My tady na Zemi máme štěstí, že máme životaschopnou atmosféru, takovou, která je chráněna zemskou magnetosférou. Bez tohoto ochranného obalu by byl život na povrchu bombardován škodlivým zářením vycházejícím ze Slunce. Horní atmosféra Země však stále pomalu uniká, přičemž z horní atmosféry uniká asi 90 tun materiálu denně a proudí do vesmíru.
A přestože astronomové tento únik již nějakou dobu zkoumají, stále existuje mnoho nezodpovězených otázek. Například, kolik materiálu se ztrácí ve vesmíru, jaké druhy a jak to spolupůsobí se slunečním větrem a ovlivňuje naše magnetické prostředí? Takový byl účel Evropské vesmírné agentury Klastrový projekt , série čtyř identických kosmických lodí, které posledních 15 let měří magnetické prostředí Země.
Pochopení interakce naší atmosféry se slunečním větrem nejprve vyžaduje, abychom porozuměli tomu, jak funguje magnetické pole Země. Pro začátek sahá z nitra naší planety (a předpokládá se, že je výsledkem dynamo efektu v jádru) a zasahuje až do vesmíru. Tato oblast vesmíru, na kterou působí naše magnetické pole, je známá jako magnetosféra.
Vesmírná loď čtyř Cluster překračující severní okraj zemské magnetosféry. Kredit: ESA/AOES Medialab
Vnitřní část této magnetosféry se nazývá plazmosféra, oblast ve tvaru koblihy, která sahá do vzdálenosti asi 20 000 km od Země a společně s ní rotuje. Magnetosféra je také zaplavena nabitými částicemi a ionty, které se zachytí uvnitř, a poté se odrážejí tam a zpět podél siločar regionu.
Na svém předním okraji obráceném ke Slunci se magnetosféra setkává se slunečním větrem – proudem nabitých částic proudících ze Slunce do vesmíru. Místo, kde dochází ke kontaktu, je známé jako „Bow Shock“, který je tak pojmenován, protože jeho magnetické siločáry nutí sluneční vítr, aby získal tvar luku, když kolem nás prochází.
Když sluneční vítr prochází nad zemskou magnetosférou, opět se shromažďuje za naší planetou a vytváří magnetotail – podlouhlou trubici, která obsahuje zachycené vrstvy plazmy a interagující siločáry. Bez tohoto ochranného obalu by zemská atmosféra byla pomalu se svlékal před miliardami let osud, o kterém se dnes předpokládá, že potkal Mars.
Jak již bylo řečeno, magnetické pole Země není přesně hermeticky uzavřeno. Například na pólech naší planety jsou siločáry otevřené, což umožňuje slunečním částicím vstoupit a naplnit naši magnetosféru energetickými částicemi. Za tento proces je zodpovědný polární záře a Aurora australská (také znám jako polární a jižní světlo).
Ilustrace zobrazující přirozenou bariéru, kterou nám Země poskytuje proti slunečnímu záření. Kredit: NASA.
Současně mohou částice z horní atmosféry Země (ionosféry) uniknout stejným způsobem, cestovat nahoru přes póly a být ztraceny ve vesmíru. Navzdory tomu, že jsme se hodně dozvěděli o magnetických polích Země a o tom, jak vzniká plazma prostřednictvím jeho interakce s různými částicemi, mnoho o celém procesu nebylo až donedávna jasné.
Jak uvedl Arnaud Masson, zástupce projektového vědce ESA pro misi Cluster v ESA tisková zpráva :
'Otázka transportu plazmatu a ztráty atmosféry je relevantní pro planety i hvězdy a je neuvěřitelně fascinujícím a důležitým tématem. Pochopení toho, jak atmosférická hmota uniká, je zásadní pro pochopení toho, jak se život na planetě může vyvíjet.Interakce mezi příchozím a odchozím materiálem v zemské magnetosféře je v tuto chvíli horkým tématem; odkud přesně tyto věci pocházejí? Jak se dostal do našeho prostoru?'
Vzhledem k tomu, že naše atmosféra obsahuje 5 kvadrilionů tun hmoty (to je 5 x 10patnáctnebo 5 000 000 miliard tun), ztráta 90 tun denně není příliš velká. Toto číslo však nezahrnuje hmotnost „studených iontů“, které se pravidelně přidávají. Tento termín se obvykle používá k popisu vodíkových iontů, o kterých nyní víme, že se pravidelně ztrácejí v magnetosféře (spolu s ionty kyslíku a helia).
