Ondanks een nominale levensduur van twee jaar, ESA's Cluster gaat nu zijn derde decennium in de ruimte in. Deze unieke missie met vier ruimtevaartuigen onthult sinds 2000 de geheimen van de magnetische omgeving van de aarde en, met 20 jaar observaties achter de rug, maakt nog steeds nieuwe ontdekkingen mogelijk terwijl het de relatie van onze planeet met de zon onderzoekt.

Als de enige planeet waarvan bekend is dat ze leven herbergt, De aarde neemt een werkelijk unieke plaats in in het zonnestelsel. De clustermissie, gelanceerd in de zomer van 2000, is ontworpen en gebouwd om misschien wel het enige belangrijkste ding te bestuderen dat de aarde tot een unieke bewoonbare wereld maakt waar leven kan gedijen. Dit ene ding dat het leven mogelijk maakt, is de krachtige magnetosfeer van de aarde, die de planeet beschermt tegen het bombardement door kosmische deeltjes maar er ook mee in wisselwerking staat, spectaculaire fenomenen creëren, zoals poollicht.

magnetosfeer van de aarde, een traanvormig gebied dat ongeveer 65 begint, 000 kilometer verwijderd van de planeet aan de dagzijde en strekt zich uit tot 6, 300, 000 kilometer aan de nachtzijde, is het resultaat van de interactie tussen het magnetisch veld van de planeet, gegenereerd door de bewegingen van de gesmolten metalen kern, en de zonnewind. Cluster is de eerste missie die is bestudeerd, hebben dit gebied en de processen daarin tot in detail gemodelleerd en driedimensionaal in kaart gebracht. Door het zo te doen, het hielp ons begrip van ruimteweerverschijnselen te vergroten, die ontstaan ​​door het samenspel tussen de magnetosfeer en de energetische deeltjes die de zonnewind vormen. Deze verschijnselen kunnen niet alleen levende organismen beschadigen, maar ook elektronische apparatuur, hetzij op de grond of in een baan.

Rumba, Salsa, Samba en Tango

De Cluster-missie bestaat uit vier ruimtevaartuigen die in een piramideachtige formatie in een elliptische polaire baan vliegen. De vier ruimtevaartuigen, genaamd Rumba, Salsa, Samba en Tango, elk met dezelfde lading van 11 geavanceerde instrumenten, werden op 16 juli en 9 augustus 2000 in een baan om de aarde gebracht met twee raketlanceringen.

Hoewel de missie een enorm succes is geworden, talrijke wetenschappelijke doorbraken mogelijk hebben gemaakt, de vroege dagen verliepen niet vlekkeloos. Door een ondermaatse prestatie van de eerste trap van de Sojoez-draagraket kwamen Rumba en Tango in een verkeerde baan terecht, hen dwingen op hun eigen voortstuwing te vertrouwen, evenals de Fregat bovenste trap van Sojoez, om in de juiste positie te komen om bij Salsa en Samba te komen. Het ongeluk volgde op de mislukte lancering van het oorspronkelijke Cluster I-kwartet in 1996.

"ESA maakte zich twintig jaar geleden een beetje zorgen, tijdens de lancering van het tweede paar ruimtevaartuigen, " geeft Philippe Escoubet toe, Cluster Project Scientist bij ESA "Sindsdien, de missie heeft enorme vooruitgang geboekt, en het is nog lang niet klaar."

In de laatste twee decennia, Clusterobservaties hebben details blootgelegd over de processen in de magnetosfeer, onthulde hoe de atmosfeer het leven ondersteunt, en verschafte essentiële inzichten in het ruimteweer dat nodig is om veilige satellietcommunicatie en ruimte- of vliegreizen mogelijk te maken.

Een unieke architectuur

De sleutel tot de kracht van de missie is niet alleen de configuratie met vier ruimtevaartuigen, maar ook het feit dat operators de afstand tussen de vier satellieten kunnen aanpassen van 3 tot 60, 000 kilometer afhankelijk van de wetenschappelijke doelstelling.

