Chúng ta ở đây trên Trái đất thật may mắn vì chúng ta có một bầu khí quyển khả thi, một bầu khí quyển được bảo vệ bởi từ trường Trái đất. Nếu không có lớp vỏ bảo vệ này, sự sống trên bề mặt sẽ bị bắn phá bởi bức xạ có hại phát ra từ Mặt trời. Tuy nhiên, bầu khí quyển phía trên Trái đất vẫn đang rò rỉ từ từ, với khoảng 90 tấn vật chất mỗi ngày thoát ra khỏi bầu khí quyển phía trên và truyền vào không gian.
Và mặc dù các nhà thiên văn học đã nghiên cứu về sự rò rỉ này trong một thời gian, vẫn còn nhiều câu hỏi chưa được trả lời. Ví dụ, có bao nhiêu vật chất bị mất vào không gian, loại nào và làm thế nào điều này tương tác với gió mặt trời để ảnh hưởng đến môi trường từ tính của chúng ta? Đó là mục đích của dự án Cụm vũ trụ châu Âu châu Âu, một loạt bốn tàu vũ trụ giống hệt nhau đã đo môi trường từ tính Trái đất trong 15 năm qua.
Hiểu được bầu không khí của chúng ta Tương tác với gió mặt trời trước tiên đòi hỏi chúng ta phải hiểu cách thức hoạt động của từ trường Earth. Đối với người mới bắt đầu, nó kéo dài từ bên trong hành tinh của chúng ta (và được cho là kết quả của hiệu ứng động lực trong lõi), và vươn ra ngoài vũ trụ. Vùng không gian này, mà từ trường của chúng ta tác động lên, được gọi là từ quyển.
Phần bên trong của từ quyển này được gọi là plasmasphere, một khu vực có hình bánh rán kéo dài đến khoảng cách khoảng 20.000 km từ Trái đất và cùng quay với nó. Từ quyển cũng tràn ngập các hạt và ion tích điện bị mắc kẹt bên trong, và sau đó được gửi qua lại dọc theo các đường trường của khu vực.
Ở phía trước, cạnh mặt trời, từ quyển gặp gió mặt trời - một dòng các hạt tích điện chảy từ Mặt trời vào không gian. Vị trí mà chúng tiếp xúc được gọi là Shock Bow Shock, được đặt tên như vậy bởi vì các đường sức từ của nó buộc gió mặt trời phải mang hình dạng của một cây cung khi chúng đi ngang qua chúng ta.
Khi gió mặt trời đi qua từ trường Trái đất, nó lại kết hợp với nhau sau hành tinh của chúng ta để tạo thành một từ trường - một ống dài chứa các tấm plasma bị kẹt và các đường trường tương tác. Nếu không có lớp vỏ bảo vệ này, bầu khí quyển Trái đất sẽ dần bị tước đi hàng tỷ năm trước, một số phận hiện được cho là đã rơi xuống sao Hỏa.
Điều đó đang được nói, từ trường Earth Trái đất không được niêm phong chính xác. Ví dụ, tại các cực của hành tinh của chúng ta, các đường trường được mở, cho phép các hạt năng lượng mặt trời xâm nhập và lấp đầy từ trường của chúng ta bằng các hạt năng lượng. Quá trình này là những gì chịu trách nhiệm cho Aurora Borealis và Aurora Australis (còn gọi là Ánh sáng phương Bắc và phương Nam).
Đồng thời, các hạt từ bầu khí quyển trên Trái đất (tầng điện ly) có thể thoát ra theo cách tương tự, đi lên qua các cực và bị lạc vào không gian. Mặc dù tìm hiểu nhiều về từ trường Trái đất và cách thức plasma được hình thành thông qua sự tương tác của nó với các hạt khác nhau, phần lớn về toàn bộ quá trình đã không rõ ràng cho đến gần đây.
Như Arnaud Masson, Phó nhà khoa học dự án ESA cho nhiệm vụ Cluster đã nêu trong thông cáo báo chí của ESA:
“Câu hỏi về vận chuyển plasma và mất khí quyển có liên quan đến cả các hành tinh và các ngôi sao, và là một chủ đề cực kỳ hấp dẫn và quan trọng. Hiểu làm thế nào vật chất thoát ra là rất quan trọng để hiểu làm thế nào sự sống có thể phát triển trên một hành tinh. Sự tương tác giữa vật liệu đến và đi trong từ trường Trái đất là một chủ đề nóng tại thời điểm này; chính xác thì thứ này đến từ đâu? Làm thế nào mà nó đi vào bản vá không gian của chúng tôi?“
Cho rằng bầu khí quyển của chúng ta chứa 5 triệu triệu tấn vật chất (đó là 5 x 1015, tương đương 5.000.000 tỷ tấn), một khoản lỗ 90 tấn mỗi ngày không quá nhiều. Tuy nhiên, con số này không bao gồm khối lượng các ion lạnh lạnh thường được thêm vào. Thuật ngữ này thường được sử dụng để mô tả các ion hydro mà ngày nay chúng ta biết đang bị mất trong từ quyển một cách thường xuyên (cùng với các ion oxy và helium).
