Jordens magnetiske sang optaget for første gang under en solstorm

På dette billede, Jorden er prikken til venstre for billedet, og den store bue omkring den er vores planets magnetiske buechok. Det hvirvlende mønster til højre er forchokområdet, hvor solvinden bryder i bølger, når den møder reflekterede partikler fra buechokket. Billedet blev skabt ved hjælp af Vlasiator-modellen, en computersimulering udviklet ved Helsinki Universitet for at studere Jordens magnetiske interaktion med solvinden. Kredit:Vlasiator team, Helsinki Universitet

Data fra ESA's Cluster-mission har leveret en optagelse af den uhyggelige "sang", som Jorden synger, når den bliver ramt af en solstorm.

Sangen kommer fra bølger, der genereres i Jordens magnetfelt ved stormens kollision. Selve stormen er udbruddet af elektrisk ladede partikler fra solens atmosfære.

Et hold ledet af Lucile Turc, en tidligere ESA-forsker, der nu er baseret på Helsinki Universitet, Finland, gjort opdagelsen efter at have analyseret data fra Cluster Science Archive. Arkivet giver adgang til alle data opnået under Clusters igangværende mission gennem næsten to årtier.

Cluster består af fire rumfartøjer, der kredser om Jorden i formation, undersøger vores planets magnetiske miljø og dets interaktion med solvinden - en konstant strøm af partikler frigivet af solen til solsystemet.

Som en del af deres baner, Cluster-rumfartøjet flyver gentagne gange gennem forchokket, som er den første region, som partikler møder, når en solstorm rammer vores planet. Holdet fandt ud af, at i den tidlige del af missionen, fra 2001 til 2005, rumfartøjet fløj gennem seks sådanne kollisioner, registrere de bølger, der blev genereret.

Den nye analyse viser, at under sammenstødet, forchokket er drevet til at frigive magnetiske bølger, der er meget mere komplekse end først antaget.

De magnetiske bølger målt af ESA's Cluster-mission i det magnetiske forchok over Jorden - den første region af vores planets magnetiske miljø, som solvindpartikler møder - under rolige rumvejrforhold. Videoen indeholder en 'sonificering' af de magnetiske bølger i det uforstyrrede forchok, opnås ved at omdanne disse magnetiske bølgers frekvenser til hørbare signaler. I det uforstyrrede forskælv, lydene er meget lave og monotone. Kredit:ESA/Cluster; L. Turc et al. (2019); Lyd:Martin Archer, Queen Mary University of London, CC BY-SA 3.0 IGO

"Vores undersøgelse afslører, at solstorme dybt ændrer forchokregionen, " siger Lucile.

Når frekvenserne af disse magnetiske bølger omdannes til hørbare signaler, de giver anledning til en uhyggelig sang, der måske minder mere om lydeffekterne af en science fiction-film end et naturfænomen.

I stille tider, når ingen solstorm rammer Jorden, sangen er lavere i tonehøjde og mindre kompleks, med en enkelt frekvens, der dominerer oscillationen. Når en solstorm rammer, frekvensen af bølgen er omtrent fordoblet, hvor den præcise frekvens af de resulterende bølger er afhængig af styrken af magnetfeltet i stormen.

"Det er som om stormen ændrer indstillingen af forschokket, " forklarer Lucile.

Og det stopper ikke der, fordi ikke kun frekvensen af bølgen ændrer sig, men den bliver også meget mere kompliceret end den enkelte frekvens, der er til stede i stille tider. Når stormen rammer forudskælvet, bølgen bryder ind i et komplekst netværk af forskellige, højere frekvenser.

Computersimuleringer af forchokket, udført ved hjælp af en model kaldet Vlasiator, som er under udvikling på Helsinki Universitet, demonstrere det indviklede bølgemønster, der opstår under solstorme.

De magnetiske bølger målt af ESA's Cluster-mission i det magnetiske forchok over Jorden - det første område af vores planets magnetiske miljø, som solvindpartikler møder - under en solstorm. Videoen indeholder en 'sonificering' af de magnetiske bølger opnået ved at transformere frekvenserne af disse magnetiske bølger til hørbare signaler. Under stormen, de magnetiske bølger i forchokket fordobler omtrent deres frekvens og bliver mere komplicerede end under rolige rumvejrforhold, hvilket resulterer i hørbare lyde, der er omkring en oktav højere og meget mere variable. Kredit:ESA/Cluster; L. Turc et al. (2019); Lyd:Martin Archer, Queen Mary University of London, CC BY-SA 3.0 IGO

Ændringerne i forchokket har magten til at påvirke den måde, solstormen forplantes ned til jordens overflade. Selvom det stadig er et åbent spørgsmål, præcis hvordan denne proces fungerer, det er klart, at den energi, der genereres af bølger i forchokket, ikke kan undslippe tilbage til rummet, da bølgerne skubbes mod Jorden af den indkommende solstorm.

Før de når vores atmosfære, imidlertid, bølgerne støder på en anden barriere, buechokket, som er det magnetiske område i rummet, der bremser solvindens partikler, før de kolliderer med Jordens magnetfelt. Kollisionen af de magnetiske bølger ændrer opførselen af buestødet, muligvis ændre den måde, den behandler energien fra den indkommende solstorm.

Bag buestødet, the magnetic fields of Earth start to resonate at the frequency of the waves and this contributes to transmit the magnetic disturbance all the way to the ground. It is a fast process, taking around ten minutes from the wave being generated at the foreshock to its energy reaching the ground.

Lucile and colleagues are now working to understand exactly how these complex waves are generated.

"We always expected a change in frequency but not the level of complexity in the wave, " tilføjer hun.

Solar storms are a part of space weather. While the solar wind is always blowing, explosive releases of energy close to the sun's surface generate turbulence and gusts that eventually give rise to solar storms.

This movie from the Vlasiator computer model shows the foreshock above Earth – the first region of our planet’s magnetic environment that solar wind particles encounter – being engulfed by a magnetic cloud during a solar storm. The waves generally become much smaller, and so higher in frequency, than those arising during calm space weather conditions, and they break up into a much more complicated pattern, which contains many different frequencies. Credit:Vlasiator team, University of Helsinki

Understanding space weather has become increasingly important to society because of the damaging effects solar storms can have on sensitive electronics and technology on ground and in space. It is now more important than ever that we understand how space weather disturbances such as solar storms propagate through the Solar System and down to Earth, and ESA's upcoming Solar Orbiter mission, scheduled for launch in February 2020, will greatly contribute to these investigations.

This new scientific study based on the long-lived Cluster mission provides another detail in that knowledge but it also has a larger role to play in our understanding of the universe. Magnetic fields are ubiquitous and so the kind of complex interaction seen in Earth's foreshock may take place in a variety of cosmic environments, including exoplanets orbiting close to their parent star, as they would be immersed in intense magnetic fields.

"This is an excellent example of how Cluster continues to extend our knowledge of the sun-Earth connection, even years after the original data was obtained, " says Philippe Escoubet, ESA Project Scientist for Cluster.

"The results take us deeper into the details of fundamental magnetic interactions that take place across the universe."

Sidste artikelLange rumflyvninger viste sig i nogle tilfælde at føre til, at blodet strømmer i den forkerte retning

Næste artikelExoplanet akse undersøgelse øger håbet om komplekst liv, bare ikke ved siden af