Gegevens van ESA's Cluster-missie hebben een opname opgeleverd van het griezelige "lied" dat de aarde zingt wanneer het wordt getroffen door een zonnestorm.

Het lied komt van golven die worden gegenereerd in het magnetische veld van de aarde door de botsing van de storm. De storm zelf is de uitbarsting van elektrisch geladen deeltjes uit de atmosfeer van de zon.

Een team onder leiding van Lucile Turc, een voormalig ESA-onderzoeker die nu is gevestigd aan de Universiteit van Helsinki, Finland, deed de ontdekking na analyse van gegevens uit het Cluster Science Archive. Het archief biedt toegang tot alle gegevens die zijn verkregen tijdens de doorlopende missie van Cluster gedurende bijna twee decennia.

Cluster bestaat uit vier ruimtevaartuigen die in formatie om de aarde draaien, het onderzoeken van de magnetische omgeving van onze planeet en de interactie ervan met de zonnewind - een constante stroom van deeltjes die door de zon worden vrijgegeven in het zonnestelsel.

Als onderdeel van hun banen, het Cluster-ruimtevaartuig vliegt herhaaldelijk door de voorschok, dat is het eerste gebied dat deeltjes tegenkomen wanneer een zonnestorm onze planeet treft. Het team ontdekte dat in het begin van de missie, van 2001 tot 2005, het ruimtevaartuig vloog door zes van dergelijke botsingen, registreren van de gegenereerde golven.

De nieuwe analyse laat zien dat tijdens de aanrijding, de voorschok wordt aangedreven om magnetische golven vrij te geven die veel complexer zijn dan eerst werd gedacht.

"Onze studie onthult dat zonnestormen het voorschokgebied ingrijpend wijzigen, ' zegt Lucile.

Wanneer de frequenties van deze magnetische golven worden omgezet in hoorbare signalen, ze geven aanleiding tot een griezelig nummer dat misschien meer aan de geluidseffecten van een sciencefictionfilm doet denken dan aan een natuurlijk fenomeen.

In rustige tijden, wanneer geen zonnestorm de aarde treft, het nummer is lager in toonhoogte en minder complex, waarbij één enkele frequentie de oscillatie domineert. Wanneer een zonnestorm toeslaat, de frequentie van de golf wordt ongeveer verdubbeld, waarbij de precieze frequentie van de resulterende golven afhankelijk is van de sterkte van het magnetische veld in de storm.

"Het is alsof de storm de stemming van de voorschok verandert, ’ legt Lucile uit.

En daar houdt het niet op, want niet alleen verandert de frequentie van de golf, maar het wordt ook veel gecompliceerder dan de enkele frequentie die aanwezig is in stille tijden. Zodra de storm de voorschok raakt, de golf breekt in een complex netwerk van verschillende, hogere frequenties.

Computersimulaties van de voorschok, uitgevoerd met behulp van een model genaamd Vlasiator, die wordt ontwikkeld aan de Universiteit van Helsinki, demonstreren het ingewikkelde golfpatroon dat verschijnt tijdens zonnestormen.

De veranderingen in de voorschok hebben de kracht om de manier te beïnvloeden waarop de zonnestorm zich naar het aardoppervlak voortplant. Hoewel het nog een open vraag is hoe dit proces precies werkt, het is duidelijk dat de energie die wordt opgewekt door golven in de voorschok niet terug in de ruimte kan ontsnappen, terwijl de golven door de inkomende zonnestorm naar de aarde worden geduwd.

Voordat ze onze atmosfeer bereiken, echter, de golven stuiten op een andere barrière, de boogschok, dat is het magnetische gebied van de ruimte dat zonnewinddeeltjes vertraagt ​​voordat ze in botsing komen met het magnetische veld van de aarde. De botsing van de magnetische golven wijzigt het gedrag van de boegschok, mogelijk verandert de manier waarop het de energie van de inkomende zonnestorm verwerkt.

Achter de boegschok, de magnetische velden van de aarde beginnen te resoneren met de frequentie van de golven en dit draagt ​​ertoe bij dat de magnetische storing helemaal naar de grond wordt overgebracht. Het is een snel proces, taking around ten minutes from the wave being generated at the foreshock to its energy reaching the ground.

Lucile and colleagues are now working to understand exactly how these complex waves are generated.

"We always expected a change in frequency but not the level of complexity in the wave, " zij voegt toe.

Solar storms are a part of space weather. While the solar wind is always blowing, explosive releases of energy close to the sun's surface generate turbulence and gusts that eventually give rise to solar storms.

Understanding space weather has become increasingly important to society because of the damaging effects solar storms can have on sensitive electronics and technology on ground and in space. It is now more important than ever that we understand how space weather disturbances such as solar storms propagate through the Solar System and down to Earth, and ESA's upcoming Solar Orbiter mission, scheduled for launch in February 2020, will greatly contribute to these investigations.

This new scientific study based on the long-lived Cluster mission provides another detail in that knowledge but it also has a larger role to play in our understanding of the universe. Magnetic fields are ubiquitous and so the kind of complex interaction seen in Earth's foreshock may take place in a variety of cosmic environments, including exoplanets orbiting close to their parent star, as they would be immersed in intense magnetic fields.

"This is an excellent example of how Cluster continues to extend our knowledge of the sun-Earth connection, even years after the original data was obtained, " says Philippe Escoubet, ESA Project Scientist for Cluster.

"The results take us deeper into the details of fundamental magnetic interactions that take place across the universe."