Maan lähiavaruus Clusterin silmin

Seuraavien kahden vuoden aikana Cluster -satelliittien kymmenet tarkat havaintolaitteet tulevat antamaan ainutlaatuisen kolmiulotteisen kuvan Maan lähiavaruudesta, alueesta, missä Maa ja Aurinko taistelevat keskenään. Sadat tutkijat ympäri maailman odottavat malttamattomina pääsyään käsiksi tähän mittaustulosten kulta-aarteeseen.

Maan ja Auringon taistelukenttä

Maapallomme on ainoa tähän mennessä löydetty elämän keidas koko maailmankaikkeudessa. Planeetan pinnalla on mukavaa ja rauhallista, mutta vain muutaman sadan kilometrin korkeudella päidemme yläpuolella on käynnissä jatkuva luonnonvoimien taistelu.

Maapallo on jatkuvan Auringosta yliäänennopeudella avaruuden läpi lentävien hiukkasten vuon pommituksen kohteena samaan tapaan kuin laiva on myrskyn keskellä tuulen armoilla. Maan magneettikenttä, tarkemmin sanottuna sen magnetosfääri, torjuu kuitenkin suurimman osan näistä kosmisista ammuksista, jolloin ne ohittavat maapallon harmia aiheuttamatta.

Maan suojakenttä ei kuitenkaan ole läpipääsemätön. Aurinkotuulen voimakkaat puuskat piiskaavat sitä armottomasti ja painavat kenttää toisinaan lähemmäs planeetan pintaa. Puollustuksen heikot kohdat päästävät suurienergisiä hiukkasia läpi, jolloin ne syöksyvät alas pitkin magneettikentän kenttäviivoja ja törmäävät yläilmakehän molekyyleihin. Revontulet ovat yksi tämän voimien mittelön näyttävimmistä seurauksista pohjoisen taivaan yllä.

Kaikki aurinkomyrskyjen vaikutukset eivät kuitenkaan ole yhtä harmittomia. Erityisen voimakkaat lähitähdessämme tapahtuvat magneettiset myrskyt voivat aiheuttaa laajoja sähkökatkoksia, häiriöitä radioliikenteessä sekä vaurioittaa satelliitteja.

Tiedemiehet ovat tutkineet vuosia tätä Maan ja Auringon välistä vihanpitoa,aluksi maan pinnalta ja myöhemmin satelliittien avulla. Maa-Aurinko -yhteys on kuitenkin monimutkaisuudessaan aina voittanut tutkijat. Cluster muuttaa nyt tämän tilanteen.

Clusterin kolmeulotteinen näkymä

Cluster tarjoaa nyt ensimmäisen mahdollisuuden ymmärtää magnetosfääriä todella uudella tavalla. Jo ensimmäisten Clusterin avaruudessa viettämien kuukausien aikana tiedemiehet ovat päässeet käsiksi ensimmäisiin jännittäviin tiedonmuruihin, joita Cluster tarjoilee lisää ainakin kahden vuoden ajan.

Havaintojen ansiosta on jo esimerkiksi saatu aivan uutta tietoa aurinkotuulen hiukkasten ja maan magneettikentän välisestä vuorovaikutuksesta.

Clusterin suurin etu on sen kyky lentää tiiviissä muodostelmassa elliptisellä kertoradalla, joka vie satelliitin 19,000 kilometrin etäisyydeltä aina 119,000 kilometrin etäisyydelle asti – etäisimmillään siis lähes kolmannes matkasta Kuuhun. Tällä kiertoradalla maapallon ympäri Clusterin satelliittimuodostelma on välillä Maan magneetikentän suojassa ja välillä täysin altistuneina aurinkotuulelle.

Minilaivueen lentäessä tetraedri-muodostelmassa Maan ympäri, jokaisen satelliitin sensorit havaitsevat ympäristönsä muutoksia. Vertailemalla havaintojen eri ajankohtia, tiedemiehet voivat rakentaa ensimmäiset 3-ulotteiset kuvat Maan lähiavaruudesta.

Ensimmäisiä tuloksia

Ensimmäinen vilaus jatkuvasti muuttuvasta magneettisesta taistelukentästä saatiin marraskuun 9. päivänä 2000, kun Cluster -kvartetti läpäisi ensimmäistä kertaa magnetopaussin. Mangenopaussi on raja planeettainvälisen avaruuden (alue missä aurinkotuuli hallitsee) ja Maan magneettikentän hallitseman alueen välillä.

