Cluster’s 20-jarige studie van de aardse magnetosfeer

Als enige planeet die bekend staat om bewoonbaarheid, neemt de aarde een werkelijk unieke plaats in het zonnestelsel in. De Cluster-missie, gelanceerd in de zomer van 2000, is ontworpen en gebouwd om misschien wel het enige belangrijke object te bestuderen dat de aarde tot een unieke bewoonbare wereld maakt waar het leven kan gedijen. Dit ene levensbevorderende object is de krachtige magnetosfeer van de aarde, die de planeet beschermt tegen bombardementen van kosmische deeltjes, maar ook met deze in wisselwerking staan, waardoor spectaculaire verschijnselen ontstaan, zoals het poollicht.

De aardse magnetosfeer, een traanvormig gebied dat zo'n 65.000 kilometer van de planeet begint aan de dagzijde en zich uitstrekt tot 6.300.000 kilometer aan de nachtzijde, is het resultaat van de interactie tussen het magnetisch aardveld, gegenereerd door de bewegingen van de gesmolten metaalkern, en de zonnewind. Cluster is de eerste missie die dit gebied en de processen daarin tot in detail heeft bestudeerd, gemodelleerd en driedimensionaal in kaart heeft gebracht. Op die manier heeft het bijgedragen tot een beter begrip van de weersverschijnselen in de ruimte, die voortkomen uit het samenspel tussen de magnetosfeer en de energetische deeltjes die de zonnewind vormen. Deze fenomenen kunnen niet alleen schade aanrichten aan levende organismen, maar ook aan elektronische apparatuur, zowel op de grond als in de ruimte.

Rumba, Salsa, Samba en Tango

De Cluster-missie bestaat uit vier ruimtevaartuigen die in een piramidevormige formatie in een ellipsvormige poolbaan vliegen. De vier ruimtevaartuigen, genaamd Rumba, Salsa, Samba en Tango, elk met dezelfde lading van 11 geavanceerde instrumenten, werden naar de ruimte gestuurd met behulp van twee raketlanceringen op 16 juli en 9 augustus 2000.

Hoewel de missie een enorm succes is geworden, met vele wetenschappelijke doorbraken, is het begin van de missie niet zonder slag of stoot verlopen. Een ondermaatse prestatie van de eerste trap van de Sojoez-draagraket liet Rumba en Tango in een verkeerde baan achter, waardoor deze op hun eigen voortstuwing moesten vertrouwen, evenals de Fregat-trap van Sojoez, om de juiste positie te bereiken om zich bij Salsa en Samba aan te sluiten. De gebeurtenis volgde op de mislukte lancering van het oorspronkelijke Cluster I kwartet in 1996.

“ESA maakte zich 20 jaar geleden een beetje zorgen tijdens de lancering van het tweede paar ruimtevaartuigen,” geeft Philippe Escoubet toe, Cluster-projectwetenschapper bij ESA “Sindsdien heeft de missie enorme vooruitgang geboekt, en deze is nog lang niet ten einde gekomen.”

In de afgelopen twee decennia hebben clusterwaarnemingen details over de processen in de magnetosfeer aan het licht gebracht, onthuld hoe de atmosfeer het leven ondersteunt en essentiële inzichten verschaft in het ruimteweer die nodig zijn om veilige satellietcommunicatie en ruimte- of vliegreizen mogelijk te maken.

Een unieke architectuur

De sleutel tot het succes van de missie is niet alleen de configuratie van de vier ruimtevaartuigen, maar ook het feit dat de operatoren de afstand tussen de vier satellieten kunnen aanpassen van 3 tot 60.000 kilometer, afhankelijk van het wetenschappelijke doel.

“Dit meervoudige ruimtevaartuigontwerp is de sleutel tot het succes van Cluster,” legt Philippe uit. “Door het gebruik van vier ruimtevaartuigen in plaats van één, is Cluster in staat om op unieke wijze meerdere gebieden van de ruimte te meten en tegelijkertijd meerdere perspectieven op een bepaalde gebeurtenis of activiteit, zoals een zonnestorm, te verkrijgen.”

