Wir hier auf der Erde haben das Glück, dass wir eine lebensfähige Atmosphäre haben, die von der Erdmagnetosphäre geschützt wird. Ohne diese Schutzhülle würde das Leben an der Oberfläche mit schädlicher Strahlung der Sonne bombardiert. Die obere Erdatmosphäre leckt jedoch immer noch langsam, wobei täglich etwa 90 Tonnen Material aus der oberen Atmosphäre entweichen und in den Weltraum strömen.
Und obwohl Astronomen dieses Leck seit einiger Zeit untersuchen, bleiben noch viele Fragen offen. Zum Beispiel, wie viel Material geht in den Weltraum verloren, welche Arten und wie interagiert dies mit dem Sonnenwind, um unsere magnetische Umgebung zu beeinflussen? Dies war der Zweck des Cluster-Projekts der Europäischen Weltraumorganisation, einer Reihe von vier identischen Raumfahrzeugen, die seit 15 Jahren die magnetische Umgebung der Erde messen.
Um die Wechselwirkung unserer Atmosphäre mit dem Sonnenwind zu verstehen, müssen wir zunächst verstehen, wie das Erdmagnetfeld funktioniert. Für den Anfang erstreckt es sich vom Inneren unseres Planeten (und es wird angenommen, dass es das Ergebnis eines Dynamoeffekts im Kern ist) und reicht bis in den Weltraum. Diese Raumregion, auf die unser Magnetfeld Einfluss ausübt, wird als Magnetosphäre bezeichnet.
Der innere Teil dieser Magnetosphäre wird als Plasmasphäre bezeichnet, eine Donut-förmige Region, die sich bis zu einer Entfernung von etwa 20.000 km von der Erde erstreckt und mit ihr zusammen rotiert. Die Magnetosphäre wird auch mit geladenen Teilchen und Ionen überflutet, die sich im Inneren verfangen und dann entlang der Feldlinien der Region hin und her springen.
An ihrem vorderen, der Sonne zugewandten Rand trifft die Magnetosphäre auf den Sonnenwind - einen Strom geladener Teilchen, der von der Sonne in den Weltraum fließt. Die Stelle, an der sie Kontakt aufnehmen, ist als „Bogenschock“ bekannt, der so genannt wird, weil seine Magnetfeldlinien den Sonnenwind zwingen, die Form eines Bogens anzunehmen, wenn sie über und um uns herumgehen.
Wenn der Sonnenwind über die Erdmagnetosphäre wandert, kommt er hinter unserem Planeten wieder zusammen und bildet einen Magnetschwanz - eine längliche Röhre, die eingeschlossene Plasmaschichten und wechselwirkende Feldlinien enthält. Ohne diese Schutzhülle wäre die Erdatmosphäre vor Milliarden von Jahren langsam entfernt worden, ein Schicksal, von dem jetzt angenommen wird, dass es den Mars getroffen hat.
Das Erdmagnetfeld ist jedoch nicht genau hermetisch abgedichtet. Zum Beispiel sind an den Polen unseres Planeten die Feldlinien offen, wodurch Sonnenpartikel in unsere Magnetosphäre eindringen und diese mit energetischen Partikeln füllen können. Dieser Prozess ist verantwortlich für Aurora Borealis und Aurora Australis (auch bekannt als Nord- und Südlicht).
Gleichzeitig können Partikel aus der oberen Erdatmosphäre (der Ionosphäre) auf die gleiche Weise entweichen, durch die Pole nach oben wandern und in den Weltraum verloren gehen. Obwohl viel über die Magnetfelder der Erde und die Bildung von Plasma durch Wechselwirkung mit verschiedenen Partikeln gelernt wurde, war bis vor kurzem viel über den gesamten Prozess unklar.
Wie Arnaud Masson, stellvertretender Projektwissenschaftler der ESA für die Cluster-Mission, in einer Pressemitteilung der ESA erklärte:
“Die Frage des Plasmatransports und des atmosphärischen Verlusts ist sowohl für Planeten als auch für Sterne relevant und ein unglaublich faszinierendes und wichtiges Thema. Das Verständnis, wie atmosphärische Materie entweicht, ist entscheidend, um zu verstehen, wie sich das Leben auf einem Planeten entwickeln kann. Die Wechselwirkung zwischen ein- und ausgehendem Material in der Erdmagnetosphäre ist derzeit ein heißes Thema. Wo genau kommt das Zeug her? Wie ist es in unseren Raum gekommen?“
Angesichts der Tatsache, dass unsere Atmosphäre 5 Billiarden Tonnen Materie enthält (das sind 5 x 10)15(5.000.000 Milliarden Tonnen) bedeutet ein Verlust von 90 Tonnen pro Tag nicht viel. Diese Zahl enthält jedoch nicht die Masse der „kalten Ionen“, die regelmäßig hinzugefügt werden. Dieser Begriff wird typischerweise verwendet, um die Wasserstoffionen zu beschreiben, von denen wir jetzt wissen, dass sie regelmäßig (zusammen mit Sauerstoff- und Heliumionen) an die Magnetosphäre verloren gehen.
