa, ūdeņraža un hēlija jonu plūsmu, kas nāk no Zemes polārajiem reģioniem un papildina plazmu magnetosfērā, ir zināmi tikai dažas desmitgades.
Pirms tam zinātnieki uzskatīja, ka Zemes magnetosfērā par plazmu ir atbildīgas tikai saules daļiņas. Bet pēdējos gados viņi ir sapratuši, ka divi citi avoti veicina plazmasfēras veidošanos. Pirmie ir sporādiski plazmas “plūmi”, kas aug plazmasfērā un virzās uz āru virzienā uz magnetosfēras malu, kur tie mijiedarbojas ar saules vēja plazmu, kas nāk pretējā virzienā.
Otrs avots? Iepriekšminētā atmosfēras noplūde. Kamēr tas sastāv no bagātīgiem skābekļa, hēlija un ūdeņraža joniem, šķiet, ka vissvarīgākā loma ir aukstajiem ūdeņraža joniem. Viņi ne tikai veido ievērojamu daudzumu kosmosā zaudēto vielu, un tiem var būt galvenā loma mūsu magnētiskās vides veidošanā. Turklāt vairums satelītu, kas pašlaik riņķo ap Zemi, nespēj noteikt aukstos jonus, kas tiek pievienoti maisījumam, un tas ir kaut kas tāds, ko Cluster spēj darīt.
2009. un 2013. gadā klastera zondes spēja raksturot to stiprumu, kā arī citu plazmas avotu stiprumu, kas pievienoti Zemes magnetosfērai. Ja ņem vērā tikai aukstos jonus, tad kosmosā zaudētās atmosfēras daudzums ir vairāki tūkstoši tonnu gadā. Īsāk sakot, tas ir tāpat kā pazaudēt zeķes. Nav liels darījums, bet vai vēlaties zināt, kurp viņi dodas?
Šī ir bijusi vēl viena klastera misijas uzmanības centrā, kas pēdējās pusotras desmitgades laikā ir mēģinājusi izpētīt, kā šie joni tiek pazaudēti, no kurienes tie nāk un tamlīdzīgi. Kā teica Philippe Escoubet, ESA klastera misijas projektu zinātnieks:
“Būtībā mums ir jāizdomā, kā aukstā plazma nonāk magnetopauzes laikā. Tam ir daži dažādi aspekti; mums jāzina procesi, kas saistīti ar tā transportēšanu uz turieni, kā šie procesi ir atkarīgi no dinamiskā saules vēja un magnetosfēras apstākļiem un no kurienes nāk plazma - vai tās izcelsme ir jonosfērā, plazmasfērā vai kaut kur citur?“
Iemesli, lai to saprastu, ir skaidri. Augstas enerģijas daļiņas, parasti saules uzliesmojumu veidā, var radīt draudus kosmosa tehnoloģijām. Turklāt, ja runa ir par kosmosa izpēti kopumā, noder arī izpratne par to, kā mūsu atmosfēra mijiedarbojas ar saules vēju. Apsveriet mūsu pašreizējos centienus atrast dzīvi ārpus mūsu pašu planētas Saules sistēmā. Ja ir viena lieta, ko mums ir iemācījušas gadu desmitiem ilgas misijas uz tuvējām planētām, tad planētas atmosfērai un magnētiskajai videi ir izšķiroša nozīme, nosakot apdzīvojamību.
Zemei tuvu ir divi piemēri: Marss, kura atmosfēra ir plāna un ir pārāk auksts; un Venēra, kuras atmosfēra ir pārāk blīva un pārāk karsta. Ārējā Saules sistēmā Saturna mēness Titāns turpina mūs intriģēt, galvenokārt neparastās atmosfēras dēļ. Tā kā vienīgais ķermenis ar atmosfēru bagātu atmosfēru, izņemot Zemi, tā ir arī vienīgā zināmā planēta, kur šķidruma pārnešana notiek starp virsmu un atmosfēru - kaut arī ar naftas ķīmijas līdzekļiem, nevis ūdeni.
Turklāt NASA misija Juno nākamos divus gadus pavadīs, izpētot paša Jupitera magnētisko lauku un atmosfēru. Šī informācija mums daudz pastāstīs par Saules sistēmas lielāko planētu, taču ir arī cerība, ka tā nedaudz parādīs planētu veidošanās vēsturi Saules sistēmā.
Pēdējo piecpadsmit gadu laikā Klasteris ir daudz spējis pastāstīt astronomiem par to, kā Zemes atmosfēra mijiedarbojas ar saules vēju, un ir palīdzējis izpētīt magnētiskā lauka parādības, kuras mēs esam tikai sākuši saprast. Un, lai gan ir vēl daudz ko mācīties, zinātnieki piekrīt, ka līdz šim atklātais būtu bijis neiespējams bez tādas misijas kā Klastera.
