Terwijl de aarde met supersonische snelheid om de zon draait, het snijdt een pad door de zonnewind. Deze snelle stroom van geladen deeltjes, of plasma, gelanceerd vanaf de buitenste lagen van de zon zou de atmosfeer van de aarde bombarderen, zo niet voor de bescherming van het magnetische veld van de aarde.

Net zoals een motorboot een boogvormige golf voor zich uit creëert terwijl de romp door het water duwt, De aarde creëert een soortgelijk effect - een boogschok genoemd - terwijl het door de zonnewind duwt. Wetenschappers hebben geprobeerd uit te leggen hoe het magnetische veld van de aarde de krachtige zonnewind opzij kan schuiven zonder rampspoed te veroorzaken. Een deel van het antwoord kennen ze al lang:de boegschok zet energie van de zonnewind om in warmte die is opgeslagen in elektronen en ionen. Maar nu, onderzoekers hebben belangrijke nieuwe aanwijzingen over hoe dit proces plaatsvindt.

Een door de Universiteit van Maryland geleide studie beschrijft de eerste waarnemingen van het proces van elektronenverwarming in de boogschok van de aarde. De onderzoekers ontdekten dat wanneer de elektronen in de zonnewind de boegschok tegenkomen, ze versnellen tijdelijk tot zo'n hoge snelheid dat de elektronenstroom onstabiel wordt en afbreekt. Dit afbraakproces berooft de elektronen van hun hoge snelheid en zet de energie om in warmte.

De resultaten voegen een belangrijke nieuwe dimensie toe aan het begrip van wetenschappers van het magnetische veld van de aarde en het vermogen om de planeet te beschermen tegen schadelijke deeltjes en straling. Het onderzoeksartikel is gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven op 31 mei, 2018.

"Als je op een bergtop zou staan, je zou kunnen worden omvergeworpen door een snelle wind, " legde Li-Jen Chen uit, hoofdauteur van de studie en een associate research scientist bij het UMD Department of Astronomy. "Gelukkig, terwijl de zonnewind in het magnetische veld van de aarde botst, de boegschok beschermt ons door deze wind te vertragen en te veranderen in een mooie, warme bries. We hebben nu een beter idee hoe dit komt."

De wetenschappers verkregen hun gegevens van NASA's Magnetospheric Multiscale (MMS) -missie. De MMS-missie bestaat uit vier identieke satellieten die instrumenten dragen om de fysica van het aardmagnetisch veld te bestuderen terwijl het in wisselwerking staat met de zonnewind. De satellieten verkregen elke 30 milliseconden driedimensionale metingen, resulterend in honderden metingen binnen de boegschoklaag. Deze hoogfrequente, nauwkeurige metingen van de MMS-missie waren van cruciaal belang voor het onderzoek.

"Door de extreem snelle metingen van MMS konden we eindelijk het elektronenverwarmingsproces in de dunne schoklaag zien, " zei Thomas Moore, een senior projectwetenschapper bij NASA's Goddard Space Flight Center en een co-auteur van de studie. "Dit is baanbrekend omdat we nu de mogelijkheid hebben om het mechanisme aan het werk te identificeren, in plaats van alleen de gevolgen ervan te observeren."

Wetenschappers weten al enige tijd dat de boegschok op de een of andere manier in staat is om de energie in elektronen om te zetten in warmte zonder directe botsingen tussen de elektronen. Dit betekent dat wrijving - een gebruikelijke manier om hier op aarde warmte te genereren - niet verantwoordelijk is voor elektronenverwarming in de boegschok.

"De nieuwe waarnemingen van elektronenversnelling bij de boegschok herschrijven het huidige begrip van elektronenverwarming, " zei Chen, die ook onderzoekswetenschapper is bij het Goddard Space Flight Center van NASA. "Bijvoorbeeld, onderzoekers hadden niet verwacht dat de boegschok de elektronenstroom van de zonnewind zou kunnen versnellen tot de snelheden die we hebben waargenomen."

In een eerdere fase van de MMS-missie, de satellieten cirkelden doorgaans veel dichter bij de aarde, dus ze misten meestal de boegschok. Echter, een onverwachte uitbarsting van zonnewind duwde de boegschok dichter bij de aarde, waardoor de satellieten zeldzame en informatieve gegevens kunnen vastleggen.

Van dit voordeel gebruik makend, de onderzoekers observeerden eerder de elektronenstroom van de zonnewind, tijdens en na de ontmoeting met de boegschok. De door de schok versnelde elektronenstroom had slechts 90 milliseconden nodig om te destabiliseren en volledig af te breken.

"De studie van elektronenverwarming is niet alleen belangrijk om te begrijpen hoe de boogschok de aarde beschermt, maar mogelijk voor satellieten, ruimtereizen en misschien in de toekomst andere planeten verkennen, ' zei Chen.

Door het eerste duidelijke beeld te geven van wat elektronen bij de boegschok aan het doen zijn, Chen en haar medewerkers hopen andere wetenschappers aan te moedigen om computersimulaties uit te voeren, verdere ruimtewaarnemingen en laboratoriumexperimenten op elektronenverwarming. Chen kijkt er ook naar uit om verder te graven in de mechanismen waarmee de boegschok de elektronenstroom versnelt.

"Typisch, wetenschappers hebben simulaties of theorieën om te voorspellen wat er gebeurt en dan ontwerpen ze experimenten om het te meten, Chen zei. "Deze keer is het het tegenovergestelde:de meting kwam eerst. De simulatie en theorie zullen een inhaalslag moeten maken."