My tady na Zemi máme štěstí, že máme životaschopnou atmosféru, která je chráněna magnetosférou Země. Bez této ochranné obálky by život na povrchu bombardoval škodlivé záření vycházející ze Slunce. Horní zemská atmosféra však stále pomalu uniká, přičemž kolem 90 tun materiálu denně uniká z horní atmosféry a proudí do vesmíru.
A ačkoli astronomové tento únik zkoumali již nějakou dobu, stále existuje mnoho nezodpovězených otázek. Například, kolik materiálu se ztrácí do vesmíru, jaké druhy a jak to ovlivňuje sluneční vítr a ovlivňuje naše magnetické prostředí? To byl účel projektu Cluster Evropské kosmické agentury, série čtyř identických kosmických lodí, které za posledních 15 let měřily magnetické prostředí Země.
Pochopení interakce naší atmosféry se slunečním větrem nejprve vyžaduje, abychom pochopili, jak funguje magnetické pole Země. Pro začátek to sahá od vnitřku naší planety (a věří se, že je výsledkem dynamo efektu v jádru) a dosahuje až ven do vesmíru. Tato oblast vesmíru, na kterou naše magnetické pole působí, je známá jako magnetosféra.
Vnitřní část této magnetosféry se nazývá plazmasféra, oblast ve tvaru koblihy, která se rozprostírá do vzdálenosti asi 20 000 km od Země a společně s ní rotuje. Magnetosféra je také zaplavena nabitými částicemi a ionty, které se zachytí dovnitř, a poté jsou posílány poskakující sem a tam podél polních linií oblasti.
Na jejím předním okraji, orientovaném na Slunce, magnetosféra setkává sluneční vítr - proud nabitých částic proudících ze slunce do vesmíru. Místo, kde přicházejí do styku, je známé jako „Bow Shock“, které je tak pojmenováno, protože jeho magnetické siločáry nutí sluneční vítr, aby převzal tvar luku, když prochází kolem nás a kolem nás.
Jak sluneční vítr prochází zemskou magnetosférou, znovu se schází za naší planetou, aby vytvořil magnetickou plachtu - protáhlou trubici, která obsahuje zachycené listy plazmy a ovlivňující siločáry. Bez této ochranné obálky by byla zemská atmosféra pozvolna zbavena miliardy let, což je osud, o kterém se nyní věří, že na Marsu narazil.
Jak již bylo řečeno, magnetické pole Země není přesně hermeticky uzavřeno. Například na pólech naší planety jsou polní čáry otevřené, což umožňuje, aby sluneční částice vstupovaly do naší magnetosféry a naplňovaly energetické částice. Tento proces je zodpovědný za Aurora Borealis a Aurora Australis (aka. Severní a jižní světla).
Současně mohou částice z horní zemské atmosféry (ionosféra) uniknout stejným způsobem, cestovat nahoru póly a být ztraceny do vesmíru. Navzdory mnoha poznatkům o magnetických polích Země a o tom, jak se plazma formuje díky interakci s různými částicemi, až do nedávné doby bylo mnoho o celém procesu nejasné.
Jako Arnaud Masson, zástupce vědeckého pracovníka ESA pro misi Cluster uvedl v tiskové zprávě ESA:
“Otázka transportu plazmy a atmosférických ztrát je důležitá pro planety i hvězdy a je neuvěřitelně fascinujícím a důležitým tématem. Pochopení toho, jak uniká atmosférická hmota, je zásadní pro pochopení toho, jak se může na planetě vyvíjet život. Interakce mezi příchozím a odchozím materiálem v zemské magnetosféře je v tuto chvíli horkým tématem; odkud přesně tyto věci pocházejí? Jak to vstoupilo do našeho prostoru vesmíru?“
Vzhledem k tomu, že naše atmosféra obsahuje 5 quadrillion tun hmoty (to je 5 x 10)15nebo 5 000 000 miliard tun), ztráta 90 tun za den neznamená mnoho. Toto číslo však nezahrnuje množství „studených iontů“, které se pravidelně přidávají. Tento termín se obvykle používá k popisu vodíkových iontů, o kterých víme, že se pravidelně ztrácí v magnetosféře (spolu s ionty kyslíku a helia).
