Met behulp van ongekende in-situ gegevens van ESA's Cluster-missie, wetenschappers hebben licht geworpen op de steeds veranderende aard van het schild van de aarde tegen kosmische straling, zijn boogschok, onthullend hoe deze deeltjesversneller energie door de ruimte transporteert en herverdeelt.

De nieuwe studie gebruikte observaties van twee van de vier ruimtevaartuigen van de Cluster-missie, die in dichte formatie door de boegschok van de aarde vloog, zitten op slechts 7 kilometer van elkaar.

De gegevens zijn verzameld op 24 januari 2015 op een afstand van 90, 000 kilometer van de aarde, ongeveer een kwart van de weg naar de maan, en onthullen eigenschappen van de boegschok die voorheen onduidelijk waren vanwege het ontbreken van dergelijke dicht bij elkaar gelegen in-situ metingen.

Wanneer een supersonische stroom een ​​obstakel tegenkomt, een schok vormt. Dit wordt vaak gezien in het heelal rond sterren, supernovaresten, kometen, en planeten – inclusief de onze. Schokken staan ​​bekend als zeer efficiënte deeltjesversnellers, en mogelijk verantwoordelijk voor het creëren van enkele van de meest energetische deeltjes in het universum.

De schok rond de aarde, bekend als de boogschok, is onze eerste verdedigingslinie tegen deeltjes die vanuit de kosmos naar binnen stromen, en onze dichtstbijzijnde testbank om de dynamiek van plasmaschokken te bestuderen. Het bestaat vanwege de hoge, supersonische snelheden van zonnewinddeeltjes, die een fenomeen creëren dat enigszins lijkt op de schokgolf die wordt gevormd wanneer een vliegtuig de geluidssnelheidsbarrière doorbreekt.

De nieuwe studie, vandaag gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , onthult de mechanismen die spelen wanneer deze schok energie van het ene type naar het andere overbrengt.

"De boogschok van de aarde is een natuurlijk en ideaal schoklaboratorium, " zegt hoofdauteur Andrew Dimmock van het Swedish Institute of Space Physics in Uppsala, Zweden.

"Dankzij missies als Cluster, we zijn in staat om meerdere ruimtevaartuigen erin en eromheen te plaatsen, schalen van honderden tot slechts enkele kilometers.

"Dit betekent dat we kunnen onderscheiden hoe de schok verandert in de ruimte en in de tijd, iets dat cruciaal is bij het karakteriseren van een schok van dit type."

Er zijn verschillende soorten schokken, gedefinieerd door de manieren waarop ze kinetische energie omzetten in andere soorten energie. In de atmosfeer van de aarde, kinetische energie wordt omgezet in warmte wanneer deeltjes met elkaar botsen - maar de enorme afstanden die spelen bij de boegschok van onze planeet betekenen dat deeltjesbotsingen daar niet zo'n rol kunnen spelen bij de energieoverdracht, omdat ze gewoon te ver uit elkaar liggen.

Dit type schok staat dus bekend als een botsingsloze schok. Dergelijke schokken kunnen op een groot aantal schalen voorkomen, van millimeters tot de grootte van een cluster van sterrenstelsels, en in plaats daarvan energie over te dragen via processen waarbij plasmagolven en elektrische en magnetische velden betrokken zijn.

"Behalve dat het botsingsvrij is, De boegschok van de aarde kan ook niet-stationair zijn, " voegt co-auteur Michael Balikhin van de Universiteit van Sheffield toe, VK.

"Op een manier, het gedraagt ​​zich als een golf in de zee:als een golf het strand nadert, het lijkt groter te worden naarmate de diepte afneemt, totdat het breekt - dit komt omdat de top van de golf sneller beweegt dan de trog, waardoor het vouwt en breekt.

"Dit soort 'breken' vindt plaats voor plasmagolven, te, hoewel de natuurkunde iets gecompliceerder is."

Om in detail te onderzoeken op welke fysieke schaal deze golfbreking wordt ingezet – iets wat voorheen onbekend was – vroegen de onderzoekers een speciale campagne aan waarbij twee van de vier Clustersondes werden verplaatst naar een ongekend nauwe afstand van minder dan 7 km, het verzamelen van gegevens met een hoge resolutie vanuit de schok zelf.

Analyseren van de gegevens, het team ontdekte dat de metingen van het magnetische veld verkregen door de twee Cluster-ruimtevaartuigen aanzienlijk verschilden. Dit directe bewijs dat er kleinschalige magnetische veldstructuren bestaan ​​binnen de bredere omvang van de boegschok, geeft aan dat ze essentieel zijn bij het vergemakkelijken van het breken van plasmagolven, en dus de overdracht van energie, in dit deel van de magnetosfeer.

Met afmetingen van enkele kilometers, vergelijkbaar met de schalen waarop elektronen rond de magnetische veldlijnen roteren, deze structuren bevinden zich in een bijzonder dun en variabel deel van de schok, waar de eigenschappen van het samenstellende plasma en de omliggende velden het meest drastisch kunnen veranderen.

"Dit deel van de boegschok staat bekend als de schokhelling, en kan zo dun zijn als een paar kilometer - een bevinding die ook een paar jaar geleden was gebaseerd op Cluster-gegevens, " zegt co-auteur Philippe Escoubet, die ook ESA-projectwetenschapper is voor de Cluster-missie.

Gelanceerd in 2000, De vier ruimtevaartuigen van Cluster vliegen in formatie rond de aarde, waardoor het de eerste ruimtemissie is die kan studeren, in drie dimensies, de fysieke processen die plaatsvinden in en in de nabije omgeving van de magnetische omgeving van de aarde.

"Dit soort onderzoek toont echt het belang van Cluster als missie aan, " voegt Escoubet toe. "Door ongelooflijk kleine ruimtevaartuigafstanden te bereiken - zeven kilometer zoals gebruikt in deze studie en zelfs kleiner, tot slechts drie kilometer – Cluster stelt ons in staat om de magnetische omgeving van onze planeet te onderzoeken op de kleinste schaal die ooit is bereikt.

"Dit bevordert ons begrip van de boegschok van de aarde en hoe deze werkt als een gigantische deeltjesversneller - iets dat essentieel is in onze kennis van het hoogenergetische universum."