Wanneer deze dichter bij elkaar staan, kunnen de Cluster-ruimtevaartuigen de fijnere magnetische structuren in de ruimte nabij de aarde onderzoeken; wanneer deze verder van elkaar af staan, kunnen deze een breder beeld krijgen van de grootschalige activiteit. In de eigen baan vliegt Cluster zowel binnen als buiten de magnetosfeer van de aarde, waardoor het de verschijnselen aan beide zijden van het magnetische schild van onze planeet kan onderzoeken.

Polaire kracht

Terwijl de meeste missies die magnetische aardverschijnselen verkennen zich richten op de evenaar waar veel elektrische stromen lopen, draait het Cluster-kwartet om de aarde in een polaire baan, waardoor het regelmatig boven beide aardpolen kan passeren. De poolgebieden zijn magnetisch zeer dynamisch. De zonnewind in dit gebied kan dieper tot de bovenste atmosfeer van de aarde doordringen via de polaire kussens, trechtervormige openingen in de magnetosfeer boven de polen, waardoor het spectaculaire noorderlicht ontstaat.

Het vermogen van Cluster om hogere breedtegraden te observeren dan andere missies maakte de missie tot een belangrijke speler in de totstandkoming van een wereldwijde magnetosferische kaart.

Een onderdeel hiervan was het nauwkeurig in kaart brengen van de positie en de omvang van zogenaamd koude plasma (langzaam bewegende geladen deeltjes) rond de aarde in drie dimensies. Cluster ontdekte dat dit plasma verrassend genoeg 70% van het volume van de magnetosfeer uitmaakte. Daarnaast wordt verondersteld dat deze een belangrijke rol heeft gespeeld in hoe stormachtig ruimteweer onze planeet beïnvloedt. Cluster heeft ook bestudeerd hoe de binnenste delen van de magnetosfeer van de aarde werken om andere onderdelen met vers plasma aan te vullen. Hierbij werden niet alleen sporadische pluimen geobserveerd die plasma naar buiten duwen, maar ook een gestaag atmosferisch lek van bijna 90.000 kilogram materiaal per dag.

20 jaar aan ontdekkingen

Door het in kaart brengen van het magnetisch aardveld en het vergelijken hiervan met het weinig opvallende hedendaagse magnetisme van Mars, heeft Cluster het belang van onze magnetosfeer bij het beschermen van ons tegen de zonnewind opnieuw bewezen.

Cluster heeft meer onthuld over de dynamiek binnen de magneetstaart, het deel van de magnetosfeer dat zich 'achter' onze planeet uitstrekt, weg van de zon. De missie stelde vast dat het magnetisch veld in dit gebied in omvang schommelt door interne ‘knik-achtige’ golven, en loste een al lang bestaand mysterie op door te stellen dat het fenomeen ‘equatoriale ruis’  (luidruchtige plasmagolven gevonden in de buurt van het equatoriale vlak van het magnetisch aardveld) wordt gegenereerd door protonen.

Door de ruimtelijke kenmerken van de buitenste regio van de magnetosfeer te onderzoeken, heeft Cluster een dieper inzicht verkregen in hoe zonnewinddeeltjes in ons magnetische ‘schild’ kunnen doordringen. De zonnewind is een stroom van geladen deeltjes die vanaf de zon de ruimte in stroomt en zich met snelheden tot 2000 kilometer per uur voortbeweegt. Cluster identificeerde kleine wervelingen van turbulentie die invloed hebben op de manier waarop energie (warmte) wordt verdeeld over deze wind, en ontdekte dat, terwijl het ons beschermt tegen binnenkomende deeltjes, onze magnetosfeer vrij poreus en zeefachtig is, waardoor oververhitte zonnewinddeeltjes doorboord kunnen worden.

