Terra está vazando sua atmosfera - "Fraqueza Encontrado em nosso campo magnético"

A atmosfera da Terra está vazando. Todos os dias, cerca de 90 toneladas de material escapa da atmosfera superior de nosso planeta e córregos para o espaço. Embora missões como a frota Cluster da ESA têm sido investigar esse vazamento, ainda existem muitas questões em aberto. Como e por que é terra de perder a sua atmosfera - e como isso é relevante em nossa busca pela vida em outros planetas?

"A questão do transporte de plasma e perda atmosférica é relevante para ambos os planetas e as estrelas, e é um tema incrivelmente fascinante e importante. Compreender como a matéria atmosférica escapa é crucial para entender como a vida pode se desenvolver em um planeta", disse Arnaud Masson, da ESA Adjunto Cientista de projecto da missão Cluster. "A interação entre o material que entra e sai na magnetosfera da Terra é um tema quente no momento,? Onde exatamente é este material proveniente de Como foi entrar no nosso pedaço de espaço"

Dada a extensão de nossa atmosfera, 90 toneladas por dia equivale a um pequeno vazamento. A atmosfera da Terra pesa cerca de cinco quatrilhões (5 × 1015) toneladas, por isso, não estão em perigo de ficar sem qualquer momento em breve. No entanto, a compreensão da atmosfera da Terra, e como ele escapa para o espaço, é fundamental para compreender as atmosferas de outros planetas, e pode ser crucial na nossa caça de planetas habitáveis ​​e vida extraterrestre.

Temos vindo a explorar ambiente magnético da Terra por anos usando satélites como missão Cluster da ESA, uma frota de quatro naves espaciais lançadas em 2000. Cluster tem sido continuamente observando as interações magnéticas entre o Sol ea Terra há mais de uma década e meia; essa longevidade, combinada com as suas capacidades multi-naves espaciais e órbita original, fizeram dele um jogador-chave na compreensão tanto atmosfera vazamento da Terra e como o nosso planeta interage com o Sistema Solar circundante.

campo magnético da Terra é complexa; estende-se a partir do interior do nosso planeta para o espaço, exercendo sua influência sobre uma região do espaço apelidado de magnetosfera.

A magnetosfera - e sua região interior (o plasmasphere), uma porção em forma de rosca sentado em cima de nossa atmosfera, que co-gira com a Terra e se estende até uma distância média de 20 000 km - é inundado com partículas carregadas e íons que estão presos, saltando para trás e para frente ao longo das linhas de campo.

Na sua borda Sunward externa da magnetosfera encontram o vento solar, um fluxo contínuo de partículas carregadas - a maioria prótons e elétrons - que flui do Sol Aqui, o nosso campo magnético atua como um escudo, desviando e reencaminhamento o vento recebida como uma rocha possa dificultar uma corrente de água. Esta analogia pode ser continuado para o lado da Terra mais longe do Sol - partículas dentro do vento solar são esculpidos em torno do nosso planeta e, lentamente, voltar a se unir, formando um tubo alongado (nomeado o magnetotail), que contém folhas de plasma e campo interagindo preso linhas.

No entanto, o nosso escudo magnetosfera tem suas fraquezas; nos pólos da Terra as linhas de campo estão abertas, como os de um ímã de barra padrão (esses locais são nomeadas as cúspides polares). Aqui, partículas do vento solar pode ir para dentro em direção à Terra, enchendo a magnetosfera com partículas energéticas.

Assim como partículas podem se dirigir para o interior para baixo destas linhas polares abertos, partículas também pode cabeça para fora. Íons de atmosfera superior da Terra - a ionosfera, que se estende a cerca de 1000 km acima da Terra - também inundar para fora para encher esta região do espaço. Embora missões, como Cluster descobriram muito, os processos envolvidos permanecem obscuros.

Inicialmente, os cientistas acreditavam ambiente magnético da Terra a ser preenchida exclusivamente com partículas de origem solar. No entanto, no início dos anos 1990 foi previsto que a atmosfera da Terra estava vazando para fora no plasmasphere - algo que, desde então, acabou por ser verdade.

Observações mostraram colunas esporádicos, poderosos de plasma, plumas apelidado, crescendo dentro da plasmasphere, que viajam para o exterior para a borda da magnetosfera e interagindo com plasma vento solar entrar na magnetosfera.

Estudos mais recentes têm inequivocamente confirmou outra fonte - a atmosfera da Terra é constantemente vazando! Juntamente com as plumas acima mencionados, um fluxo constante, contínua de material (compreendendo íons de oxigênio, hidrogênio e hélio) deixa plasmasphere do nosso planeta das regiões polares, reabastecendo o plasma dentro da magnetosfera. Cluster encontrou prova deste vento, e quantificou a sua força para ambos os íons globais (relatado em um artigo publicado em 2013) e para o hidrogênio em particular (relatado em 2009).