Tämä tapahtuma tuli yllätyksenä Clusterin tiederyhmälle, sillä rajan ylityksen oli ennustettu tapahtuvan vasta viikkoa myöhemmin.

Clusterin instrumenttien havaintojen pohjalta voidaan selvästi havaita aurinkotuulen puuskien aiheuttavan magnetosfäärin pullistelua sisään ja ulos. Näiden nopeiden mangeettikentän koon vaihteluiden takia Cluster oli välillä Maan magneettikentän sisällä ja ulkona. Ensimmäistä kertaa tiedemiehet saattoivat siis saada tietoa magnetopaussin kummaltakin puolelta. Tällainen on mahdollista vain usean satelliitin ryhmää käytettäessä.

Aurinkomyrskyn huipun aikana avaruusalukset altistuvat yli kahden tunnin ajan aurinkotuulelle, ennen kuin magnetosfääri laajeni ja alukset pääsivät takaisin Maan magneettikentän suojaan.

Siitä lähtien Cluster on tehnyt säännöllisiä magnetopaussin mittauksia. Yksi varhaisimmista mielenkiintoisista havainnoista oli raja-alueella muodostuvien aaltojen olemassaolon varmistuminen.

"Ne muistuttavat aaltoja, joita muodostuu järven pintaan tuulella", sanoi Cluster -projektin tiedejohtaja Philippe Escoubet. "Clusterin ansiosta saamme nyt ensimmäistä kertaa tietää myös näiden aaltojen koon ja nopeuden."

"Nämä ovat ensimmäisiä mitattuja todisteita aaltojen olemassaolosta", iloitsi puolestaan tohtori Nicole Cornilleau-Wehrlin. Hän on STAFF -instrumentin päätutkija CETP:ssä, Velizyssä. "Jatkossa saamme varmasti lisää havaintoja siitä mitä tapahtuu ja miksi." Joulukuun lopulla Clusterin elliptinen kiertorata vei kvartetin lähiavaruudessa sijaitsevan suuren shokkiaallon luokse. Tämä shokkiaalto muodostuu Auringosta yli miljoona kilometriä tunnissa (1 milj. km/h) lentävien hiukkasten törmätessä Maan magneettikenttään ja hidastuessa yliääninopeuksiin.

Jälleen kerran aurinkotuulen puuskat saivat magnetosfäärin heittelehtimään vallattomasti eestaas. Tämä sai shokkirintaman heilahtelemaan satelliittien puolelta toiselle säännöttömin aikavälein.

"Näimme ensimmäistä kertaa shokkirintaman näin yksityiskohtaisesti", totesi Lontoon Imperial Collegen professori André Balogh, FGM-insrumentin päätutkija.

Havaintotulokset ovat arvokkaita myös muiden magneettikentän osien tutkimuksessa. Tutkijoita kiinnostavat erityisesti magneettikentän nielut, suppilon muotoiset aukot Maan magneettikentässä, joita pitkin varatut hiukkaset ohjautuvat ilmakehän yläosiin.

Clusterin ensimmäiset havainnot pohjoisesta nielusta saatiin 14. tammikuuta 2001, kun aurinkotuulen vaihtelut saivat satelliitin lentämään tähän magneettikentän "ikkunaan" noin 64,000 kilometrin korkeudella. Juuri sillä hetkellä satelliitin alapuolella oleva Huippuvuorilla sijaitseva revontulia mittaava EISCAT-tutka varmisti nielun paikan omituiset vaihtelut.

Alustavat tutkimustulokset osoittavat nielun ylimpien osien liikkuneen 30 kilometrin sekuntinopeudella. Jatkotutkimukset luultavasti tuovat uusia arvokkaita näkökohtia fysikaalisista prosesseista näiltä Maan magneettikentän napojen yläpuolella sijaitsevilta kiinnostavilta alueilta.

"Ne ovat erittäin dynaamisia alueita, mutta niitä on aikaisemmin pystytty tutkimaan vain yksittäisillä satelliiteilla", kertoi tohtori Escoubet. "Siksi Clusterin mittaukset ovat niin tärkeitä. Näillä neljällä satelliitilla voimme saada kolmiuloitteista ja erittäin tarkkaa tietoa siitä mitä planeettamme ympärillä tapahtuu."

Cluster muodostaa yhdessä SOHO-satelliitin kanssa ESAn Auringon ja Maan välistä vuorovaikutusta tutkivan tiedeohjelman. Se on yksi ESAn kauaskantoisen Horizons 2000 - tiedeohjelman ns. kulmakivistä.