Jern er overalt i Jordens nærhed, foreslår to årtiers klyngedata

Ved at bruge over 18 års data fra ESA's Cluster-mission, Forskere har kortlagt tungmetallerne i rummet omkring Jorden, at finde en uventet fordeling og udbredelse af jern og kaste lys over sammensætningen af ​​vores kosmiske miljø.

Rummet formodes ofte at være blottet for stof, men teknisk set er det ikke rigtig tomt:fordelingen af ​​stof er bare meget, meget sparsomt. I nærheden af ​​Jorden, det rum, som forskerne kalder 'geospace', er faktisk fyldt med ladede partikler:en blanding af elektroner, som har negativ ladning, og positivt ladede ioner. Disse ioner er nøglespillere i de elektrodynamiske processer, vi ser i georummet, og bidrage til det turbulente, foranderlige karakter af denne del af kosmos.

En overraskende opdagelse

En ny undersøgelse bruger over 18 års data fra ESA's Cluster-mission – lanceret i august 2000 og nærmer sig dens 20-års jubilæum i rummet – til at udforske forekomsten af ​​en vigtig ion, der menes at være relativt sjælden nær Jorden:jern. Ved at dykke ned i klyngedata indsamlet fra 2001 til 2018, forskerne opdagede en uventet fordeling af jern i hele georummet.

"Selvom mængderne er små, vi fandt jern overalt:på tværs af hele området af georum dækket af Cluster, og i den nærjordiske solvind - den kontinuerlige udstrømning af ladede partikler fra solen, " siger hovedforfatter Stein Haaland fra Max Planck Institute for Solar System Research i Göttingen, Tyskland, og Birkeland Center for Space Science ved Universitetet i Bergen, Norge.

"Vi opdagede jern i omkring 10% af observationerne, som givet den relative sjældenhed af ionen, er overraskende. Vi havde ikke forventet at finde det så tit."

Imidlertid, det er ikke tilstedeværelsen af ​​jern i sig selv, der er overraskende, men snarere dens egenskaber. JAXA/NASA Geotail satellitten, som har brugt over 25 år på at observere Jordens magnetiske miljø, havde opdaget enkelt-ioniseret jern i geospace i 2017. Det er jernatomer, der kun er blevet strippet for de mest ydre af deres elektroner. De nye resultater bekræfter ikke kun dette fund, men giver en væsentlig ny del af billedet.

"Klyngeobservationerne fokuserer på et langt højere energiområde end Geotail, og give os et mere komplet billede af rummet omkring os, detekterer ikke kun enkelt-ioniseret jern, men også multi-ioniseret jern - disse er ioner i højere energitilstande, som er blevet strippet for mere end én elektron, " tilføjer Stein. "Jern i solvinden har en tendens til at blive set i højere ladningstilstande, så vi har brug for dette bredere, højere energiområde for at forstå solvinden i særdeleshed og dens indvirkning på Jordens magnetiske miljø."

Kilden til jern i geospace

Ioner kan trænge ind i georummet fra oven eller nedefra. Nogle rejser op fra Jordens atmosfære, mens andre strømmer ind fra solvinden. Kilden til tungmetaller, såsom jern, diskuteres stadig - hvor kommer disse ioner fra, og hvordan bidrager de til de fænomener, vi ser omkring os?

"Geotail-observationerne fokuserede på jern, der bevægede sig op fra Jordens atmosfære, og ved ret lave energier, " forklarer Stein. "Vi fandt ud af, at der kommer meget mere jern fra solen, og ved langt højere energier. Vi fandt også jern i områderne over Jordens polære hætter - et sted, som Geotail ikke dækkede."

Bygger på tidligere resultater, den nye undersøgelse udforsker den potentielle kilde til det ioniserede jern i mere dybde. Dette er en nøglefaktor for at forstå dynamikken og egenskaberne i georummet, vores magnetosfære, solvinden, og hvordan disse strukturer mødes og interagerer.

