เราอยู่ที่โลกนี้โชคดีที่เรามีบรรยากาศที่ทำงานได้ซึ่งได้รับการคุ้มครองโดยสนามแม่เหล็กของโลก หากไม่มีซองป้องกันนี้ชีวิตบนพื้นผิวจะถูกถล่มด้วยรังสีที่เป็นอันตรายที่เกิดจากดวงอาทิตย์ อย่างไรก็ตามชั้นบรรยากาศของโลกยังคงรั่วไหลอย่างช้าๆโดยมีวัสดุประมาณ 90 ตันต่อวันหนีออกมาจากบรรยากาศชั้นบนและไหลลงสู่อวกาศ
และแม้ว่านักดาราศาสตร์จะตรวจสอบรอยรั่วนี้มาระยะหนึ่ง แต่ก็ยังมีคำถามที่ยังไม่ได้ตอบมากมาย ตัวอย่างเช่นปริมาณของวัสดุที่สูญเสียไปในอวกาศชนิดใดและสิ่งนี้มีปฏิกิริยากับลมสุริยะอย่างไรที่มีอิทธิพลต่อสภาพแวดล้อมแม่เหล็กของเรา นี่เป็นจุดประสงค์ของโครงการคลัสเตอร์ของ European Space Agency ซึ่งเป็นยานอวกาศสี่ชุดที่ได้ทำการตรวจวัดสภาพแวดล้อมทางแม่เหล็กของโลกในช่วง 15 ปีที่ผ่านมา
การทำความเข้าใจการมีปฏิสัมพันธ์กับชั้นบรรยากาศของลมสุริยะนั้นต้องการให้เราเข้าใจว่าสนามแม่เหล็กของโลกทำงานอย่างไร สำหรับผู้เริ่มต้นมันขยายออกจากด้านในของโลกของเรา (และเชื่อว่าเป็นผลมาจากผลกระทบของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในแกนกลาง) และเอื้อมมือออกไปสู่อวกาศ ภูมิภาคของพื้นที่ซึ่งสนามแม่เหล็กของเรามีอิทธิพลเหนือเรียกว่าเป็นสนามแม่เหล็ก
ส่วนด้านในของสนามแม่เหล็กนี้เรียกว่า plasmasphere ซึ่งเป็นพื้นที่รูปโดนัทซึ่งทอดตัวเป็นระยะทางประมาณ 20,000 กม. จากโลกและหมุนรอบตัวเองด้วย สนามแม่เหล็กยังถูกน้ำท่วมด้วยอนุภาคและไอออนที่มีประจุซึ่งติดอยู่ภายในและจากนั้นจะถูกส่งกลับไปมาตามแนวเส้นสนามของภูมิภาค
ที่ขอบด้านหน้าของดวงอาทิตย์สนามแม่เหล็กตรงกับลมสุริยะซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุที่ไหลจากดวงอาทิตย์สู่อวกาศ จุดที่พวกเขาสัมผัสนั้นรู้จักกันในชื่อ“ โบว์ช๊อต” ซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีเนื่องจากเส้นสนามแม่เหล็กของมันทำให้ลมสุริยะมีรูปร่างโค้งเมื่อพวกเขาผ่านไปมาและอยู่รอบ ๆ เรา
เมื่อลมสุริยะผ่านสนามแม่เหล็กของโลกมันจะรวมตัวกันอีกครั้งหลังโลกของเราเพื่อสร้างแม่เหล็กขนาดเล็ก - ซึ่งเป็นหลอดยาวที่มีพลาสมาพลาสม่าติดอยู่และมีเส้นสนามโต้ตอบ หากปราศจากซองป้องกันนี้บรรยากาศของโลกจะถูกกำจัดอย่างช้าๆไปหลายพันล้านปีที่ผ่านมาชะตากรรมที่เชื่อกันว่าขณะนี้มีดาวอังคารเกิดขึ้น
ดังที่กล่าวไปแล้วสนามแม่เหล็กของโลกไม่ได้ถูกผนึกอย่างแน่นหนา ตัวอย่างเช่นที่เสาดาวเคราะห์ของเราเส้นเขตข้อมูลจะเปิดซึ่งอนุญาตให้อนุภาคพลังงานแสงอาทิตย์เข้าและเติมสนามแม่เหล็กของเราด้วยอนุภาคที่มีพลัง กระบวนการนี้เป็นสิ่งที่รับผิดชอบสำหรับ Aurora Borealis และ Aurora Australis (aka. แสงเหนือและใต้)
ในเวลาเดียวกันอนุภาคจากชั้นบรรยากาศบนโลก (ไอโอสเฟียร์) สามารถหลบหนีได้ในลักษณะเดียวกันเดินทางขึ้นผ่านเสาและสูญเสียไปในอวกาศ แม้จะเรียนรู้มากเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กของโลกและวิธีการเกิดพลาสมาในการปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคต่าง ๆ แต่กระบวนการทั้งหมดนั้นยังไม่ชัดเจนจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้
