Kami di Bumi bertuah kerana kami mempunyai atmosfera yang layak, suasana yang dilindungi oleh magnetosfera Bumi. Tanpa sampul pelindung ini, kehidupan di permukaan akan dihujani oleh radiasi berbahaya yang berpunca dari Matahari. Namun, atmosfer atas Bumi masih perlahan bocor, dengan kira-kira 90 tan bahan sehari melarikan diri dari atmosfera atas dan mengalir ke angkasa.
Dan walaupun ahli astronomi telah menyiasat kebocoran ini untuk beberapa waktu, masih banyak soalan yang belum dijawab. Sebagai contoh, berapa banyak bahan yang hilang ke ruang angkasa, jenis apa, dan bagaimana ini berinteraksi dengan angin suria untuk mempengaruhi persekitaran magnet kita? Itulah tujuan projek Kluster Badan Angkasa Eropah, satu siri empat kapal angkasa yang sama yang telah mengukur persekitaran magnet Bumi selama 15 tahun terakhir.
Memahami interaksi atmosfera kita dengan angin suria terlebih dahulu memerlukan kita memahami bagaimana medan magnet Bumi berfungsi. Sebagai permulaan, ia meluas dari bahagian dalam planet kita (dan dipercayai hasil dari kesan dinamo di inti), dan menjangkau ke luar angkasa. Kawasan ruang ini, yang dikuasai oleh medan magnet kita, dikenali sebagai magnetosfera.
Bahagian dalam magnetosfera ini disebut plasmasphere, wilayah berbentuk donat yang menjangkau jarak sekitar 20.000 km dari Bumi dan berputar bersama dengannya. Magnetosfera juga dibanjiri zarah-zarah dan ion bermuatan yang terperangkap di dalam, dan kemudian dihantar memantul bolak-balik di sepanjang garis medan wilayah.
Di hujungnya yang menghadap ke Matahari, magnetosfera memenuhi angin suria - aliran zarah bermuatan yang mengalir dari Matahari ke angkasa. Tempat di mana mereka bersentuhan dikenali sebagai "Bow Shock", yang dinamakan begitu kerana garis medan magnetnya memaksa angin suria untuk mengambil bentuk busur ketika mereka melewati dan mengelilingi kita.
Semasa angin suria melintasi magnetosfera Bumi, ia berkumpul kembali di belakang planet kita untuk membentuk magnetotail - tiub memanjang yang mengandungi kepingan plasma dan garis medan yang berinteraksi. Tanpa sampul pelindung ini, atmosfer Bumi perlahan-lahan akan dilucutkan berbilion tahun yang lalu, nasib yang kini dipercayai menimpa Marikh.
Oleh itu, medan magnet Bumi tidak tertutup rapat. Sebagai contoh, di kutub planet kita, garis medan terbuka, yang membolehkan zarah suria masuk dan mengisi magnetosfera kita dengan zarah-zarah yang bertenaga. Proses ini adalah yang bertanggungjawab untuk Aurora Borealis dan Aurora Australis (aka Lampu Utara dan Selatan).
Pada masa yang sama, zarah-zarah dari atmosfer atas Bumi (ionosfer) dapat melepaskan diri dengan cara yang sama, bergerak melalui kutub dan hilang ke angkasa. Walaupun banyak mengetahui tentang medan magnet Bumi dan bagaimana plasma terbentuk melalui interaksinya dengan pelbagai zarah, banyak mengenai keseluruhan proses yang belum jelas hingga akhir-akhir ini.
Seperti yang dinyatakan oleh Arnaud Masson, Timbalan Saintis Projek ESA untuk misi Cluster dalam siaran akhbar ESA:
“Masalah pengangkutan plasma dan kehilangan atmosfera adalah relevan bagi planet dan bintang, dan merupakan topik yang sangat menarik dan penting. Memahami bagaimana bahan atmosfera keluar sangat penting untuk memahami bagaimana kehidupan dapat berkembang di planet ini. Interaksi antara bahan masuk dan keluar dalam magnetosfera Bumi adalah topik hangat pada masa ini; dari mana asal barang ini? Bagaimana ia memasuki ruang kita?“
Memandangkan atmosfera kita mengandungi 5 kuadrillion tan bahan (itu adalah 5 x 1015, atau 5,000,000 bilion tan), kerugian 90 tan sehari tidak banyak. Namun, jumlah ini tidak termasuk jisim "ion sejuk" yang selalu ditambahkan. Istilah ini biasanya digunakan untuk menggambarkan ion hidrogen yang sekarang kita ketahui hilang ke magnetosfera secara berkala (bersama dengan ion oksigen dan helium).
