20 χρόνια μελέτης της μαγνητόσφαιρας της Γης από το Cluster της ESA

0
657

Παρά την ονομαστική διάρκεια ζωής των δύο ετών, το Cluster της ESA εισέρχεται τώρα στην τρίτη δεκαετία του στο διάστημα. Αυτή η μοναδική αποστολή τεσσάρων διαστημοπλοίων αποκαλύπτει τα μυστικά του μαγνητικού περιβάλλοντος της Γης από το 2000 και, με 20 χρόνια παρατηρήσεων κάτω από τη ζώνη της, εξακολουθεί να επιτρέπει νέες ανακαλύψεις καθώς εξερευνά τη σχέση του πλανήτη μας με τον Ήλιο.

Ως ο μοναδικός πλανήτης που είναι γνωστό ότι φιλοξενεί τη ζωή, η Γη καταλαμβάνει μια πραγματικά μοναδική θέση στο Ηλιακό Σύστημα. Η αποστολή Cluster, που ξεκίνησε το καλοκαίρι του 2000, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε για να μελετήσει ίσως το βασικό πράγμα που κάνει τη Γη έναν μοναδικό κατοικήσιμο κόσμο όπου η ζωή μπορεί να ευδοκιμήσει. Αυτό που επιτρέπει τη ζωή είναι η ισχυρή μαγνητόσφαιρα της Γης, η οποία προστατεύει τον πλανήτη από τον βομβαρδισμό από κοσμικά σωματίδια, αλλά επίσης αλληλεπιδρά μαζί τους, δημιουργώντας θεαματικά φαινόμενα, όπως τα πολικά φώτα.

Η μαγνητόσφαιρα της Γης, μια περιοχή σε σχήμα σταγόνας δακρύων που ξεκινά περίπου 65.000 χιλιόμετρα μακριά από τον πλανήτη στην πλευρά της ημέρας και εκτείνεται έως και 6.300.000 χιλιόμετρα στην πλευρά της νύχτας, είναι αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης μεταξύ του μαγνητικού πεδίου του πλανήτη, που δημιουργείται από τις κινήσεις του τον πυρήνα του λειωμένου μετάλλου και τον ηλιακό άνεμο. Το Cluster είναι η πρώτη αποστολή που έχει μελετήσει, διαμορφώσει και τρισδιάστατα χαρτογραφήσει αυτήν την περιοχή και τις διαδικασίες μέσα σε αυτήν. Με αυτόν τον τρόπο, συνέβαλε στην κατανόηση των διαστημικών καιρικών φαινομένων, τα οποία προκύπτουν από την αλληλεπίδραση μεταξύ της μαγνητόσφαιρας και των ενεργητικών σωματιδίων που σχηματίζουν τον ηλιακό άνεμο. Αυτά τα φαινόμενα μπορούν να βλάψουν όχι μόνο τους ζωντανούς οργανισμούς, αλλά και τον ηλεκτρονικό εξοπλισμό, είτε στο έδαφος είτε σε τροχιά.

Rumba, Salsa, Samba και Tango

Το κλονισμό της γης και η μαγνητόσφαιρα
Το κλονισμό της γης και η μαγνητόσφαιρα

Η αποστολή Cluster περιλαμβάνει τέσσερα διαστημόπλοια που πετούν σε σχηματισμό τύπου πυραμίδας σε  ελλειπτική πολική τροχιά . Τα τέσσερα διαστημόπλοια, που ονομάζονται Rumba, Salsa, Samba και Tango, το καθένα με το ίδιο ωφέλιμο φορτίο 11 προηγμένων οργάνων, στάλθηκαν σε τροχιά με δύο εκτοξεύσεις πυραύλων στις 16 Ιουλίου και 9 Αυγούστου 2000.

Παρόλο που η αποστολή έχει γίνει τεράστια επιτυχία, έχοντας επιτρέψει πολλές επιστημονικές ανακαλύψεις, οι πρώτες μέρες δεν ξεκίνησαν χωρίς εμπόδια. Μια υποαπόδοση του πρώτου σταδίου του εκτοξευτή Soyuz άφησε τους Rumba και Tango σε μια λανθασμένη τροχιά, αναγκάζοντάς τους να βασίζονται στη δική τους πρόωση, καθώς και στο ανώτερο στάδιο του Fregat του Soyuz, για να φτάσουν στη σωστή θέση για να ενταχθούν στη Salsa και Σάμπα. Το ατύχημα ακολούθησε την αποτυχημένη κυκλοφορία του αρχικού κουαρτέτου Cluster I το 1996.

