Przy pomocy satelitów misji Cluster udało się zaobserwować z bliska zjawisko rekombinacji magnetycznej. Wykonane pomiary pozwalają uzupełnić opis zachowania ziemskiej magnetosfery pod wpływem wiatru słonecznego. Jest to pierwsze tak dokładne zbadanie zachowania pola magnetycznego dla małych obszarów i może stanowić przełom w dalszych badaniach.

Do tej pory naukowcy nie byli w stanie wyczerpująco opisać zjawiska rekombinacji ze względu na brak dokładnych danych. Dysponowali bowiem tylko przybliżonymi pomiarami dla znacznie oddalonych od siebie punktów. Dzięki wykorzystaniu satelitów misji Cluster, mogli wykonać pomiary pola magnetycznego podczas rekombinacji dla bardzo dużej rozdzielczości przestrzennej.

Zjawisko zostało zaobserwowane 17 sierpnia 2003 roku, o 18:00 CET. 4 bliźniacze sondy misji Cluster znajdowały się wtedy po przeciwnej stronie Ziemi niż Słońce, badając “ogon” magnetosfery. Sondy były ustawione w wierzchołkach czworościanu, a odległośc między nimi wynosiła ok. 200 km. Wykonane pomiary dają obraz pola magnetycznego o rozdzielczości kilkuset kilometrów.

Naukowcy wykorzystali dane z czujników elektronowych PEACE (Cluster’s Plasma Electron and Current Experiment), jonowych CIS (Cluster Ion Spectrometry experiment) i magnetycznych FGM (Fluxgate Magnetometer). Wyznaczyli ciśnienie elektronów dla każdej sondy i wyznaczyli różnice między nimi oraz ich zmienność w czasie. Stąd otrzymali informacje, jakie było pole elektryczne blisko miejsca, w którym nastąpiła rekombinacja.

Schemat rekombinacji magnetycznejESA

Podczas rekombinacji magnetycznej w plaźmie (gorącym gazie naładowanych cząsteczek) linie pola magnetycznego o przeciwnych zwrotach rozrywają się, a następnie ponownie łączą, tworząc przez moment strukturę o kształcie litery X. Nowopowstałe linie pola przyspieszają plazmę, powodując oddalenie się jej od punktu rekombinacji.

Rekombinacja magnetyczna (zwana też rekoneksją magnetyczną – ang. magnetic reconnection) jest niezwykle ważnym procesem, który może zajść wszędzie, gdzie obecne jest pole magnetyczne. Występuje podczas formowania się gwiazd i słonecznych eksplozji, jest też odpowiedzialna za rozbłyski słoneczne, zorze polarne i kształt ziemskiej magnetosfery. Proces ten jest również przyczyną faktu, że materia ze Słońca dociera na Ziemię.

Dynamika ziemskiej magnetosferyESA

Schematyczna animacja dynamiki ziemskiej magnetosfery. Rekombinacja w ziemskiej magnetosferze zachodzi stale po nocnej stronie naszej planety, gdzie wiatr słoneczny rozciąga pole magnetyczne Ziemi na kształt długiego ogona. Kiedy pole ulega rekombinacji, wyzwala dżety wysokoenergetycznych cząsteczek, które powodują powstanie zórz polarnych. Równocześnie wywołują one zaburzenia jonosfery, zakłócając działanie satelitów i systemów technologicznych, używanych na Ziemi – jak sygnałów GPS i komunikacji radiowej.

Jeśli proces rekombinacji zachodzi w polu magnetycznym bardzo blisko powierzchni Słońca, wywołuje gigantyczne rozbłyski słoneczne, podczas których emitowane są miliardy ton naładowanych elektrycznie cząsteczek. Cząsteczki te docierają do Ziemi, oddziałując z magnetosferą i jonosferą. Oprócz rozbłysków słonecznych, z ziemską magnetosferą oddziałuje także wiatr słoneczny.

W dużej skali przestrzennej, rzędu kilku tysięcy kilometrów, zachowanie pola magnetycznego w takich warunkach jest dobrze opisywane przy pomocy teorii zwanej magnetohydrodynamiką (MHD). Jednak zachowanie magnetosfery silnie zależy od skali, w jakiej ją obserwujemy, a zrozumienie zjawisk makroskopowych, zachodzących dla “ogona” magnetosfery o wielkości 300 000 km, jest zależne od zrozumienia zjawisk w skali kilkuset kilometrów.

Gdy rozpatrujemy mniejsze obszary przestrzeni, matematyczny opis zachodzących w nich zjawisk znacznie się komplikuje. Wynika to z tego, że naładowane cząsteczki mogą przecinać linie pola magnetycznego. Dla skali mniejszej niż kilkaset kilometrów, dodatnio naładowane jony zachowują się niezgodnie z wielkoskalowymi idealnymi przewidywaniami MHD. Natomiast elektrony zachowują się “niegrzecznie” dla odległości od miejsca rekombinacji mniejszych niż 10 km. Pomiary misji Cluster pozwolą na zweryfikowanie i udoskonalenie teoretycznych przewidywań zachowania pola magnetycznego.

Misja Cluster jest prowadzona przez ESA, w jej skład wchodzą 4 bliźniacze satelity o wdzięcznych nazwach Rumba, Salsa, Samba i Tango. Jej celem jest dokładne zbadanie ziemskiej magnetosfery oraz jej interakcji z wiatrem słonecznym. Dzięki temu, że satelity mogą poruszać się w różnych formacjach, naukowcy otrzymują dokładne dane, pozwalające analizować zjawiska w trzech wymiarach. Początkowo misja miała trwać od lutego 2001 roku do grudnia 2005, jednak została przedłużona do grudnia 2009 roku. Do tej pory sondy Cluster dostarczyły wielu danych na temat mechanizmu powstawania zórz polarnych, kształtu ziemskiej magnetosfery oraz nieliniowych zachowań pola magnetycznego.

Oddzielenie satelitów Tango i RumbaESA

Oddzielenie satelitów Tango i Rumba, wchodzących w skład misji Cluster. Zdjęcie wykonano przy pomocy Visual Monitoring Camera (VMC) ok. 3 godziny po wspólnym wyniesieniu tej pary satelitów na orbitę.

Autor

Teresa Kubacka