Van 'macro' naar 'micro' – turbulentie gezien door Cluster
Dankzij de metingen van ESA's Cluster-missie heeft een team van Europese wetenschappers 'micro'-vortexen in de magnetosfeer van de aarde geïdentificeerd.
De vortexturbulentie op kleine schaal, waarvan het bestaan door wiskundige modellen was voorspeld, is nog niet eerder in de ruimte geobserveerd. De resultaten zijn niet alleen relevant voor de ruimtewetenschap, maar ook voor andere toepassingen zoals onderzoek naar kernfusie.
Op 9 maart 2002 staken de vier Cluster-satellieten, in formatie honderd kilometer van elkaar, de noordelijke 'magnetische piek' over. Daar deden ze hun ontdekking. Bij de piek vormen de magnetische veldlijnen die de aarde omringen een magnetische tunnel.
De pieken zijn twee belangrijke gebieden in de magnetosfeer van de aarde. Hier kan de 'zonnewind' (een constante stroom geladen deeltjes die door de zon gegenereerd wordt) de bovenste laag van de atmosfeer (de ionosfeer) direct binnengaan.
Grote hoeveelheden plasma (een gas van geladen deeltjes) en energie worden door deze en andere 'toegankelijke' gebieden getransporteerd, zodat ze de magnetosfeer - het natuurlijke beschermende schild van de aarde - kunnen penetreren. Minder dan één procent van alle energie die door de zonnewind wordt overgebracht en de magnetosfeer raakt, komt uiteindelijk naar binnen. Toch kan deze kleine hoeveelheid nog steeds een grote invloed hebben op de aardse systemen. Bijvoorbeeld voor netwerken voor telecommunicatie en hoogspanningslijnen.
Het zonnemateriaal dat binnenkomt genereert turbulentie in het plasma dat de aarde omringt. Dat lijkt op het proces zoals dat in vloeistoffen gebeurt, maar met complexere krachten. Een dergelijke turbulentie wordt bijvoorbeeld gegenereerd in overgangsgebieden tussen plasmalagen met verschillende dichtheid en temperatuur. De mechanismen waarmee het wordt gevormd, begrijpen we nog niet helemaal.
De turbulentie bestaat op verschillende schalen, van duizenden kilometers tot slechts enkele kilometers groot. In 2004 rapporteerden de vier Cluster-satellieten, terwijl ze ter plaatse 'multipunt' metingen aan het maken waren, het bestaan van turbulentie op grote schaal–. Vortexen tot veertigduizend kilometer breed, aan de zijkant van de 'magnetopause' (een grens die de magnetosfeer van de vrije ruimte scheidt). De nieuwe ontdekking van 'micro'-turbulentie, met vortexen met een doorsnede van slechts honderd kilometer, is nieuw in het onderzoek naar het plasma dat de aarde omringt.
Een dergelijke ontdekking zorgt ervoor dat wetenschappers turbulentie op kleine en grote schaal met elkaar in verband gaan brengen. Daarbij vragen ze zich af hoe het ontstaat en wat de verbanden zijn. Wat zijn bijvoorbeeld de mechanismen die de turbulentie sturen en vormgeven? Wat dragen vortexen bij aan het transport van massa en energie door grenslagen? Zijn kleine vortexen nodig om grotere te genereren? Of verspreiden grote vortexen hun energie en creëren ze een reeks kleinere?
Door een antwoord op deze vragen te zoeken verandert Cluster ons begrip van de mechanismen waarmee zonneactiviteit de aarde beïnvloedt. Cluster is een ongekend diagnostisch gereedschap voor het maken van de eerste driedimensionale kaart van de nabije omgeving van de aarde. De missie is uniek door zijn simultane observaties vanuit meerdere ruimtevaartuigen.
Clusters onderzoek naar de turbulentie in het plasma van de aarde draagt ook bij tot de vooruitgang van fundamentele theorieën over plasma. Dit is ook belangrijk voor de hantering van plasma in laboratoria op aarde, gezien de grote hoeveelheden energie waar men mee te maken heeft. Dit is in het bijzonder relevant voor onderzoek naar kernfusie.
Noot aan de redacteur
Deze bevindingen worden in het wetenschappelijke blad Nature van 11 augustus gepubliceerd. De auteurs van de resultaten zijn: D. Sundkvist (CNRS, Orleans, Frankrijk/Swedish Institute of Space Physics, Uppsala, Zweden); V. Krasnoselskikh (CNRS, Orleans, Frankrijk); P.K. Shukla (Institut fur Theoretische Physik IV, Bochum, Duitsland); A. Vaivads, M. Andre, S. Buchert (Swedish Institute of Space Phyisics, Uppsala, Zweden); H. Reme (CESR, Toulouse, Frankrijk).
De ontdekking van de genoemde grote vortexen is gepubliceerd in het nummer van 12 Augustus 2004 van Nature, in een paper door H. Hasegawa, et al.
Voor meer informatie:
David Sundkvist,
Resultaten hoofdauteur, Swedish Institute of Space Physics
(IRF), Uppsala, Zweden
E-mail: david.sundkvist@irfu.se
Philippe Escoubet
ESA, Cluster Project Scientist
E-mail: philippe.escoubet @ esa.int