No geral, cerca de 1 kg de material está escapando nossa atmosfera a cada segundo, no valor de quase 90 toneladas por dia. Destacar apenas íons frio (íons de luz de hidrogênio, que requerem menos energia para escapar e, assim, possuem uma energia mais baixa na magnetosfera), os totais de massa fuga de milhares de toneladas por ano.

íons frios são importantes; muitos satélites - Cluster excluídos - não pode detectá-los, devido às suas baixas energias, mas eles formam uma parte significativa da perda de matéria líquida da Terra, e pode desempenhar um papel-chave na formação do nosso ambiente magnético. 
tempestades e períodos de atividade solar aumentada solares parecem acelerar a perda atmosférica da Terra de forma significativa, por mais de um fator de três.No entanto, questões fundamentais permanecem: Como íons escapar, e de onde eles se originou? Que processos estão em jogo, e que é dominante?

Um dos processos chave de escape é pensado para ser aceleração centrífuga, o que acelera os iões em pólos da Terra como eles cruzam as linhas do campo magnético que mudam de forma lá. Esses íons são desviados para diferentes trajetórias de deriva, ganhar energia, e acabam se afastando da Terra para a cauda magnética, onde eles interagem com plasma e retornar à Terra em velocidades muito mais altas do que partiu com - uma espécie de efeito bumerangue.

Tais partículas de alta energia pode representar uma ameaça para a tecnologia baseada no espaço, de modo a compreensão deles é importante. Cluster tem explorado este processo várias vezes ao longo da última década e meia - encontrá-lo para afetar íons mais pesados, tais como o oxigênio mais do que os mais leves, e também detectar feixes forte, de alta velocidade de íons subindo rapidamente de volta para a Terra a partir da cauda magnética quase 100 vezes ao longo de três anos.

Mais recentemente, cientistas têm explorado o processo de reconexão magnética, um dos processos físicos mais eficientes, através da qual o vento solar entra magnetosfera da Terra e acelera plasma. Neste processo, plasma interage e troca de energia com linhas de campo magnético; diferentes linhas se reconfigurar, quebrando, deslocando ao redor, e forjar novas ligações por fusão com outras linhas, liberando enormes quantidades de energia no processo.

Aqui, os iões de frio são considerados como sendo importantes. Sabemos que os íons frios afetam o processo de reconexão magnética, por exemplo, diminuindo a taxa de reconexão na fronteira onde o vento solar se encontra com a magnetosfera (a magnetopausa), mas ainda não tem certeza dos mecanismos em jogo.

"Em essência, nós precisamos descobrir como frio plasma acaba no magnetopausa", disse Philippe Escoubet, cientista do projecto da ESA para a missão Cluster. "Há alguns aspectos diferentes para esta, precisamos conhecer os processos envolvidos na transportá-lo lá, como esses processos dependem do vento dinâmica solar e as condições da magnetosfera, e onde plasma está vindo em primeiro lugar - faz se originou na ionosfera, a plasmasphere, ou em outro lugar? "

Recentemente, os cientistas modelados e simulados ambiente magnético da Terra com foco em estruturas conhecidas como plasmoids e cordas Flux - cilindros, tubos e alças de plasma que se embaraçar com linhas de campo magnético. Estes surgem quando o processo de reconexão magnética ocorre no magnetotail e ejeta plasmoids tanto para a cauda exterior e em direção à Terra.

iões frias podem desempenhar um papel importante na decisão sobre a direcção do plasmóide ejectado. Estas simulações recentes mostraram uma ligação entre plasmoids dirigem para a Terra e íons de oxigênio pesados ​​vazando para fora da ionosfera - em outras palavras, íons de oxigênio pode reduzir e extinguir as taxas de reconexão em determinados pontos dentro da cauda magnética que produzem trajetórias na direcção da cauda, ​​tornando-se assim mais favorável em outros locais que, em vez enviá-los em direção à terra. Estes resultados estão de acordo com as observações cluster existente.

Outro estudo Cluster recente comparou os dois principais escape atmosférico mecanismos experiências Terra - plumas esporádicos que emanam através da plasmasphere, e o vazamento constante da atmosfera da Terra a partir da ionosfera - para ver como eles podem contribuir para a população de íons frios que residem no magnetopausa dayside ( o limite vento magnetosfera-solar mais próximo do Sol).

