Klynger 20 år med at studere Jordens magnetosfære

På trods af en nominel levetid på to år, ESA's Cluster går nu ind i sit tredje årti i rummet. Denne unikke mission med fire rumfartøjer har afsløret hemmelighederne bag Jordens magnetiske miljø siden 2000 og, med 20 års observationer under bælte, muliggør stadig nye opdagelser, da den udforsker vores planets forhold til Solen.

Som den eneste planet kendt for at være vært for liv, Jorden indtager en helt unik plads i solsystemet. Klyngemissionen, lanceret i sommeren 2000, blev designet og bygget til at studere måske den ene hovedting, der gør Jorden til en unik beboelig verden, hvor liv kan trives. Denne ene livsmuliggørende ting er Jordens kraftfulde magnetosfære, som beskytter planeten mod bombardementet af kosmiske partikler, men også interagerer med dem, skabe spektakulære fænomener, såsom polarlys.

Jordens magnetosfære, et dråbeformet område, der begynder omkring 65, 000 kilometer væk fra planeten på dagsiden og strækker sig op til 6, 300, 000 kilometer på natsiden, er et resultat af samspillet mellem planetens magnetfelt, genereret af bevægelserne af dens smeltede metalkerne, og solvinden. Cluster er den første mission, der har studeret, modelleret og tredimensionelt kortlagt denne region og processerne i den i detaljer. Ved at gøre det, det hjalp med at fremme vores forståelse af rumvejrsfænomener, som opstår fra samspillet mellem magnetosfæren og de energiske partikler, der danner solvinden. Disse fænomener kan skade ikke kun levende organismer, men også elektronisk udstyr, enten på jorden eller i kredsløb.

Rumba, Salsa, Samba og Tango

Cluster-missionen omfatter fire rumfartøjer, der flyver i en pyramidelignende formation på en elliptisk polarbane. De fire rumfartøjer, kaldet Rumba, Salsa, Samba og Tango, hver bærer den samme nyttelast på 11 avancerede instrumenter, blev sendt i kredsløb med to raketopsendelser den 16. juli og 9. august 2000.

Selvom missionen er blevet en enorm succes, har muliggjort adskillige videnskabelige gennembrud, det er tidlige dage gik ikke uden problemer. En underydelse af den første fase af Soyuz-raketten efterlod Rumba og Tango i en forkert bane, tvinger dem til at stole på deres egen fremdrift, samt Fregat øvre fase af Soyuz, at komme til den rigtige position for at slutte sig til Salsa og Samba. Uheldet fulgte den mislykkede lancering af den originale Cluster I-kvartet i 1996.

"ESA var lidt bekymret for 20 år siden, under opsendelsen af ​​det andet par rumfartøjer, " indrømmer Philippe Escoubet, Cluster Project Scientist hos ESA "Siden da, missionen har gjort store fremskridt, og det er langt fra færdigt."

I løbet af de sidste to årtier, Klyngeobservationer har afsløret detaljer om processerne i magnetosfæren, afsløret, hvordan atmosfæren understøtter livet, og gav essentiel indsigt i rumvejr, der er nødvendig for at muliggøre sikker satellitkommunikation og rum- eller luftrejser.

En unik arkitektur

Nøglen til missionens kraft er ikke kun dens fire-rumfartøjskonfiguration, men også det faktum, at operatører kan justere afstanden mellem de fire satellitter fra 3 op til 60, 000 kilometer afhængigt af det videnskabelige mål.

"Dette multi-rumfartøjsdesign er nøglen til Clusters succes, " forklarer Philippe. "Ved at bruge fire rumfartøjer i stedet for et, Cluster er i stand til unikt at måle flere områder af rummet - og få flere perspektiver på en bestemt begivenhed eller aktivitet, såsom en solstorm - samtidig."

Når man er tættere på hinanden, Cluster-rumfartøjet kan grave ind i de finere magnetiske strukturer i det nære Jord-rum; når mere adskilt, de kan få et bredere syn på aktiviteter i bredere skala. På tværs af dens bane, Klynge flyver både inden for og uden for Jordens magnetosfære, giver den mulighed for at undersøge fænomenerne på begge sider af vores planets magnetiske skjold.

Polarkraft

Mens de fleste missioner, der udforsker Jordens magnetiske fænomener, fokuserer på ækvator, hvor mange elektriske strømme flyder, Cluster-kvartetten kredser om Jorden i en polær bane, hvilket gør det muligt at passere periodisk over begge Jordens poler. De polære områder er magnetisk ekstremt dynamiske. Solvind i dette område kan trænge dybere ind i Jordens øvre atmosfære gennem polarspidserne, tragtlignende åbninger i magnetosfæren over polerne, giver anledning til de spektakulære nordlys.

Clusters evne til at observere højere breddegrader end andre missioner gjorde missionen til en nøglespiller i dannelsen af ​​et globalt magnetosfærisk kort.

