Retirerande magnetfält lämnar avtryck i Titans atmosfär

Saturnusmånen Titan snurrar runt Saturnus på ett avstånd av 1,2 miljoner kilometer – drygt tre gånger så långt bort som vår måne från jorden. Det betyder att Titan kretsar strax innanför den yttre gränsen för Saturnus magnetosfär, den gräns där magnetfältet och de laddade partiklarna i solvinden möts.

Vid sällsynta tillfällen blir solvinden tillräckligt stark för att trycka tillbaka Saturnus magnetosfär så mycket att Titan för en stund hamnar utanför den. När detta händer bombarderas Titan av solvinden, en mycket kraftig ström av laddade partiklar från solen. Efter 3 år och 31 förbiflygningar av Titan så kunde Cassini observera denna exotiska måne utanför Saturnus magnetfält.

– Det var en liten chans att detta faktiskt skulle ske. Titan befinner sig normalt bara några procent av sin tid under sådana förhållanden, berättar Jan-Erik Wahlund på Institutet för rymdfysik, IRF, i Uppsala.

Nyckelroll för svenskt instrument

IRF bidrar med ett av mätinstrumenten ombord, en så kallad Langmuir-prob. Det är en slags väderstation som mäter densitet, temperatur, sammansättning och hastighet hos de laddade partiklarna – plasman – runt Saturnus.

När solvinden blir stark trycker den tillbaka Saturnus magnetfält. Ibland trycks magnetfältet tillbaka så långt att dess gränsskikt, den så kallade magnetopausen, passerar förbi Titan med en hastighet på flera hundra km per timme. När det händer så "fastnar" magnetfältet i Titans övre atmosfär, som är elektriskt laddad. Saturnus magnetfält dras då ut med månen till en lång tub från Titan till den krympande magnetopausen. Forskarna kallar dessa magnetfältsstrukturer för "fossila" magnetfält.

Dessutom vrids magnetfältet så starkt att magnetfältslinjerna efter hand kopplar om till solvindens svagare magnetfält. Men detta tar mellan 20 minuter och flera timmar. Sådana magnetfältsomkopplingar accelererar laddade partiklar till höga energier. Det vet forskarna från studier kring jorden. Denna effekt och kraftöverföringen från solvinden till Titans övre laddade atmosfär rycker loss partiklar från Titans atmosfär.

– Studiet av detta fenomen har betydelse för tolkningar om hur atmosfärer försvinner ut i rymden, fortsätter Jan-Erik Wahlund. Det svenska bidraget spelar en nyckelroll.

Resultaten av Jan-Erik Wahlund och hans kollegors arbete publicerades i den vetenskapliga tidskriften Science 12 september.

En stor del av atmosfären har försvunnit

Langmuirsonden kan mäta hur mycket atmosfär Titan förlorar per tidsenhet.

– Våra resultat pekar på att upp till några kilo per sekund lämnar Titan via dessa processer, berättar Jan-Erik Wahlund. Det låter kanske lite, men under de 4,5 miljarderna år sedan planetsystemets födelse blir det en stor andel av dagens Titanatmosfär. Rymdomgivningens påverkan spelar alltså en stor roll för klimatet på denna måne.

Resultaten publicerades tidigare i höst i den ansedda vetenskapliga tidskriften Science.

År 2004, efter ungefär sju års resa, lade sig rymdfarkosten Cassini i bana runt Saturnus. Den stora månen Titan är av speciellt intresse med dess täta kväveatmosfär, komplexa organiska kemi, samt floder och sjöar av metan.

IRF:s Langmuir-prob är en del av instrumentpaketet Radio and Plasma Wave Science, RPWS, där även andra forskargrupper i USA, Frankrike, Sverige, England och Österrike deltar.