Tio år av Cluster-resultat

Var och en av de fyra Cluster-satelliterna har ett instrument byggt av svenska IRF.
21 april 2011

ESA:s Cluster-satelliter har nu firat sitt tioårsjubileum. Satelliterna har sedan februari 2001 levererat revolutionerande data från jordens magnetosfär. Det har de kunnat göra eftersom de fyra formationsflygande satelliterna på ett helt nytt sätt kan studera både förändringar från plats till plats och förändringar i tiden i magnetosfären. Svenska Institutet för rymdfysik ansvarar för ett av elva mätinstrument ombord på varje satellit.

Tidigare i vår firade Cluster sitt tioårsjubileum. Under dessa tio år har Cluster levererat 2,6 terabyte data – tillräckligt för att fylla 3 300 cd-skivor. Cluster-data har bidragit till 1 200 artiklar i vetenskapliga tidskrifter. Cluster-uppdraget var ursprungligen planerat för 27 månader, är nu inne på sitt elfte år med en option på att förlänga det till 2014.

Tioårsjubileet firades bland annat på ESA:s kontrollcentrum ESOC i Darmstadt. Det är ESOC som kontrollerat Cluster sedan uppsändningen för dryga tio år sedan.

Bland talarna på jubileet fanns Göran Marklund från KTH. Han använder Cluster-data för att studera de flöden i den övre atmosfären som driver norrskenet, något han även pratade om på ESOC.

– Jag presenterade nya färska mätningar som gjorts med Clustersatelliterna i norrskenets accelerationsområde. Cluster är den första missionen att göra flerpunktsmätningar i detta område.

Cluster följer utvecklingen

Norrskenet är strömmar av partiklar som flyter längs jordens magnetiska fältlinjer.

Norrskenet alstras av laddade partiklar från solen, huvudsakligen elektroner, som i hög fart kolliderar med den övre atmosfären. Norrskenet är en del av ett system av strömmar – huvudsakligen av negativt laddade elektroner – som flyter till och från jorden längs dess magnetiska fältlinjer.

– Vi har tidigare påvisat en nära koppling mellan positiva elektriska potentialstrukturer som bildas i norrskenets returströmområde – där strömmen går nedåt – och bildandet av plasmatäthetshål i jonsfären.

Med flera satelliter på rad efter varandra är det möjligt att följa hur dessa strukturer utvecklas i tiden och hur detta kan kopplas samman med förändringar i det omgivande plasmats egenskaper.

– Det är detta som är unikt med Cluster, säger Göran Marklund. Säkert sjuttio procent om inte mer av vår forskning inom rymdfysikområdet under perioden 2000 fram till idag har varit knutet till Cluster.

Samba, Tango, Rumba and Salsa

Tack vare att de är fyra kan Cluster-satelliterna följa förändringar över tiden.

Cluster är det första projektet där fyra satelliter formationsflyger. Vid en tidpunkt i juni 2007 flög två av Cluster-satelliterna bara 17 km ifrån varandra. Det är det närmaste två ESA-farkoster någonsin varit varandra och i sammanhanget bara en hårsmån. Satelliterna har till dags dato genomfört 771 manövrer – ett enormt antal i rymdnavigationstermer. De fyra Cluster-satelliterna går under namnen Samba, Tango, Rumba och Salsa.

Tanken med formationsflygningen är att forskarna ska kunna se händelser både ur ett rumsligt och ett "tidsligt" perspektiv. Varje satellit mäter egenskaper hos rymdplasmat och elektromagnetiska fält på den plats satelliten befinner sig. Med bara en mätpunkt går det inte säkert att säga om en uppmätt variation beror på att rymdplasmat verkligen ändrat sig med tiden, eller om variationen beror på att satelliten åkt in i ett nytt område med annorlunda egenskaper.

Genom att mäta med fyra satelliter är det dock möjligt att reda ut detta. Clustersatelliterna har dessutom sedan 2004 sällskap av de kinesiska Double Star-satelliterna som i ett projekt som Kina driver tillsammans med ESA arbetar tillsammans med Cluster-satelliterna.

Atmosfären tappar syre

Launch of the first Cluster pair from Baikonur
Cluster-satelliterna sändes upp i juli och augusti 2000 på två Soyuzraketer från Bajkonur.

Hans Nilsson på Institutet för rymdfysik i Kiruna studerar flödet av joner ut från jordens atmosfär. Forskare har länge känt till att jordens atmosfär ständigt tappar syre till rymden. Men mekanismen för hur det går till har varit okänd. Cluster-satelliterna har hjälpt forskarna att identifiera mekanismen – jordens eget magnetfält accelererar iväg syrejoner i "strålar" från polområdena. Hans Nilsson har lett den grupp av forskare som hittade mekanismen.

Att Cluster-satelliterna är just fyra var en förutsättning för att nå dessa resultat.

– Vi behöver tre satelliter för att kunna mäta i alla tre rumskoordinaterna, och en fjärde som centralpunkt för att kunna se förändringar.

Mätfel var okänt fenomen

Även forskare vid IRF i Uppsala har studerat hur jordens magnetfält påverkar atmosfären vid polerna. Ett svensk-amerikanskt forskarlag lett av Erik Engwall vid Uppsala universitet och Institutet för rymdfysik har med hjälp av Cluster-data visar att flera tusen ton av jordens atmosfär årligen strömmar långt ut i rymden från jordens polarområden.

Upptäckten gjordes när Uppsalaforskarna försökte förstå varför det mätinstrument de byggt till Clustersatelliterna tycktes ge felaktiga resultat i rymden ovanför jordens poler.

– Där vi väntade oss att hitta svaga elektriska fält såg vi till vår förvåning alldeles för starka fält i en riktning som helt enkelt är omöjlig, berättade Anders Eriksson på IRF som ansvarar för driften av instrumentet.

Erik Engwall visade sedan med hjälp av datorsimuleringar att de märkliga mätningarna kunde förklaras av att satelliterna befann sig i en vind av elektriskt laddade partiklar som strömmar ut från jordens polarområden. Det gjorde att forskarlaget kunde förvandla det förargliga "mätfelet" till en metod att mäta polarvinden betydligt längre bort från jorden än tidigare.

– I dessa områden har polarvinden förut varit helt osynlig och vår metod har därför gett oss många nya insikter, sa Erik Engwall.

Copyright 2000 - 2014 © European Space Agency. All rights reserved.