«Η ESA ανησυχούσε λίγο πριν από 20 χρόνια, κατά την έναρξη του δεύτερου ζεύγους διαστημικού σκάφους», παραδέχεται ο Philippe Escoubet, Cluster Project Scientist στην ESA «Από τότε, η αποστολή έχει σημειώσει τεράστια πρόοδο και απέχει πολύ από την ολοκλήρωση».

Τις δύο τελευταίες δεκαετίες, οι παρατηρήσεις του συμπλέγματος αποκάλυψαν λεπτομέρειες σχετικά με τις διεργασίες στη μαγνητόσφαιρα, αποκάλυψαν πώς η ατμόσφαιρα υποστηρίζει τη ζωή και παρείχε ουσιαστικές πληροφορίες για τον διαστημικό καιρό που απαιτείται για να επιτρέψει ασφαλείς δορυφορικές επικοινωνίες και διαστημικά ή αεροπορικά ταξίδια.

Μια μοναδική αρχιτεκτονική

Παίζω

$ video.data_map.short_description.content

Η αποστολή Cluster της ESA μελετά τη σύνδεση Sun-Earth σε τροχιά γύρω από τη Γη
Πρόσβαση στο βίντεο

Το κλειδί για τη δύναμη της αποστολής δεν είναι μόνο η διαμόρφωση τεσσάρων διαστημοπλοίων, αλλά και το γεγονός ότι οι χειριστές μπορούν να προσαρμόσουν την απόσταση μεταξύ των τεσσάρων δορυφόρων από 3 έως 60 000 χιλιόμετρα ανάλογα με τον επιστημονικό στόχο.

«Αυτός ο σχεδιασμός πολλαπλών διαστημοπλοίων είναι το κλειδί για την επιτυχία του Cluster», εξηγεί ο Philippe. «Χρησιμοποιώντας τέσσερα διαστημόπλοια αντί για ένα, το Cluster μπορεί να μετρήσει μοναδικά πολλές περιοχές του διαστήματος – και να αποκτήσει πολλαπλές προοπτικές για ένα συγκεκριμένο συμβάν ή δραστηριότητα, όπως μια ηλιακή καταιγίδα – ταυτόχρονα.»

Όταν είναι πιο κοντά, το διαστημικό σκάφος Cluster μπορεί να σκάψει στις καλύτερες μαγνητικές δομές στο διάστημα κοντά στη Γη. Όταν είναι πιο διαχωρισμένοι, μπορούν να αποκτήσουν μια ευρύτερη εικόνα της δραστηριότητας ευρύτερης κλίμακας. Σε όλη την τροχιά του, το σύμπλεγμα πετάει τόσο εντός όσο και εκτός της μαγνητόσφαιρας της Γης, επιτρέποντάς του να διερευνήσει τα φαινόμενα και στις δύο πλευρές της μαγνητικής ασπίδας του πλανήτη μας.

Πολική ισχύς

Σύμπλεγμα και εικόνα κατά την παρατήρηση της αύρας
Σύμπλεγμα και εικόνα κατά την παρατήρηση της αύρας

Ενώ οι περισσότερες αποστολές που εξερευνούν τα μαγνητικά φαινόμενα της Γης επικεντρώνονται στον ισημερινό όπου ρέουν πολλά ηλεκτρικά ρεύματα, το κουαρτέτο Cluster περιβάλλει τη Γη σε μια πολική τροχιά, η οποία της επιτρέπει να περνά περιοδικά πάνω από τους δύο πόλους της Γης. Οι πολικές περιοχές είναι μαγνητικά εξαιρετικά δυναμικές. Ο ηλιακός άνεμος σε αυτήν την περιοχή μπορεί να διεισδύσει βαθύτερα στην ανώτερη ατμόσφαιρα της Γης μέσω των πολικών ακρών, ανοίγματα σαν τη χοάνη στη μαγνητόσφαιρα πάνω από τους πόλους, δημιουργώντας τις θεαματικές αύρες.

Η ικανότητα του Cluster να παρατηρεί υψηλότερα γεωγραφικά πλάτη από άλλες αποστολές έκανε την αποστολή βασικό παράγοντα στη διαμόρφωση ενός παγκόσμιου μαγνητοσφαιρικού χάρτη.