Tidligere forskning har foreslået, at påvisning af jernioner på højere breddegrader kan skyldes en række faktorer, inklusive meteoritter, der trænger ind i Jordens atmosfære og bryder op, partikler hævet fra visse lag af atmosfæren, eller endda partikler, der udstødes fra Månen. Imidlertid, de nye klyngeresultater viser ikke overbevisende beviser for nogen af ​​disse processer; i stedet, de foreslår, at jernet kommer direkte fra solen.

"Dataene om jernfordeling og tilstedeværelse varierede over tid på en måde, der matchede med forstyrrelser i Jordens magnetfelt, og langsigtede udsving i solaktivitet, " siger Stein. "Dette tyder på, at det meste af jernet i georummet stammer fra solvinden, der passerede gennem magnetosfæren, i stedet for at rejse opad fra vores planets atmosfære."

Skjult i data

For at kortlægge sammensætningen af ​​geospace, Stein og kolleger brugte Cluster-data på en uventet måde. De udnyttede målinger, der ikke var indsamlet til videnskabelige formål, men til operationel diagnostik af et af rumfartøjets instrumenter – RAPID (Research with Adaptive Particle Imaging Detectors).

Instrumentet identificerer og karakteriserer de forskellige ioner, det detekterer ved at måle deres energier og rejsetid inde i detektoren. For den almindelige videnskabelige virksomhed, RAPID beregner kun disse egenskaber for brint, helium- og oxygenatomer; imidlertid, til diagnostiske formål, instrumentet giver yderligere egenskaber for et begrænset antal partikler, udvidelse af det undersøgte område til tungere ioner.

Disse målinger tjener til at kalibrere instrumentet og sikre, at det fungerer efter hensigten. Imidlertid, forskerne brugte disse diagnostiske observationer - i alt 122 000 timer - til at bestemme sammensætningen af ​​indkommende ioner og identificere jernpartikler.

"RAPIDs evne til at måle ionsammensætning var essentiel. Vi har brug for sammensætningsmålinger for at hjælpe os med bedre at forstå, hvor de forskellige grundstoffer fundet på eller nær Jorden kommer fra, og at karakterisere vores kosmiske miljø, siger Stein.

Mining af arkiver

At forstå rummet omkring Jorden er et af Clusters kernemål. Kvartetten af ​​rumfartøjer, flyver i formation rundt om Jorden, har brugt år på at passere ind og ud af vores planets magnetfelt, at undersøge, hvordan solen og Jorden interagerer og karakterisere de fænomener, der forårsages af disse interaktioner.

Missionens levetid og dens brede kredsløb har gjort det muligt for den at indsamle næsten to årtiers data, der dækker alle områder nær Jorden i rummet, og store dele af solvinden.

"Vi havde brug for denne lange tidsperiode for vores forskning - og dette var kun muligt takket være Cluster Science Archive, som giver data af den bedste kvalitet, som det videnskabelige samfund kan bruge, " tilføjer medforfatter Patrick Daly, også fra Max Planck Institute for Solar System Research og hovedforsker af RAPID-instrumentet.

"Det tog en betydelig indsats at oprette dette arkiv, og til konstant at opretholde sine meget høje standarder for kalibrering og pålidelighed. Arkivet er en ære til de talrige dedikerede ingeniører, rumfartøjsoperatører og dataarkiveringshold, der har sikret, at Cluster forbliver operationelt og stadig leverer nye, spændende, tilgængelig information om jordens nærområde."

Især datasættene i Cluster Science Archive inkluderer detaljerede diagnostiske data - noget der normalt ikke er inkluderet i alle missionsarkiver.

"Dette fremhæver vigtigheden af ​​videnskabelige arkiver i almindelighed og diagnostiske data i særdeleshed, viser, hvordan virkelig værdifuld information kan hentes fra disse alsidige datasæt for at producere banebrydende videnskabelige resultater, " siger Philippe Escoubet, ESA Cluster Project Scientist.

"Det demonstrerer også fint, hvordan forskning konstant udvikler sig og skubber fremad. At opdage jern ville have været et fuldstændig uventet resultat, da Cluster først blev lanceret, men missionen fortsætter med at levere en skattekiste af data om Jordens miljø."