Protože vodík potřebuje méně energie k úniku z naší atmosféry, mají ionty, které se vytvoří, jakmile se tento vodík stane součástí plazmasféry, také nízkou energii. V důsledku toho bylo v minulosti velmi obtížné je odhalit. Vědci navíc o tomto toku kyslíku, vodíku a helia, které pocházejí z polárních oblastí Země a doplňují plazmu v magnetosféře, věděli teprve několik desetiletí.
Před tím vědci věřili, že za plazmu v magnetosféře Země jsou zodpovědné pouze sluneční částice. Ale v posledních letech pochopili, že k plazmasféře přispívají dva další zdroje. První z nich jsou sporadické „oblaky“ plazmy, které rostou uvnitř plazmasféry a putují ven směrem k okraji magnetosféry, kde interagují s plazmou sluneční větru přicházející opačně.
Další zdroj? Výše uvedený atmosférický únik. Zatímco to sestává z hojných kyslíkových, heliových a vodíkových iontů, zdá se, že studené vodíkové ionty hrají nejdůležitější roli. Nejen, že představují významné množství hmoty ztracené do vesmíru, a mohou hrát klíčovou roli při utváření našeho magnetického prostředí. A co víc, většina satelitů, které v současné době obíhají kolem Země, nedokáže detekovat přidávání studených iontů do směsi, což je Cluster schopen.
V letech 2009 a 2013 dokázaly klastrové sondy charakterizovat jak sílu, tak sílu dalších zdrojů plazmy přidaných do magnetosféry Země. Když se vezmou v úvahu pouze studené ionty, množství ztracené atmosféry o prostoru činí několik tisíc tun ročně. Stručně řečeno, je to jako ztráta ponožek. Není to moc, ale chtěli byste vědět, kam jdou, že?
To je další oblast, na kterou se zaměřuje mise Cluster, která se za poslední desetiletí a půl pokouší prozkoumat, jak jsou tyto ionty ztraceny, odkud pocházejí a podobně. Jako Philippe Escoubet, projektový vědec ESA pro misi Cluster, to řekl:
“V podstatě musíme zjistit, jak studená plazma končí v magnetopauze. K tomu existuje několik různých aspektů; potřebujeme znát procesy související s jeho transportem tam, jak tyto procesy závisejí na dynamickém slunečním větru a podmínkách magnetosféry a kde plazma vychází především - vzniká v ionosféře, plazmasféře nebo někde jinde?“
Důvody, proč tomu rozumíme, jsou jasné. Částice s vysokou energií, obvykle ve formě slunečních erupcí, mohou představovat hrozbu pro vesmírnou technologii. Kromě toho je pochopení toho, jak naše atmosféra interaguje se slunečním větrem, užitečné také, pokud jde o průzkum vesmíru obecně. Zvažte naše současné úsilí o nalezení života za naší planetou ve Sluneční soustavě. Pokud nás naučila desetiletí misí na blízké planety, je rozhodující pro určování návykovosti atmosféra a magnetické prostředí planety.
V těsné blízkosti Země existují dva příklady: Mars, který má tenkou atmosféru a je příliš chladný; a Venuše, která je příliš hustá a příliš horká. Ve vnější sluneční soustavě nás Saturnův měsíc Titan stále fascinuje, hlavně kvůli neobvyklé atmosféře. Jako jediné těleso s atmosférou bohatou na dusík kromě Země je to také jediná známá planeta, kde dochází k přenosu tekutin mezi povrchem a atmosférou - i když s petrochemikálií místo vody.
Kromě toho bude mise Juno NASA v Juno strávit další dva roky zkoumáním vlastního magnetického pole a atmosféry Jupitera. Tato informace nám hodně řekne o největší planetě sluneční soustavy, ale také se očekává, že vrhne nějaké světlo na planetární formaci historie v sluneční soustavě.
V posledních patnácti letech Cluster dokázal astronomům říct hodně o tom, jak zemská atmosféra spolupůsobí se slunečním větrem, a pomohl prozkoumat jevy magnetického pole, kterým jsme teprve začali rozumět. A i když je toho ještě mnoho, co se musíme naučit, vědci souhlasí s tím, že to, co bylo dosud odhaleno, by nebylo možné bez mise jako Cluster.