"Dit ontwerp met meerdere ruimtevaartuigen is de sleutel tot het succes van Cluster, ", legt Philippe uit. "Door vier ruimtevaartuigen te gebruiken in plaats van één, Cluster is in staat om op unieke wijze meerdere ruimtegebieden te meten en meerdere perspectieven te krijgen op een bepaalde gebeurtenis of activiteit, zoals een zonnestorm-gelijktijdig."

Wanneer dichter bij elkaar, het Cluster-ruimtevaartuig kan graven in de fijnere magnetische structuren in de ruimte nabij de aarde; wanneer meer gescheiden, ze kunnen een breder beeld krijgen van activiteiten op grotere schaal. Over zijn baan, Cluster vliegt zowel binnen als buiten de magnetosfeer van de aarde, waardoor het de verschijnselen aan beide zijden van het magnetische schild van onze planeet kan onderzoeken.

Polaire kracht

Terwijl de meeste missies die de magnetische verschijnselen van de aarde onderzoeken, zich richten op de evenaar waar veel elektrische stromen stromen, het Cluster-kwartet cirkelt in een polaire baan om de aarde, waardoor het periodiek boven beide polen van de aarde kan passeren. De poolgebieden zijn magnetisch extreem dynamisch. Zonnewind in dit gebied kan dieper doordringen in de bovenste atmosfeer van de aarde door de polaire knobbels, trechtervormige openingen in de magnetosfeer boven de polen, die aanleiding geven tot de spectaculaire aurora's.

Het vermogen van Cluster om hogere breedtegraden te observeren dan andere missies, maakte de missie tot een belangrijke speler bij het vormen van een wereldwijde magnetosferische kaart.

Een onderdeel hiervan was het nauwkeurig in kaart brengen van de positie en omvang van zogenaamd koud plasma (traag bewegende geladen deeltjes) rond de aarde in drie dimensies. Dergelijk plasma - waarvan Cluster ontdekte, verrassend genoeg, domineren het volume van de magnetosfeer tot 70% van de tijd - wordt verondersteld een sleutelrol te spelen in hoe stormachtig ruimteweer onze planeet beïnvloedt. Cluster heeft ook onderzocht hoe de binnenste delen van de magnetosfeer van de aarde werken om andere delen aan te vullen met vers plasma, niet alleen sporadische pluimen observeren die plasma naar buiten duwen, maar ook een constant atmosferisch lek van bijna 90 duizend kilogram materiaal per dag

20 jaar ontdekking

Door het in kaart brengen van het aardmagnetisch veld, en vergelijking hiervan met het matte hedendaagse magnetisme van Mars, Cluster heeft opnieuw het belang bevestigd van onze magnetosfeer om ons te beschermen tegen de zonnewind.

Cluster heeft meer onthuld over de dynamiek binnen de magnetotail, het deel van de magnetosfeer dat zich 'achter' onze planeet uitstrekt, weg van de zon. De missie identificeerde dat het magnetische veld in dit gebied in amplitude oscilleert als gevolg van interne 'knikachtige' golven, en loste een al lang bestaand mysterie op door vast te stellen dat het fenomeen 'equatoriale ruis' (lawaaierige plasmagolven gevonden nabij het equatoriale vlak van het aardmagnetisch veld) wordt gegenereerd door protonen.

Door de ruimtelijke kenmerken van het buitenste gebied van de magnetosfeer te onderzoeken, Cluster heeft een dieper begrip gebracht van hoe zonnewinddeeltjes ons magnetische 'schild' kunnen binnendringen. De zonnewind is een stroom van geladen deeltjes die vanuit de zon de ruimte in stromen, bewegen met snelheden tot 2000 kilometer per uur. Cluster identificeerde kleine wervelingen van turbulentie die van invloed zijn op hoe energie (warmte) door deze wind wordt verdeeld, en ontdekte dat terwijl het ons beschermt tegen binnenkomende deeltjes, onze magnetosfeer is vrij poreus en zeefachtig, waardoor oververhitte zonnewinddeeltjes doorboren.