Ambos os processos de escape parecem depender de diferentes maneiras no campo interplanetária magnética (FMI), o campo magnético solar que é realizado no Sistema Solar pelo vento solar. Este campo se move através do espaço em um padrão espiral devido à rotação do Sol, como a água liberada a partir de um irrigador de grama. Dependendo de como o FMI está alinhada, pode eficazmente cancelar parte do campo magnético da Terra no magnetopausa, ligando-se e fundir-se com o nosso campo e permitindo que o vento solar para transmitir in.

Plumas parece ocorrer quando o FMI está orientada para o sul (anti-paralelo ao campo magnético da Terra, agindo, assim, como mencionado acima). Por outro lado, vazamento de fluxos de saída do ionosfera ocorrer durante FMI orientado para o norte. Ambos os processos ocorrem mais fortemente quando o vento solar é tanto mais densa ou viajando mais rápido (exercendo assim uma maior pressão dinâmica).

"Embora ainda haja muito a aprender, temos sido capazes de fazer grandes progressos aqui", disse Masson. "Esses estudos recentes têm conseguido vincular juntos com sucesso múltiplos fenômenos - a saber, o vazamento da ionosfera, plumas do plasmasphere, e reconexão magnética -. Para pintar uma imagem melhor do ambiente magnético da Terra Esta pesquisa necessários vários anos de observação permanente, algo que só poderia começa com Cluster ".

Aprender mais sobre a nossa própria atmosfera pode nos dizer muito sobre os nossos vizinhos planetários - poderíamos potencialmente aplicar esse tipo de pesquisa a qualquer objeto astrofísico tanto com uma atmosfera e um campo magnético. Sabemos que atmosferas planetárias desempenham um papel essencial na prestação de um planeta habitável ou sem vida, mas continua a haver muitas questões em aberto.

Considere a diversidade visto nos planetas e luas do nosso Sistema Solar, por exemplo. No nosso pequeno pedaço do Universo vemos mundos extremas e opostas: a atmosfera de dióxido de carbono de smog-like de Vênus, a atmosfera muito empobrecido tênue da atual Mars, a atmosfera rica em nitrogênio da lua Titan de Saturno, o essencialmente sem ar Jovian lua Callisto, a atmosfera de oxigênio-rolamento da Terra.

Como sabemos se esses planetas poderia suportar a vida, ou se eles podem um dia ter feito isso? Marte, por exemplo, é pensado para ter uma vez tinha uma atmosfera grossa, densa que foi consideravelmente arrancada ao longo do tempo. Embora o planeta vermelho é pouco provável que seja habitável hoje, pode muito bem ter sido assim no passado.

"Compreender mais sobre a nossa própria atmosfera vai nos ajudar quando se trata de outros planetas por todo o Universo", disse Escoubet. "Precisamos saber mais. Por que a Terra tem uma atmosfera que pode suportar a vida, enquanto outros planetas não?" 
Cluster é uma missão única; que compreende quatro naves espaciais - um formato que a NASA usou recentemente para a sua missão Magnetospheric Multiscale (MMS), lançado em 2015 - que permitem contínuo estudo do campo magnético da Terra e do vento solar de vários locais e orientações. Cluster está em funcionamento desde 2000, e nesse tempo compilou uma riqueza de informações sobre o nosso ambiente magnético através de vários períodos de atividade solar e terrestre.

"Além disso, a órbita de Cluster é verdadeiramente único entre todas as missões atuais, a frota está em uma órbita polar, o que significa que pode explorar regiões do nosso planeta dinâmicas polares - especificamente as cúspides e calotas polares - de perto e em detalhes sem precedentes", acrescentou Escoubet.

", Missões espaciais global a longo prazo, como Cluster estão nos ajudando a entender muito mais sobre o nosso planeta, sua atmosfera, e perda atmosférica em geral - que por sua vez vai nos ajudar a entender o sistema solar em que vivemos."

Cluster é uma constelação de quatro naves espaciais que voam na formação em torno da Terra. É a primeira missão espacial capaz de estudar, em três dimensões, os processos físicos naturais que ocorrem dentro e nas imediações da magnetosfera da Terra. Lançado em 2000, é composto por quatro naves espaciais idênticas orbitando a Terra em uma configuração piramidal

carga útil do cluster consiste em state-of-the-art instrumentação plasma para medir campos eléctricos e magnéticos sobre faixas de freqüência de largura e parâmetros físicos fundamentais que caracterizam elétrons e íons de energias de perto 0 eV a alguns MeV. As operações científicas são coordenadas pelo Centro de Operações Ciência Conjunta (JSOC) no Rutherford Appleton Laboratory, Reino Unido, e implementado pela Centro Europeu de Operações Espaciais da ESA (ESOC), em Darmstadt, Alemanha.

O Galaxy diário via ESA

Créditos de imagem: A região reconexão magnética na magnetosfera da Terra, a ESA / ATG Medialab