Meil siin Maal on õnne, et meil on elujõuline atmosfäär, selline, mida kaitseb Maa magnetosfäär. Ilma selle kaitseümbriseta pommitaks elu pinnal Päikesest lähtuv kahjulik kiirgus. Maakera ülemine atmosfäär lekib siiski endiselt aeglaselt: umbes 90 tonni materjali päevas põgeneb atmosfääri ülaosast ja voolab kosmosesse.
Ja kuigi astronoomid on seda leket juba mõnda aega uurinud, on endiselt palju vastamata küsimusi. Näiteks kui palju materjali kaob kosmosesse, milliseid ja kuidas see mõjutab päikesetuulega meie magnetilist keskkonda? See on olnud Euroopa Kosmoseagentuuri klastri projekti eesmärk, mis koosneb neljast identsest kosmoseaparaadist, mis on viimase 15 aasta jooksul mõõtnud Maa magnetkeskkonda.
Meie atmosfääri ja päikesetuule vastasmõju mõistmine eeldab kõigepealt mõistmist, kuidas Maa magnetväli töötab. Alustuseks ulatub see meie planeedi sisemusest (ja arvatakse, et see on tuuma dünamoefekti tulemus) ja ulatub kogu kosmosesse. Seda kosmose piirkonda, mida meie magnetväli mõjutab, nimetatakse magnetosfääriks.
Selle magnetosfääri sisemist osa nimetatakse plasmasfääriks, sõõrikujuliseks piirkonnaks, mis ulatub Maast umbes 20 000 km kaugusele ja pöörleb koos sellega. Samuti on magnetosfäär üle ujutatud laetud osakeste ja ioonidega, mis jäävad sellesse lõksu, ja seejärel saadetakse need edasi-tagasi mööda piirkonna välja jooni.
Selle ees, Päikese poole suunatud servas kohtub magnetosfäär päikesetuulega - laetud osakeste voog, mis voolab Päikesest kosmosesse. Kohta, kus nad kokku puutuvad, nimetatakse vibu löögiks, mida nimetatakse nii seetõttu, et selle magnetvälja jooned sunnivad päikesetuult meie ümber ja ümber liikudes vibu kuju muutma.
Päikesetuule liikumisel üle Maa magnetosfääri tuleb taas meie planeedi taha, moodustades magnetisaba - pikliku toru, mis sisaldab kinni jäänud plasmalehti ja üksteist mõjutavaid väljajooni. Ilma selle kaitseümbriseta oleks Maa atmosfäär miljardeid aastaid tagasi aeglaselt ära viidud - saatus, milleks arvatakse olevat sattunud Marsi.
Nagu öeldud, pole Maa magnetväli täpselt hermeetiliselt suletud. Näiteks meie planeedi poolustel on väljade jooned avatud, mis võimaldab päikeseosakestel siseneda ja täita meie magnetosfääri energeetiliste osakestega. Selle protsessi eest vastutavad Aurora Borealis ja Aurora Australis (teise nimega põhja- ja lõunatuled).
Samal ajal võivad osakesed Maa ülemisest atmosfäärist (ionosfäärist) pääseda samamoodi, liikudes läbi pooluste üles ja kaotades kosmosesse. Hoolimata sellest, et olete õppinud palju Maa magnetväljade ja selle kohta, kuidas plasma moodustub tänu selle koostoimele erinevate osakestega, on kogu protsess olnud üsna hiljuti ebaselge.
Nagu ESA pressiteates ütles ESA klastri missiooni projektijuhi asetäitja Arnaud Masson:
“Plasmatranspordi ja atmosfääri kadude küsimus on asjakohane nii planeetide kui ka tähtede jaoks ning on uskumatult põnev ja oluline teema. Atmosfääri ainest väljumise mõistmine on ülioluline, et mõista, kuidas elu võib planeedil areneda. Sissetuleva ja väljamineva materjali koostoime Maa magnetosfääris on praegu kuum teema; kust see kraam täpselt tuleb? Kuidas see meie ruumi plaastrisse sisenes?“
Arvestades, et meie atmosfäär sisaldab 5 kvadriljonit tonni ainet (see on 5 x 1015ehk 5 000 000 miljardit tonni), ei tähenda 90 tonni kaotus päevas suurt midagi. See arv ei hõlma regulaarselt lisatavate "külma ioonide" massi. Seda terminit kasutatakse tavaliselt vesinikuioonide kirjeldamiseks, mis nüüdseks on teada, et magnetosfääri kaduvad regulaarselt (koos hapniku- ja heeliumiioonidega).