Ένα στοιχείο αυτού ήταν η ακριβής χαρτογράφηση της θέσης και της έκτασης του επονομαζόμενου ψυχρού πλάσματος (αργά κινούμενα φορτισμένα σωματίδια) γύρω από τη Γη σε τρεις διαστάσεις. Ένα τέτοιο πλάσμα – το οποίο το Cluster διαπίστωσε, εκπληκτικά, κυριαρχεί στον όγκο της μαγνητόσφαιρας έως και το 70% του χρόνου – θεωρείται ότι παίζει βασικό ρόλο στον τρόπο με τον οποίο ο θυελλώδης διαστημικός καιρός επηρεάζει τον πλανήτη μας. Ο Cluster έχει επίσης μελετήσει πώς λειτουργούν τα εσωτερικά μέρη της μαγνητόσφαιρας της Γης για να αναπληρώσουν άλλα μέρη με φρέσκο ​​πλάσμα , παρατηρώντας όχι μόνο σποραδικά λοφία που ωθούν το πλάσμα προς τα έξω, αλλά και μια σταθερή ατμοσφαιρική διαρροή σχεδόν 90 χιλιάδων κιλών υλικού την ημέρα.

20 χρόνια ανακάλυψης

AURORA ΑΠΟ ΤΗΝ ΙΣΛΑΝΔΙΚΗ Λίμνη
AURORA ΑΠΟ ΤΗΝ ΙΣΛΑΝΔΙΚΗ Λίμνη

Μέσω της χαρτογράφησης του μαγνητικού πεδίου της Γης και της σύγκρισής του με τον ανόητο μαγνητισμό του Άρη, ο Cluster επιβεβαίωσε τη σημασία της μαγνητόσφαιρας μας στην προστασία μας από τον ηλιακό άνεμο .

Το Cluster αποκάλυψε περισσότερα για τη δυναμική του μαγνητοταύλου , το τμήμα της μαγνητόσφαιρας που εκτείνεται «πίσω» στον πλανήτη μας μακριά από τον Ήλιο. Η αποστολή διαπίστωσε ότι το μαγνητικό πεδίο σε αυτήν την περιοχή ταλαντεύεται σε πλάτος λόγω  εσωτερικών κυμάτων που μοιάζουν με συστροφή και έλυσε ένα μακροχρόνιο μυστήριο καθορίζοντας ότι το φαινόμενο του « ισημερινού θορύβου » (θορυβώδη κύματα πλάσματος που βρέθηκαν κοντά στο ισημερινό επίπεδο Το μαγνητικό πεδίο της Γης) δημιουργείται από πρωτόνια.

Ερευνώντας τα χωρικά χαρακτηριστικά της εξωτερικής περιοχής της μαγνητόσφαιρας, ο Cluster έφερε μια βαθύτερη κατανόηση του πώς τα σωματίδια του ηλιακού ανέμου μπορούν να διεισδύσουν στη μαγνητική «ασπίδα» μας. Ο ηλιακός άνεμος είναι ένα ρεύμα φορτισμένων σωματιδίων που ξεχειλίζουν στο διάστημα από τον Ήλιο, κινούνται με ταχύτητες έως και 2000 χιλιόμετρα ανά ώρα. Το σύμπλεγμα εντόπισε μικροσκοπικούς στροβιλισμούς που επηρεάζουν τον τρόπο διανομής της ενέργειας (θερμότητας) σε αυτόν τον άνεμο και ανακάλυψε ότι, ενώ μας προστατεύει από τα εισερχόμενα σωματίδια, η μαγνητόσφαιρα μας είναι αρκετά πορώδης  και σαν κόσκινο, επιτρέποντας στα υπερθερμανθέντα σωματίδια ηλιακού ανέμου να τρυπήσουν μέσω .

Συνεργαζόμενος με άλλες αποστολές, το Cluster βοήθησε να αποκαλύψει τη λειτουργία των «θήτα» αύρα μεγάλου γεωγραφικού πλάτους και λιγότερο γνωστών «μαύρων αύρων» [TP1]  , επιτρέποντας μια λεπτομερή κατανόηση του τρόπου με τον οποίο διαφορετικές περιοχές σωματιδίων ανταλλάσσουν χώρο . Η αποστολή ανακάλυψε επίσης την προέλευση των λεγόμενων « δολοφονικών ηλεκτρονίων », ενεργητικών σωματιδίων στην εξωτερική ζώνη ακτινοβολίας της Γης που μπορεί να προκαλέσει καταστροφή για τους δορυφόρους, παρατηρώντας τη διαδικασία από πρώτο χέρι. Το σύμπλεγμα βρήκε αυτά τα ηλεκτρόνια να προκύπτουν καθώς τα ηλιακά κύματα που σχετίζονται με την καταιγίδα συμπιέζουν τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου της Γης, με αποτέλεσμα αυτές οι γραμμές να δονούνται και να επιταχύνουν τα ηλεκτρόνια σε υψηλές και επικίνδυνες ταχύτητες.