Da Wasserstoff weniger Energie benötigt, um aus unserer Atmosphäre zu entweichen, haben die Ionen, die entstehen, sobald dieser Wasserstoff Teil der Plasmasphäre wird, ebenfalls eine geringe Energie. Infolgedessen waren sie in der Vergangenheit sehr schwer zu erkennen. Darüber hinaus wissen Wissenschaftler erst seit einigen Jahrzehnten über diesen Fluss von Sauerstoff-, Wasserstoff- und Heliumionen Bescheid, die aus den Polarregionen der Erde stammen und das Plasma in der Magnetosphäre auffüllen.
Zuvor glaubten Wissenschaftler, dass Sonnenpartikel allein für das Plasma in der Erdmagnetosphäre verantwortlich sind. In den letzten Jahren haben sie jedoch verstanden, dass zwei weitere Quellen zur Plasmasphäre beitragen. Die ersten sind sporadische „Plasmawolken“, die innerhalb der Plasmasphäre wachsen und sich nach außen zum Rand der Magnetosphäre bewegen, wo sie mit dem in die andere Richtung kommenden Sonnenwindplasma interagieren.
Die andere Quelle? Die vorgenannte atmosphärische Leckage. Während dies aus reichlich Sauerstoff-, Helium- und Wasserstoffionen besteht, scheinen die kalten Wasserstoffionen die wichtigste Rolle zu spielen. Sie stellen nicht nur eine erhebliche Menge an Materie dar, die dem Weltraum verloren geht, sondern können auch eine Schlüsselrolle bei der Gestaltung unserer magnetischen Umgebung spielen. Darüber hinaus können die meisten Satelliten, die derzeit die Erde umkreisen, die kalten Ionen, die der Mischung hinzugefügt werden, nicht erkennen, was Cluster tun kann.
2009 und 2013 konnten die Cluster-Sonden ihre Stärke sowie die anderer Plasmaquellen charakterisieren, die der Erdmagnetosphäre zugesetzt wurden. Wenn nur die kalten Ionen berücksichtigt werden, beträgt die Menge an Atmosphäre, die im Weltraum verloren geht, mehrere tausend Tonnen pro Jahr. Kurz gesagt, es ist wie Socken zu verlieren. Keine große Sache, aber Sie möchten wissen, wohin sie gehen, oder?
Dies war ein weiterer Schwerpunkt der Cluster-Mission, die in den letzten anderthalb Jahrzehnten versucht hat zu untersuchen, wie diese Ionen verloren gehen, woher sie kommen und dergleichen. Philippe Escoubet, ESA-Projektwissenschaftler für die Cluster-Mission, sagte:
“Im Wesentlichen müssen wir herausfinden, wie kaltes Plasma in die Magnetopause gelangt. Dies hat einige verschiedene Aspekte. Wir müssen wissen, welche Prozesse mit dem Transport dorthin verbunden sind, wie diese Prozesse vom dynamischen Sonnenwind und den Bedingungen der Magnetosphäre abhängen und woher das Plasma überhaupt kommt - stammt es aus der Ionosphäre, der Plasmasphäre oder irgendwo anders?“
Die Gründe für das Verständnis sind klar. Hochenergetische Partikel, normalerweise in Form von Sonneneruptionen, können eine Bedrohung für die weltraumgestützte Technologie darstellen. Darüber hinaus ist es auch bei der Weltraumforschung im Allgemeinen hilfreich zu verstehen, wie unsere Atmosphäre mit dem Sonnenwind interagiert. Betrachten Sie unsere gegenwärtigen Bemühungen, Leben jenseits unseres eigenen Planeten im Sonnensystem zu lokalisieren. Wenn es eine Sache gibt, die uns jahrzehntelange Missionen zu nahe gelegenen Planeten gelehrt haben, dann ist es, dass die Atmosphäre und die magnetische Umgebung eines Planeten entscheidend für die Bestimmung der Bewohnbarkeit sind.
In unmittelbarer Nähe zur Erde gibt es zwei Beispiele dafür: Mars, der eine dünne Atmosphäre hat und zu kalt ist; und Venus, deren Atmosphäre zu dicht und viel zu heiß ist. Im äußeren Sonnensystem fasziniert uns der Saturnmond Titan weiterhin, hauptsächlich wegen der ungewöhnlichen Atmosphäre. Als einziger Körper mit einer stickstoffreichen Atmosphäre neben der Erde ist er auch der einzige bekannte Planet, auf dem der Flüssigkeitstransfer zwischen Oberfläche und Atmosphäre stattfindet - allerdings mit Petrochemikalien anstelle von Wasser.
Darüber hinaus wird die Juno-Mission der NASA die nächsten zwei Jahre damit verbringen, Jupiters eigenes Magnetfeld und seine eigene Atmosphäre zu erkunden. Diese Informationen werden uns viel über den größten Planeten des Sonnensystems erzählen, aber es wird auch gehofft, etwas Licht auf die geschichtliche Planetenbildung im Sonnensystem zu werfen.
In den letzten fünfzehn Jahren konnte Cluster Astronomen viel darüber erzählen, wie die Erdatmosphäre mit dem Sonnenwind interagiert, und hat dazu beigetragen, Magnetfeldphänomene zu untersuchen, die wir erst zu verstehen begonnen haben. Und obwohl noch viel mehr zu lernen ist, sind sich die Wissenschaftler einig, dass das, was bisher aufgedeckt wurde, ohne eine Mission wie Cluster nicht möglich gewesen wäre.