Door samen te werken met andere missies heeft Cluster geholpen om de werking van het ‘theta’ poollicht en het minder bekende ‘zwarte poollicht’ te onthullen, waardoor een gedetailleerd inzicht werd verkregen in de manier waarop verschillende regio's in de ruimte deeltjes uitwisselen. De missie ontdekte ook de oorsprong van zogenaamde ‘dodelijke elektronen’, energetische deeltjes in de buitenste stralingsgordel van de aarde die een ramp kunnen betekenen voor satellieten, door dit proces uit de eerste hand te observeren. Cluster ontdekte dat deze elektronen ontstaan wanneer door zonnestormen veroorzaakte schokgolven de magnetische veldlijnen van de aarde samenpersen, waardoor deze lijnen trillen en elektronen versnellen tot hoge, en gevaarlijke snelheden.

Cluster heeft de dynamiek van een proces dat bekend staat als magnetische herverbinding onderzocht, de eerste in situ observaties van magnetische veldlijnen die breken en hervormen - een bevinding die meerdere gelijktijdige observaties vereiste, zoals alleen Cluster op dat moment kon leveren. Gegevens van Cluster toonden ook aan dat energie op onverwachte manieren vrijkomt tijdens herverbindingsmomenten, wat wetenschappers helpt om een beter begrip van plasmadynamica te krijgen.

Ruimteweer en geomagnetische stormen, fenomenen die worden aangedreven door de relatie van de aarde met de zon, zijn een onderwerp van aandacht geweest voor Cluster. De missie heeft het magnetisch veld van de aarde op zowel lage als grote hoogte gemodelleerd en de complexe dynamiek in de zonnewind zelf geïdentificeerd, met het doel om meer geïnformeerde en nauwkeurige ‘ruimteweervoorspellingen’ mogelijk te maken. Eind vorig jaar konden wetenschappers, door Cluster’s uitgebreide wetenschapsarchief te analyseren, ook het angstaanjagende ‘geluid’ vrijgeven dat de aarde uitzendt als het wordt getroffen door een zonnestorm, veroorzaakt door magnetische veldgolven.

Een schat aan gegevens

Gedurende de vele jaren dat Cluster actief is, heeft het een ongekende database over de omgeving van de aarde verzameld. Door gebruik te maken van 18 jaar aan data hebben wetenschappers onlangs ontdekt dat ijzer op grote schaal, en onverwacht, verspreid is in de nabijheid van onze planeet, wat de blijvende kracht van Cluster aantoont in het faciliteren van nieuwe wetenschappelijke ontdekkingen.

“Het hebben van zo'n lange reeks aan data heeft een aantal echt baanbrekende bevindingen mogelijk gemaakt,” voegt Arnaud Masson toe, plaatsvervangend projectwetenschapper voor de Cluster-missie bij ESA. “Door de dynamiek en eigenschappen van de aardse magnetosfeer gedurende twee decennia voortdurend te monitoren en vast te leggen, heeft Cluster gloednieuwe mogelijkheden gecreëerd voor wetenschappers om nieuwe of langere termijn trends op verschillende ruimtelijke en tijdelijke schalen te signaleren.”

Cluster maakt, samen met andere ESA-ruimtevaartuigen, ook de weg vrij voor komende missies zoals de European-Chinese Solar wind-Magnetosphere-Ionosphere Link Explorer (SMILE), die gepland is voor lancering in 2023. SMILE zal dieper graven in de relatie tussen de zon en de aarde en voortbouwen op het opmerkelijke werk van Cluster om nog meer te onthullen over de complexe en intrigerende magnetische omgeving die onze planeet omringt.

“Al twee decennia lang is Cluster een opwindende en echt baanbrekende missie, die allerlei nieuwe informatie over het universum om ons heen terugstuurt,” zegt Philippe. “Dankzij het unieke ontwerp, de lange levensduur en de geavanceerde mogelijkheden heeft Cluster een schat aan geheimen over de omgeving op aarde onthuld. Cluster is nog steeds sterk, en zal ons blijven helpen om de fenomenen die we om ons heen zien - hopelijk! - nog jarenlang vorm te geven.”

 

Meer informatie:

 

Cluster's wetenschapsarchief: https://csa.esac.esa.int