Et element i dette var en nøjagtig kortlægning af positionen og udbredelsen af ​​såkaldt koldt plasma (langsomtgående ladede partikler) rundt om Jorden i tre dimensioner. Sådan plasma - som Cluster fandt til, overraskende, dominerer magnetosfærens volumen op til 70 % af tiden – menes at spille en nøglerolle i, hvordan stormfuldt rumvejr påvirker vores planet. Cluster har også undersøgt, hvordan de indre dele af Jordens magnetosfære arbejder for at genopbygge andre dele med frisk plasma, observerer ikke kun sporadiske faner, der skubber plasma udad, men også en konstant atmosfærisk lækage på næsten 90 tusinde kg materiale om dagen

20 års opdagelse

Gennem sin kortlægning af Jordens magnetfelt, og sammenligning af dette med Mars' glansløse nutidige magnetisme, Cluster har bekræftet vigtigheden af ​​vores magnetosfære for at beskytte os mod solvinden.

Cluster har afsløret mere om dynamikken i magnetohale, den del af magnetosfæren, der strækker sig 'bagved' vores planet væk fra Solen. Missionen identificerede, at magnetfeltet i denne region svinger i amplitude på grund af interne 'knæklignende' bølger, og løste et mangeårigt mysterium ved at bestemme, at fænomenet 'ækvatorial støj' (støjende plasmabølger fundet nær ækvatorialplanet af Jordens magnetfelt) er genereret af protoner.

Ved at undersøge de rumlige karakteristika af det ydre område af magnetosfæren, Cluster har bragt en dybere forståelse af, hvordan solvindpartikler kan trænge ind i vores magnetiske 'skjold'. Solvinden er en strøm af ladede partikler, der flyder ud i rummet fra Solen, bevæger sig med hastigheder på op til 2000 kilometer i timen. Klynge identificerede små hvirvler af turbulens, der påvirker, hvordan energi (varme) fordeles i hele denne vind, og opdagede, at mens det beskytter os mod indkommende partikler, vores magnetosfære er ret porøs og silignende, tillader overophedede solvindpartikler at bore igennem.

Ved at samarbejde med andre missioner, Cluster har hjulpet med at afsløre virkemåden af ​​"theta" nordlys på høje breddegrader og mindre velkendte "sorte nordlys", muliggør en detaljeret forståelse af, hvordan forskellige områder af rummet udveksler partikler. Missionen opdagede også oprindelsen af ​​såkaldte 'dræberelektroner', energiske partikler i Jordens ydre strålingsbælte, der kan forårsage kaos for satellitter, ved at observere denne proces på egen hånd. Cluster fandt, at disse elektroner opstod, da solstorm-relaterede stødbølger komprimerer Jordens magnetiske feltlinjer, hvilket resulterer i, at disse linjer vibrerer og accelererer elektroner til høje, og farligt, hastigheder.

Cluster har undersøgt dynamikken i en proces kendt som magnetisk genforbindelse, at levere de første in situ observationer af magnetfeltlinjer, der brydes og reformeres - et fund, der krævede flere samtidige observationer, som kun Cluster kunne yde på det tidspunkt. Klyngedata viste også, at energi frigives på uventede måder under genforbindelseshændelser, hjælper videnskabsmænd med at opbygge en bedre forståelse af plasmadynamik.

Rumvejr og geomagnetiske storme, fænomener drevet af Jordens forhold til Solen, har været et fokusemne for Cluster. Missionen har modelleret Jordens magnetfelt i både lav og høj højde, og identificerede den komplekse dynamik, der er på spil i selve solvinden, med det mål at muliggøre mere informeret og præcis 'rumvejrsprognose'. I slutningen af ​​sidste år, ved at analysere Clusters omfattende Science Archive, videnskabsmænd var også i stand til at frigive den uhyggelige 'sang', som Jorden udsender, når den bliver ramt af en solstorm, skabt af magnetfeltbølger.

En skatkammer af data

Gennem sine mange års drift, Cluster har samlet et hidtil uset lager af data om Jordens miljø. Faktisk, ved at trække på 18 år af disse data, videnskabsmænd fandt for nylig ud af, at jern er udbredt, og overraskende nok fordelt i hele vores planets nærhed, demonstrerer Clusters vedvarende kraft til at lette nye videnskabelige opdagelser.

"At have en så lang baseline af data har muliggjort en række virkelig banebrydende resultater, " tilføjer Arnaud Masson, Stedfortrædende projektforsker for Cluster-missionen hos ESA. "Ved løbende at overvåge og registrere dynamikken og egenskaberne af Jordens magnetosfære over to årtier, Cluster har skabt helt nye muligheder for forskere til at spotte nye eller længerevarende tendenser på forskellige rumlige og tidsmæssige skalaer."

Klynge, sammen med andre ESA-rumfartøjer, baner også vejen for kommende missioner såsom den europæisk-kinesiske solvind-magnetosfære-ionosfære-link Explorer (SMILE), som er planlagt til lancering i 2023. SMILE vil grave dybere ned i Sun-Earth-forbindelsen, og vil bygge videre på Clusters bemærkelsesværdige arbejde for at afsløre endnu mere om det komplekse og spændende magnetiske miljø omkring vores planet.

"I to årtier nu, Cluster har været en spændende og virkelig banebrydende mission, sende alle mulige nye oplysninger tilbage om universet omkring os, " siger Philippe. "Takket være dets unikke design, lang levetid, og avancerede funktioner, Cluster har låst op for et væld af hemmeligheder om miljøet omkring Jorden. Klyngen går stadig stærkt, og vil fortsætte med at hjælpe os med at karakterisere de fænomener, vi ser omkring os for – forhåbentlig! – de kommende år."