Ο Cluster διερεύνησε τη δυναμική μιας διαδικασίας που είναι γνωστή ως μαγνητική επανασύνδεση , παρέχοντας τις πρώτες επί τόπου παρατηρήσεις των γραμμών μαγνητικού πεδίου που σπάζουν και μεταρρυθμίζονται – ένα εύρημα που απαιτούσε πολλές ταυτόχρονες παρατηρήσεις, καθώς μόνο το Cluster θα μπορούσε να παρέχει εκείνη τη στιγμή. Τα δεδομένα συμπλέγματος έδειξαν επίσης ότι η ενέργεια απελευθερώνεται με απροσδόκητους τρόπους κατά τη διάρκεια συμβάντων επανασύνδεσης, βοηθώντας τους επιστήμονες να δημιουργήσουν μια πληρέστερη κατανόηση της δυναμικής του πλάσματος.

Ο διαστημικός καιρός και οι γεωμαγνητικές καταιγίδες , φαινόμενα που οφείλονται στη σχέση της Γης με τον Ήλιο, αποτελούν το επίκεντρο του Cluster. Η αποστολή έχει μοντελοποιήσει το μαγνητικό πεδίο της Γης τόσο σε χαμηλό όσο και σε μεγάλο υψόμετρο, και έχει εντοπίσει την πολύπλοκη δυναμική που παίζει στον ίδιο τον ηλιακό άνεμο, με στόχο να επιτρέψει την πιο ενημερωμένη και ακριβή « πρόβλεψη του διαστημικού καιρού ». Στα τέλη του περασμένου έτους, αναλύοντας το ολοκληρωμένο Science Archive του Cluster , οι επιστήμονες μπόρεσαν επίσης να κυκλοφορήσουν το  τρομακτικό «τραγούδι» που εκπέμπει η Γη όταν χτυπήθηκε από μια ηλιακή καταιγίδα, που δημιουργήθηκε από κύματα μαγνητικών πεδίων.

Ένας θησαυρός δεδομένων

Κατά τη διάρκεια των πολλών ετών λειτουργίας του, το Cluster συγκέντρωσε μια άνευ προηγουμένου αποθήκη δεδομένων για το περιβάλλον της Γης. Στην πραγματικότητα, αντλώντας από 18 χρόνια αυτών των δεδομένων, οι επιστήμονες διαπίστωσαν πρόσφατα ότι ο σίδηρος διανέμεται ευρέως και εκπληκτικά σε όλη την γειτονία του πλανήτη μας , αποδεικνύοντας τη διαρκή ισχύ του Cluster στη διευκόλυνση της νέας επιστημονικής ανακάλυψης.

«Η ύπαρξη μιας τόσο μεγάλης βάσης δεδομένων επέτρεψε μια σειρά από πραγματικά πρωτοποριακά ευρήματα», προσθέτει ο Arnaud Masson, αναπληρωτής επιστήμονας έργου για την αποστολή Cluster στο ESA. «Με συνεχή παρακολούθηση και καταγραφή της δυναμικής και των ιδιοτήτων της μαγνητόσφαιρας της Γης για δύο δεκαετίες, το Cluster δημιούργησε ολοκαίνουργιες ευκαιρίες για τους επιστήμονες να εντοπίσουν νέες ή μακροπρόθεσμες τάσεις σε διαφορετικές χωρικές και χρονικές κλίμακες».

Το Cluster, μαζί με άλλα διαστημικά σκάφη της ESA, ανοίγει επίσης το δρόμο για προσεχείς αποστολές  , όπως η European-Chinese Solar wind-Magnetosphere-Ionosphere Link Explorer (SMILE ) , η  οποία έχει προγραμματιστεί να ξεκινήσει το 2023. Το SMILE θα σκάψει βαθύτερα στον Ήλιο- Η σύνδεση της Γης και θα βασιστεί στο αξιοσημείωτο έργο του Cluster για να αποκαλύψει ακόμη περισσότερα για το περίπλοκο και ενδιαφέρον μαγνητικό περιβάλλον που περιβάλλει τον πλανήτη μας.

«Για δύο δεκαετίες τώρα, το Cluster ήταν μια συναρπαστική και πραγματικά πρωτοποριακή αποστολή, στέλνοντας πίσω κάθε είδους νέες πληροφορίες για το Σύμπαν γύρω μας», λέει ο Philippe. «Χάρη στον μοναδικό σχεδιασμό, τη μεγάλη διάρκεια ζωής και τις προηγμένες δυνατότητές του, το Cluster έχει ξεκλειδώσει πολλά μυστικά για το περιβάλλον γύρω από τη Γη. Το σύμπλεγμα συνεχίζει να είναι ισχυρό και θα συνεχίσει να μας βοηθά να χαρακτηρίσουμε τα φαινόμενα που βλέπουμε γύρω μας – ελπίζουμε! – τα επόμενα χρόνια. “

 

Facebook Comments