Kuna vesinik vajab meie atmosfääri pääsemiseks vähem energiat, on ka ioonidel, mis tekivad pärast vesiniku muutumist plasmasfääri osaks, vähe energiat. Seetõttu on neid varem olnud väga raske tuvastada. Veelgi enam, teadlased on vaid paarkümmend aastat teadnud sellest hapniku-, vesiniku- ja heeliumiioonide voolust - mis pärinevad Maa polaarpiirkondadest ja täiendavad plasmat magnetosfääris.
Enne seda uskusid teadlased, et Maa magnetosfääri plasma eest vastutavad ainuüksi päikeseosakesed. Kuid viimastel aastatel on nad mõistnud, et plasmasfääri aitavad kaasa veel kaks allikat. Esimesed on juhuslikud plasma "punnid", mis kasvavad plasmasfääris ja liiguvad väljapoole magnetosfääri serva poole, kus nad interakteeruvad vastupidise päikesetuuleplasmaga.
Teine allikas? Eespool nimetatud atmosfääri leke. Kui see koosneb rikkalikust hapnikust, heeliumist ja vesinikioonidest, siis külma vesinikuioonid näivad kõige olulisemat rolli mängivat. Need ei moodusta mitte ainult märkimisväärset hulka kosmosesse kadunud ainet ja võivad mängida võtmerolli meie magnetilise keskkonna kujundamisel. Veelgi enam, enamik Maa peal tiirlevaid satelliite ei suuda tuvastada segule lisatavaid külma ioone - see on klastri võimeline.
2009. ja 2013. aastal suutsid klastri sondid iseloomustada nende tugevust, aga ka Maa magnetosfääri lisatavate muude plasmaallikate tugevust. Kui arvestada ainult külmi ioone, ulatub ruumis kaduva atmosfääri suurus mitme tuhande tonnini aastas. Lühidalt, see on nagu sokkide kaotamine. Pole suur asi, aga tahaksite teada, kuhu nad lähevad, eks?
See on klastri missioonil olnud veel üks tähelepanu keskpunkt, mis on viimased poolteist aastakümmet üritanud uurida, kuidas need ioonid kaovad, kust nad pärinevad jms. Nagu ESA klastri missiooni projektiteadlane Philippe Escoubet ütles:
“Sisuliselt peame välja mõtlema, kuidas külm plasma magnetopausis lõpeb. Sellel on paar erinevat aspekti; me peame teadma selle sinna transportimisega seotud protsesse, kuidas need protsessid sõltuvad dünaamilisest päikesetuulest ja magnetosfääri tingimustest ning kust tuleb plasma eelkõige - kas see pärineb ionosfäärist, plasmasfäärist või kuskil mujal?“
Selle mõistmise põhjused on selged. Suure energiaga osakesed, tavaliselt päikesekiirguse kujul, võivad kujutada ohtu kosmosetehnoloogiale. Lisaks on mõistmine, kuidas meie atmosfäär interakteerub päikesetuulega, ka kosmoseuuringute osas üldiselt. Mõelge meie praegustele püüdlustele leida elu Päikesesüsteemis kaugemale kui meie enda planeet. Kui on olemas üks asi, mida aastakümnete pikkused missioonid lähedalasuvatele planeetidele on meile õpetanud, siis on planeedi atmosfäär ja magnetiline keskkond asustatavuse määramisel üliolulised.
Maa lähedal on sellest kaks näidet: Marss, mille atmosfäär on õhuke ja liiga külm; ja Veenus, kelle õhkkond on liiga tihe ja liiga kuum. Päikesesüsteemis intrigeerib Saturni kuu Titan jätkuvalt peamiselt ebahariliku atmosfääri tõttu. Ainuke lämmastikurikka atmosfääriga kehana peale Maa on see ka ainus teadaolev planeet, kus vedeliku ülekanne toimub pinna ja atmosfääri vahel - ehkki vee asemel naftakeemiatoodetega.
Lisaks veedab NASA Juno missioon järgmised kaks aastat Jupiteri enda magnetvälja ja atmosfääri uurimisel. See teave räägib meile palju Päikesesüsteemi suurima planeedi kohta, kuid loodetakse valgustada ka Päikesesüsteemi planeetide kujunemise ajalugu.
Viimase viieteistkümne aasta jooksul on Cluster suutnud astronoomidele rääkida palju sellest, kuidas Maa atmosfäär interakteerub päikesetuulega, ning on aidanud uurida magnetvälja nähtusi, millest oleme alles aru saanud. Ja kuigi õppida on veel palju, nõustuvad teadlased, et seni paljastatud oleks olnud võimatu ilma missioonita nagu Klaster.
