Konstnärens intryck av mikroturbulens sett av Cluster. Bildkredit: ESA Klicka för att förstora
Tack vare mätningar från ESA:s Cluster-uppdrag har ett team av europeiska forskare identifierat 'mikro?'-virvlar i jordens magnetosfär.
Sådan småskalig virvelturbulens, vars existens förutspåddes genom matematiska modeller, har inte observerats tidigare i rymden. Resultaten är inte bara relevanta för rymdfysik, utan också för andra tillämpningar som forskning om kärnfusion.
Den 9 mars 2002 korsade de fyra klustersatelliterna, som flög i tetraedrisk formation på 100 kilometers avstånd från varandra, den norra ?magnetiska spetsen? när de gjorde sin upptäckt. Magnetiska spetsar är områdena över de magnetiska polerna där de magnetiska fältlinjerna som omger jorden bildar en magnetisk tratt.
De magnetiska spetsarna är de två viktiga områdena i jordens magnetosfär där ?solvinden? – ett konstant flöde av laddade partiklar som genereras av solen som korsar hela solsystemet – kan direkt komma åt det övre lagret av jordens atmosfär (jonosfären).
Stora mängder plasma (en gas av laddade partiklar) och energi transporteras genom dessa och andra ?tillgängliga? regioner, för att penetrera magnetosfären – jordens naturliga skyddssköld. Endast mindre än en procent av all energi som bärs av solvinden och som träffar jordens magnetosfär lyckas faktiskt smyga sig igenom, men det kan fortfarande ha en betydande inverkan på jordiska system, som telekommunikationsnät och kraftledningar.
Solmaterialet som smyger in genererar turbulens i plasman som omger jorden, liknande den i vätskor men med mer komplexa krafter inblandade. Sådan turbulens genereras till exempel i övergångsområdena mellan plasmalager med olika densitet och temperatur, men dess bildningsmekanismer är inte helt klara ännu.
Turbulensen finns i olika skalor, från några tusen till några få kilometer tvärs över. Med in situ ?flerpunkt? mätningar rapporterade de fyra klustersatelliterna år 2004 förekomsten av storskalig turbulens – virvlar upp till 40 000 kilometer breda, vid flanken av ?magnetopausen? (ett gränsskikt som skiljer magnetosfären från fritt utrymme). Den nya upptäckten av ?mikro? turbulens, med virvlar på endast 100 kilometer tvärs över, är en första i studiet av plasman som omger jorden.
Cluster: ett aldrig tidigare skådat diagnostiskt verktyg
En sådan upptäckt är mycket relevant. Det gör till exempel att forskare kan börja koppla ihop små och storskaliga turbulens, och börja ifrågasätta hur den faktiskt bildas och vad är sambanden. Vilka är till exempel de grundläggande mekanismerna som driver och formar turbulensen? Hur mycket bidrar virvlar till transport av massa och energi genom gränsskikt? Behövs små virvlar för att generera stora? Eller, å andra sidan, gör stora virvlar bort sin energi och skapar en kaskad av mindre?
I sitt försök att besvara dessa frågor är Cluster ett aldrig tidigare skådat diagnostiskt verktyg för den första tredimensionella kartan över den nära jordens miljö, och dess exceptionalitet ges av dess simultana observationer av flera rymdfarkoster. Cluster revolutionerar vår förståelse av sätten och mekanismerna genom vilka solaktiviteten påverkar jorden.
Dessutom bidrar Clusters studie av turbulensen i jordens plasma, med dynamiken och energierna inblandade, till utvecklingen av grundläggande teorier om plasma. Detta är inte bara viktigt inom astrofysik, utan även när det gäller förståelsen och hanteringen av plasma i laboratorier, givet de höga energierna det handlar om. Detta är särskilt relevant för forskning om kärnfusion.
Till exempel kompletterar Clusters data forskning om plasmafysik i det internationella ITER-projektet, ett experimentellt steg som involverar flera forskningsinstitut runt om i världen för morgondagens elproducerande kraftverk. I detta avseende, genom att sondera in i magnetosfären, har Cluster fri tillgång till det enda öppna ?naturlaboratoriet? för studier av plasmafysik.
Ursprunglig källa: ESA portal