Oleh kerana hidrogen memerlukan lebih sedikit tenaga untuk melepaskan diri dari atmosfer kita, ion-ion yang dihasilkan apabila hidrogen ini menjadi sebahagian dari plasmasphere juga mempunyai tenaga yang rendah. Akibatnya, mereka sangat sukar dikesan pada masa lalu. Lebih-lebih lagi, saintis hanya mengetahui aliran oksigen, hidrogen dan ion helium ini - yang berasal dari kawasan kutub Bumi dan mengisi plasma di magnetosfera - selama beberapa dekad.
Sebelum ini, para saintis percaya bahawa zarah suria sahaja yang bertanggungjawab untuk plasma di magnetosfera Bumi. Tetapi dalam beberapa tahun kebelakangan ini, mereka mulai memahami bahawa dua sumber lain menyumbang kepada plasmasphere. Yang pertama adalah "bulu" sporadis plasma yang tumbuh di dalam plasmasphere dan bergerak ke arah luar menuju ke tepi magnetosfera, di mana mereka berinteraksi dengan plasma angin suria yang datang sebaliknya.
Punca lain? Kebocoran atmosfera yang disebutkan di atas. Walaupun ini terdiri daripada ion oksigen, helium dan hidrogen yang berlimpah, ion hidrogen sejuk nampaknya memainkan peranan yang paling penting. Bukan hanya bahan-bahan yang hilang dari ruang angkasa, dan juga memainkan peranan penting dalam membentuk persekitaran magnet kita. Terlebih lagi, kebanyakan satelit yang sedang mengorbit Bumi tidak dapat mengesan ion sejuk yang ditambahkan ke dalam campuran, sesuatu yang dapat dilakukan oleh Cluster.
Pada tahun 2009 dan 2013, kluster kluster dapat mencirikan kekuatannya, serta sumber plasma lain yang ditambahkan ke magnetosfera Bumi. Apabila hanya ion sejuk yang dipertimbangkan, jumlah atmosfera yang hilang dari ruang berjumlah beberapa ribu tan setahun. Ringkasnya, seperti kehilangan stoking. Bukan masalah besar, tetapi anda ingin tahu ke mana mereka pergi, bukan?
Ini telah menjadi fokus lain untuk misi Cluster, yang selama setengah dekad terakhir telah berusaha untuk meneroka bagaimana ion-ion ini hilang, dari mana asalnya, dan sejenisnya. Sebagai Philippe Escoubet, Saintis Projek ESA untuk misi Cluster, meletakkannya:
“Pada dasarnya, kita perlu mengetahui bagaimana plasma sejuk berakhir pada magnetopause. Terdapat beberapa aspek yang berbeza untuk ini; kita perlu mengetahui proses yang terlibat dalam mengangkutnya ke sana, bagaimana proses ini bergantung pada angin suria yang dinamik dan keadaan magnetosfera, dan dari mana plasma berasal dari awal - adakah ia berasal dari ionosfera, plasmasphere, atau di tempat lain?“
Sebab untuk memahami perkara ini jelas. Zarah-zarah tenaga tinggi, biasanya dalam bentuk suar suria, boleh menimbulkan ancaman kepada teknologi berasaskan ruang angkasa. Di samping itu, memahami bagaimana atmosfera kita berinteraksi dengan angin suria juga berguna ketika menjelajah ruang angkasa secara umum. Pertimbangkan usaha kita sekarang untuk mencari kehidupan di luar planet kita sendiri di Sistem Suria. Sekiranya ada satu perkara yang telah diajarkan oleh misi berpuluh-puluh tahun ke planet-planet berdekatan, suasana atmosfer dan magnet planet sangat penting dalam menentukan kebiasaan.
Dalam jarak yang dekat dengan Bumi, ada dua contohnya: Marikh, yang mempunyai atmosfer yang tipis dan terlalu sejuk; dan Venus, suasananya terlalu padat dan terlalu panas. Di Sistem Suria luar, Titan bulan Saturnus terus menerobos kita, terutamanya kerana suasana yang tidak biasa. Sebagai satu-satunya badan dengan atmosfer yang kaya dengan nitrogen selain Bumi, ia juga merupakan satu-satunya planet yang diketahui di mana pemindahan cecair berlaku di antara permukaan dan atmosfer - walaupun dengan petrokimia dan bukannya air.
Lebih-lebih lagi, misi Juno NASA akan menghabiskan dua tahun akan datang untuk menjelajahi medan magnet dan atmosfer Jupiter sendiri. Maklumat ini akan memberitahu kita banyak mengenai planet terbesar Sistem Suria, tetapi juga diharapkan dapat memberi penerangan mengenai sejarah pembentukan planet di Sistem Suria.
Dalam lima belas tahun kebelakangan ini, Cluster dapat memberitahu banyak ahli astronomi mengenai bagaimana atmosfera Bumi berinteraksi dengan angin suria, dan telah membantu meneroka fenomena medan magnet yang baru kita fahami. Dan sementara masih banyak yang perlu dipelajari, para saintis bersetuju bahawa apa yang telah ditemui sejauh ini tidak mungkin dilakukan tanpa misi seperti Cluster.