Vzhledem k tomu, že vodík potřebuje k úniku z naší atmosféry méně energie, ionty, které se vytvoří, jakmile se tento vodík stane součástí plazmové sféry, mají také nízkou energii. V důsledku toho byly v minulosti velmi obtížné odhalit. A co víc, vědci vědí o tomto toku iontů kyslíku, vodíku a helia – které pocházejí z polárních oblastí Země a doplňují plazmu v magnetosféře – jen několik desetiletí.
Ilustrace iontů vytékajících z polární čepičky směrem k magnetotailu. Kredit: ESA – C. Carreau
Předtím se vědci domnívali, že za plazmu v magnetosféře Země jsou zodpovědné pouze sluneční částice. Ale v posledních letech pochopili, že do plazmosféry přispívají dva další zdroje. První z nich jsou sporadické „chmury“ plazmy, které rostou v plazmové sféře a putují ven směrem k okraji magnetosféry, kde interagují s plazmou slunečního větru přicházejícího opačným směrem.
Ten druhý zdroj? Zmíněný atmosférický únik. Zatímco se skládá z bohatých iontů kyslíku, hélia a vodíku, zdá se, že nejdůležitější roli hrají studené vodíkové ionty. Nejen, že představují značné množství hmoty ztracené ve vesmíru a mohou hrát klíčovou roli při utváření našeho magnetického prostředí. A co víc, většina satelitů, které v současné době obíhají kolem Země, není schopna detekovat studené ionty přidávané do směsi, což Cluster dokáže.
V roce 2009 a v roce 2013 sondy Cluster byly schopny charakterizovat jejich sílu, stejně jako sílu jiných zdrojů plazmatu přidávaného do zemské magnetosféry. Vezmeme-li v úvahu pouze studené ionty, množství atmosféry, která se ztrácí v prostoru, činí několik tisíc tun za rok. Stručně řečeno, je to jako ztráta ponožek. Není to velký problém, ale rádi byste věděli, kam jdou, že?
To byla další oblast, na kterou se zaměřila mise Cluster, která se poslední dekádu a půl pokoušela prozkoumat, jak se tyto ionty ztrácejí, odkud pocházejí a podobně. Jako Philippe Escoubet, projektový vědec ESA pro misi Cluster, položit to :
'V podstatě musíme zjistit, jak studené plazma skončí v magnetopauze.To má několik různých aspektů; potřebujeme vědět, jaké procesy tam transportují, jak tyto procesy závisí na dynamickém slunečním větru a podmínkách magnetosféry a odkud se plazma vůbec bere – má svůj původ v ionosféře, plazmové sféře, popř. někde jinde?'
Barevná ilustrace zobrazující měřítko planet v naší sluneční soustavě se zaměřením na Jupiter a Saturn. Kredit: NASA
Důvody pro pochopení jsou jasné. Částice s vysokou energií, obvykle ve formě slunečních erupcí, mohou představovat hrozbu pro vesmírné technologie. Pochopení toho, jak naše atmosféra interaguje se slunečním větrem, je navíc užitečné, pokud jde o průzkum vesmíru obecně. Zvažte naše současné úsilí najít život mimo naši vlastní planetu ve Sluneční soustavě. Pokud nás něco naučily desítky let misí na blízké planety, pak je to, že atmosféra planety a magnetické prostředí jsou rozhodující pro určení obyvatelnosti.
V těsné blízkosti Země jsou toho dva příklady: Mars, který má tenkou atmosféru a je příliš studený; a Venuše, jejíž atmosféra je příliš hustá a příliš horká. Ve vnější sluneční soustavě, Saturnův měsíc Titan nepřestává nás fascinovat, a to především kvůli neobvyklé atmosféře. Jako jediné těleso s atmosférou bohatou na dusík kromě Země je také jedinou známou planetou, kde dochází k přenosu kapalin mezi povrchem a atmosférou – i když s petrochemickými látkami místo vody.
Navíc od NASA mise Juno stráví příští dva roky zkoumáním vlastního magnetického pole a atmosféry Jupiteru. Tyto informace nám řeknou mnoho o největší planetě Sluneční soustavy, ale také se doufá, že vrhne nějaké světlo na historii planetárního formování ve Sluneční soustavě.
Za posledních patnáct let dokázal Cluster astronomům říct hodně o tom, jak zemská atmosféra interaguje se slunečním větrem, a pomohl prozkoumat jevy magnetického pole, kterým jsme teprve začali rozumět. A i když je toho ještě mnohem víc, co se můžeme naučit, vědci se shodují, že to, co bylo dosud odkryto, by bylo nemožné bez mise, jako je Cluster.
Další čtení: TENTO