ในฐานะ Arnaud Masson รองนักวิทยาศาสตร์ของ ESA สำหรับภารกิจคลัสเตอร์ที่ระบุไว้ในการแถลงข่าว ESA:
“คำถามของการขนส่งพลาสม่าและการสูญเสียชั้นบรรยากาศเกี่ยวข้องกับทั้งดาวเคราะห์และดวงดาวและเป็นหัวข้อที่น่าสนใจและสำคัญอย่างเหลือเชื่อ การทำความเข้าใจว่าสสารในชั้นบรรยากาศมีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจว่าชีวิตสามารถพัฒนาบนดาวเคราะห์ได้อย่างไร. การทำงานร่วมกันระหว่างวัสดุที่เข้าและออกในสนามแม่เหล็กของโลกเป็นหัวข้อร้อนแรงในขณะนี้ สิ่งนี้มาจากไหน? มันเข้ามาในพื้นที่ของเราได้อย่างไร“
เนื่องจากบรรยากาศของเรามีสสาร 5 ล้านล้านตัน (นั่นคือ 5 x 1015หรือ 5,000,000 ล้านตัน) การสูญเสีย 90 ตันต่อวันนั้นไม่มากนัก อย่างไรก็ตามตัวเลขนี้ไม่รวมถึงมวลของ“ ไอออนเย็น” ที่เพิ่มเข้ามาเป็นประจำ โดยทั่วไปแล้วคำนี้ใช้อธิบายไอออนไฮโดรเจนที่ตอนนี้เรารู้ว่ากำลังถูกสูญเสียไปในสนามแม่เหล็กเป็นประจำ (พร้อมกับออกซิเจนและฮีเลียมไอออน)
เนื่องจากไฮโดรเจนต้องการพลังงานน้อยกว่าในการหลบหนีชั้นบรรยากาศของเราไอออนที่ถูกสร้างขึ้นเมื่อไฮโดรเจนนี้กลายเป็นส่วนหนึ่งของ plasmasphere ก็มีพลังงานต่ำเช่นกัน เป็นผลให้พวกเขายากที่จะตรวจจับในอดีต ยิ่งไปกว่านั้นนักวิทยาศาสตร์รู้เพียงเกี่ยวกับการไหลของออกซิเจนไฮโดรเจนและฮีเลียมไอออนซึ่งมาจากพื้นที่ขั้วโลกของโลกและเติมพลาสม่าในสนามแม่เหล็กสองสามทศวรรษ
ก่อนหน้านี้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าอนุภาคโซลาร์เพียงอย่างเดียวรับผิดชอบพลาสมาในสนามแม่เหล็กของโลก แต่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาพวกเขาได้เข้าใจว่าแหล่งข้อมูลอีกสองแห่งมีส่วนช่วยโลกแห่ง plasmas อย่างแรกคือพลาสมา "พวย" ของพลาสมาที่เติบโตภายใน plasmasphere และเดินทางออกไปสู่ขอบสนามแม่เหล็กซึ่งพวกมันมีปฏิสัมพันธ์กับพลาสมาลมสุริยะ
แหล่งอื่น ๆ ? การรั่วของชั้นบรรยากาศดังกล่าว ในขณะที่สิ่งนี้ประกอบไปด้วยออกซิเจนฮีเลียมและไฮโดรเจนไอออนไอออนไฮโดรเจนเย็นจะมีบทบาทสำคัญที่สุด ไม่เพียง แต่จะประกอบไปด้วยวัตถุจำนวนมากที่สูญเสียไปในอวกาศและอาจมีบทบาทสำคัญในการสร้างสภาพแวดล้อมแม่เหล็กของเรา ยิ่งไปกว่านั้นดาวเทียมส่วนใหญ่ที่กำลังโคจรรอบโลกไม่สามารถตรวจจับไอออนเย็นที่ถูกเพิ่มเข้าไปในส่วนผสมซึ่งเป็นสิ่งที่คลัสเตอร์สามารถทำได้
ในปี 2009 และในปี 2556 Cluster probes สามารถแสดงถึงความแข็งแกร่งของพวกเขาเช่นเดียวกับแหล่งที่มาของ plasma อื่น ๆ ที่ถูกเพิ่มเข้าไปในสนามแม่เหล็กของโลก เมื่อพิจารณาเฉพาะไอออนความเย็นปริมาณของบรรยากาศที่สูญเสียไปในอวกาศหลายพันตันต่อปี ในระยะสั้นมันเหมือนการสูญเสียถุงเท้า ไม่ใช่เรื่องใหญ่ แต่คุณอยากรู้ไหมว่าพวกเขากำลังจะไปไหนใช่ไหม?