Vì hydro đòi hỏi ít năng lượng hơn để thoát khỏi bầu khí quyển của chúng ta, các ion được tạo ra một khi hydro này trở thành một phần của plasma cũng có năng lượng thấp. Kết quả là, họ đã rất khó phát hiện trong quá khứ. Hơn nữa, các nhà khoa học chỉ biết về dòng ion oxy, hydro và helium này - xuất phát từ các vùng cực của Trái đất và bổ sung plasma trong từ quyển - trong vài thập kỷ.
Trước đó, các nhà khoa học tin rằng các hạt năng lượng mặt trời đơn thuần chịu trách nhiệm cho plasma trong từ trường Trái đất. Nhưng trong những năm gần đây, họ đã hiểu rằng hai nguồn khác đóng góp vào plasmasphere. Đầu tiên là các bào tử lẻ tẻ, lấy ra plasma plasma phát triển trong huyết tương và đi ra ngoài rìa của từ quyển, nơi chúng tương tác với plasma gió mặt trời theo cách khác.
Các nguồn khác? Sự rò rỉ khí quyển nói trên. Trong khi điều này bao gồm các ion oxy, heli và hydro dồi dào, các ion hydro lạnh dường như đóng vai trò quan trọng nhất. Chúng không chỉ tạo thành một lượng đáng kể vật chất bị mất vào không gian, và có thể đóng vai trò chính trong việc định hình môi trường từ tính của chúng ta. Hơn nữa, hầu hết các vệ tinh hiện đang quay quanh Trái đất đều không thể phát hiện ra các ion lạnh được thêm vào hỗn hợp, điều mà Cluster có thể làm được.
Trong năm 2009 và 2013, các tàu thăm dò Cụm có thể mô tả sức mạnh của chúng, cũng như các nguồn plasma khác được thêm vào từ quyển Trái đất. Khi chỉ xem xét các ion lạnh, lượng khí quyển bị mất o không gian lên tới vài nghìn tấn mỗi năm. Nói tóm lại, nó giống như mất tất. Không phải là một vấn đề lớn, nhưng bạn muốn biết họ sẽ đi đâu, phải không?
Đây là một lĩnh vực trọng tâm khác cho nhiệm vụ Cluster, trong thập kỷ qua và một nửa đã cố gắng khám phá làm thế nào những ion này bị mất, chúng đến từ đâu và tương tự. Như Philippe Escoubet, Nhà khoa học Dự án ESA cho nhiệm vụ Cluster, đặt nó:
“Về bản chất, chúng ta cần tìm hiểu làm thế nào plasma lạnh kết thúc tại nam châm. Có một vài khía cạnh khác nhau về điều này; chúng ta cần biết các quá trình liên quan đến việc vận chuyển nó đến đó, làm thế nào các quá trình này phụ thuộc vào gió mặt trời động và các điều kiện của từ quyển, và nơi plasma đến từ nơi đầu tiên - nó có nguồn gốc từ tầng điện ly, plasmasphere hay ở nơi nào khác?“
Những lý do để hiểu điều này là rõ ràng. Các hạt năng lượng cao, thường ở dạng ngọn lửa mặt trời, có thể gây ra mối đe dọa cho công nghệ dựa trên không gian. Ngoài ra, hiểu cách khí quyển của chúng ta tương tác với gió mặt trời cũng hữu ích khi nói về thám hiểm không gian nói chung. Hãy xem xét những nỗ lực hiện tại của chúng tôi để định vị sự sống ngoài hành tinh của chúng ta trong Hệ Mặt Trời. Nếu có một điều mà hàng thập kỷ sứ mệnh đối với các hành tinh gần đó đã dạy chúng ta, thì đó là bầu khí quyển và môi trường từ trường rất quan trọng trong việc xác định khả năng cư trú.
Trong phạm vi gần với Trái đất, có hai ví dụ về điều này: Sao Hỏa, có bầu khí quyển mỏng và quá lạnh; và Venus, bầu không khí của người quá dày đặc và quá nóng. Trong Hệ mặt trời bên ngoài, Titan mặt trăng Saturn tiếp tục gây tò mò cho chúng ta, chủ yếu là do bầu không khí bất thường. Là cơ quan duy nhất có bầu khí quyển giàu nitơ ngoài Trái đất, đây cũng là hành tinh duy nhất được biết đến nơi quá trình truyền chất lỏng diễn ra giữa bề mặt và bầu khí quyển - mặc dù có hóa dầu thay vì nước.
Hơn nữa, sứ mệnh của NASA Jun Juno sẽ dành hai năm tới để khám phá từ trường và khí quyển của riêng Sao Mộc. Thông tin này sẽ cho chúng ta biết nhiều về hành tinh lớn nhất của Hệ mặt trời, nhưng nó cũng hy vọng sẽ làm sáng tỏ sự hình thành hành tinh lịch sử trong Hệ mặt trời.
Trong mười lăm năm qua, Cluster đã có thể nói với các nhà thiên văn học rất nhiều về cách khí quyển Trái đất tương tác với gió mặt trời và đã giúp khám phá các hiện tượng từ trường mà chúng ta chỉ mới bắt đầu hiểu. Và trong khi còn nhiều điều phải học, các nhà khoa học đồng ý rằng những gì chưa được khám phá cho đến nay sẽ là không thể nếu không có một nhiệm vụ như Cluster.