Door samen te werken met andere missies, Cluster heeft geholpen om de werking van 'theta'-aurora's op hoge breedtegraden en minder bekende 'zwarte aurora's' te onthullen, waardoor een gedetailleerd begrip mogelijk is van hoe verschillende regio's van ruimtedeeltjes deeltjes uitwisselen. De missie ontdekte ook de oorsprong van zogenaamde 'killer-elektronen', energetische deeltjes in de buitenste stralingsgordel van de aarde die grote schade kunnen aanrichten aan satellieten, door dit proces uit de eerste hand te observeren. Cluster ontdekte dat deze elektronen ontstonden toen zonnestormgerelateerde schokgolven de magnetische veldlijnen van de aarde comprimeren, waardoor deze lijnen trillen en elektronen versnellen tot hoog, en gevaarlijk, snelheden.

Cluster heeft de dynamiek onderzocht van een proces dat bekend staat als magnetische herverbinding, het verstrekken van de eerste in situ waarnemingen van brekende en hervormende magnetische veldlijnen - een bevinding die meerdere gelijktijdige waarnemingen vereiste, zoals alleen Cluster op dat moment kon bieden. Clustergegevens toonden ook aan dat energie op onverwachte manieren vrijkomt tijdens herverbindingsgebeurtenissen, het helpen van wetenschappers om een ​​vollediger begrip van plasmadynamica op te bouwen.

Ruimteweer en geomagnetische stormen, fenomenen gedreven door de relatie van de aarde met de zon, zijn een onderwerp van aandacht geweest voor Cluster. De missie heeft het aardmagnetisch veld op zowel lage als grote hoogte gemodelleerd, en identificeerde de complexe dynamiek die in de zonnewind zelf speelt, met als doel een beter geïnformeerde en nauwkeurigere 'ruimteweervoorspelling' mogelijk te maken. Eind vorig jaar, door het uitgebreide wetenschappelijke archief van Cluster te analyseren, wetenschappers waren ook in staat om het griezelige 'lied' uit te brengen dat door de aarde wordt uitgezonden wanneer deze wordt getroffen door een zonnestorm, gecreëerd door magnetische veldgolven.

Een schat aan gegevens

Gedurende de vele jaren van werking, Cluster heeft een ongekende opslagplaats van gegevens over de omgeving van de aarde verzameld. In feite, door te putten uit 18 jaar van deze gegevens, wetenschappers hebben onlangs ontdekt dat ijzer op grote schaal, en verrassend, verspreid over de omgeving van onze planeet, het aantonen van de blijvende kracht van Cluster bij het faciliteren van nieuwe wetenschappelijke ontdekkingen.

"Het hebben van zo'n lange basislijn aan gegevens heeft een aantal werkelijk baanbrekende bevindingen mogelijk gemaakt, " voegt Arnaud Masson toe, Plaatsvervangend projectwetenschapper voor de clustermissie bij ESA. "Door de dynamiek en eigenschappen van de magnetosfeer van de aarde gedurende twee decennia continu te volgen en vast te leggen, Cluster heeft nieuwe kansen gecreëerd voor wetenschappers om nieuwe of langetermijntrends op verschillende ruimtelijke en temporele schalen te spotten."

TROS, samen met andere ESA-ruimtevaartuigen, maakt ook de weg vrij voor toekomstige missies zoals de Europees-Chinese Solar wind-Magnetosphere-Ionosphere Link Explorer (SMILE), die gepland staat voor lancering in 2023. SMILE graaft dieper in de zon-aarde-verbinding, en zal voortbouwen op het opmerkelijke werk van Cluster om nog meer te onthullen over de complexe en intrigerende magnetische omgeving rond onze planeet.

"Sinds twee decennia, Cluster is een spannende en echt baanbrekende missie geweest, allerlei nieuwe informatie over het heelal om ons heen terugsturen, ", zegt Philippe. "Dankzij het unieke ontwerp, lange levensduur, en geavanceerde mogelijkheden, Cluster heeft een schat aan geheimen ontgrendeld over de omgeving rond de aarde. Cluster gaat nog steeds sterk, en zal ons blijven helpen bij het karakteriseren van de verschijnselen die we om ons heen zien - hopelijk! - de komende jaren."