นี่เป็นอีกจุดหนึ่งของการมุ่งเน้นไปที่ภารกิจของกลุ่มซึ่งในช่วงทศวรรษที่ผ่านมาและครึ่งหนึ่งพยายามที่จะสำรวจว่าไอออนเหล่านี้หายไปอย่างไรพวกเขามาจากที่ใดและอย่างไร ในฐานะ Philippe Escoubet นักวิทยาศาสตร์ของโครงการ ESA สำหรับภารกิจคลัสเตอร์
“ในสาระสำคัญเราต้องคิดให้ได้ว่าพลาสมาเย็นนั้นสิ้นสุดลงที่สนามแม่เหล็ก. มีแง่มุมต่างกันเล็กน้อยในเรื่องนี้ เราจำเป็นต้องรู้กระบวนการที่เกี่ยวข้องในการขนส่งที่นั่นกระบวนการเหล่านี้ขึ้นอยู่กับลมสุริยะแบบไดนามิกและเงื่อนไขของสนามแม่เหล็กและพลาสม่ามาจากที่ใดในตอนแรก - มันเกิดขึ้นในบรรยากาศรอบนอก ที่อื่น?“
เหตุผลในการทำความเข้าใจนี้ชัดเจน อนุภาคพลังงานสูงซึ่งมักจะอยู่ในรูปของเปลวสุริยะสามารถเป็นภัยคุกคามต่อเทคโนโลยีอวกาศ นอกจากนี้การทำความเข้าใจว่าชั้นบรรยากาศของเรามีปฏิสัมพันธ์กับลมสุริยะอย่างไรก็มีประโยชน์เมื่อพูดถึงการสำรวจอวกาศโดยทั่วไป พิจารณาความพยายามของเราในปัจจุบันเพื่อค้นหาชีวิตเหนือโลกของเราในระบบสุริยะ หากมีสิ่งหนึ่งที่ภารกิจหลายทศวรรษให้กับดาวเคราะห์ใกล้เคียงสอนเรานั่นคือชั้นบรรยากาศของโลกและสภาพแวดล้อมทางแม่เหล็กนั้นมีความสำคัญในการพิจารณาความเป็นอยู่
ภายในบริเวณใกล้เคียงกับโลกมีสองตัวอย่างนี้: ดาวอังคารซึ่งมีบรรยากาศบางและเย็นเกินไป และวีนัสซึ่งมีบรรยากาศหนาแน่นและร้อนเกินไป ในระบบสุริยจักรวาลด้านนอกดวงจันทร์ไททันของดาวเสาร์ยังคงดึงดูดเราเป็นส่วนใหญ่เนื่องจากบรรยากาศที่ผิดปกติ ในฐานะที่เป็นร่างกายเพียงคนเดียวที่มีชั้นบรรยากาศที่อุดมด้วยไนโตรเจนนอกเหนือจากโลกมันยังเป็นดาวเคราะห์ดวงเดียวที่รู้จักซึ่งการถ่ายโอนของเหลวเกิดขึ้นระหว่างพื้นผิวและชั้นบรรยากาศ - แม้ว่าจะเป็นปิโตรเคมีแทนที่จะเป็นน้ำ
นอกจากนี้ภารกิจจูโน่ของนาซ่าจะใช้เวลาสองปีถัดไปในการสำรวจสนามแม่เหล็กและบรรยากาศของดาวพฤหัสบดี ข้อมูลนี้จะบอกเราเกี่ยวกับดาวเคราะห์ที่ใหญ่ที่สุดของระบบสุริยะ แต่มันก็หวังว่าจะทำให้กระจ่างเกี่ยวกับการก่อตัวของดาวเคราะห์ในประวัติศาสตร์ในระบบสุริยะ
ในสิบห้าปีที่ผ่านมาคลัสเตอร์สามารถบอกนักดาราศาสตร์ได้ว่าบรรยากาศของโลกมีปฏิสัมพันธ์กับลมสุริยะอย่างไรและช่วยสำรวจปรากฏการณ์สนามแม่เหล็กที่เราเพิ่งเริ่มเข้าใจ และในขณะที่ยังมีอีกมากที่ต้องเรียนรู้นักวิทยาศาสตร์ยอมรับว่าสิ่งที่ได้รับการเปิดเผยจนถึงขณะนี้จะเป็นไปไม่ได้หากไม่มีภารกิจเช่นคลัสเตอร์
