Kita di Bumi ini beruntung bahwa kita memiliki atmosfer yang layak, atmosfer yang dilindungi oleh magnetosfer Bumi. Tanpa selubung pelindung ini, kehidupan di permukaan akan dibombardir oleh radiasi berbahaya yang berasal dari Matahari. Namun, atmosfer bagian atas Bumi masih perlahan bocor, dengan sekitar 90 ton material sehari lepas dari atmosfer atas dan mengalir ke luar angkasa.
Dan meskipun para astronom telah menyelidiki kebocoran ini selama beberapa waktu, masih ada banyak pertanyaan yang belum terjawab. Misalnya, berapa banyak material yang hilang ke ruang angkasa, jenis apa, dan bagaimana ini berinteraksi dengan angin matahari untuk mempengaruhi lingkungan magnetik kita? Itulah yang menjadi tujuan proyek Cluster Badan Antariksa Eropa, serangkaian empat pesawat ruang angkasa identik yang telah mengukur lingkungan magnetik Bumi selama 15 tahun terakhir.
Memahami interaksi atmosfer kita dengan angin matahari terlebih dahulu mengharuskan kita memahami cara kerja medan magnet Bumi. Sebagai permulaan, ia meluas dari bagian dalam planet kita (dan diyakini sebagai hasil dari efek dinamo di inti), dan menjangkau semua jalan keluar ke ruang angkasa. Wilayah ruang ini, yang diberikan medan magnet kita, dikenal sebagai magnetosfer.
Bagian dalam magnetosfer ini disebut plasmasphere, wilayah berbentuk donat yang memanjang hingga jarak sekitar 20.000 km dari Bumi dan berputar bersama dengannya. Magnetosfer juga dibanjiri dengan partikel dan ion bermuatan yang terperangkap di dalam, dan kemudian dikirim memantul ke sana kemari di sepanjang garis medan wilayah tersebut.
Di bagian depan, tepi yang menghadap Matahari, magnetosfer bertemu dengan angin matahari - aliran partikel bermuatan yang mengalir dari Matahari ke luar angkasa. Tempat di mana mereka melakukan kontak dikenal sebagai "Bow Shock", yang dinamakan demikian karena garis-garis medan magnetnya memaksa angin matahari untuk mengambil bentuk busur ketika mereka melewati dan di sekitar kita.
Ketika angin matahari melewati magnetosfer Bumi, ia bergabung lagi di belakang planet kita untuk membentuk magnetot - tabung memanjang yang berisi lembaran plasma yang terperangkap dan garis-garis medan yang saling berinteraksi. Tanpa selubung pelindung ini, atmosfer Bumi akan perlahan-lahan dilucuti miliaran tahun lalu, nasib yang sekarang diyakini telah menimpa Mars.
Yang sedang berkata, medan magnet Bumi tidak benar-benar tertutup rapat. Misalnya, di kutub planet kita, garis-garis medan terbuka, yang memungkinkan partikel matahari untuk masuk dan mengisi magnetosfer kita dengan partikel energetik. Proses ini adalah apa yang bertanggung jawab untuk Aurora Borealis dan Aurora Australis (alias. Lampu Utara dan Selatan).
Pada saat yang sama, partikel-partikel dari atmosfer bagian atas Bumi (ionosfer) dapat melarikan diri dengan cara yang sama, melakukan perjalanan melalui kutub dan hilang ke ruang angkasa. Meskipun belajar banyak tentang medan magnet Bumi dan bagaimana plasma terbentuk melalui interaksinya dengan berbagai partikel, banyak tentang keseluruhan prosesnya belum jelas hingga baru-baru ini.
Seperti Arnaud Masson, Wakil Wakil Proyek ESA untuk misi Cluster yang dinyatakan dalam siaran pers ESA:
“Pertanyaan tentang transportasi plasma dan kehilangan atmosfer relevan untuk planet dan bintang, dan merupakan topik yang sangat menarik dan penting. Memahami bagaimana materi atmosfer lolos sangat penting untuk memahami bagaimana kehidupan dapat berkembang di planet. Interaksi antara materi yang masuk dan keluar di magnetosfer Bumi adalah topik hangat saat ini; dari mana sebenarnya barang-barang ini berasal? Bagaimana cara memasuki ruang ruang kita?“
Mengingat bahwa atmosfer kita mengandung 5 kuadriliun ton materi (yaitu 5 x 1015, atau 5.000.000 miliar ton), kehilangan 90 ton sehari tidak berarti banyak. Namun, jumlah ini tidak termasuk massa "ion dingin" yang ditambahkan secara teratur. Istilah ini biasanya digunakan untuk menggambarkan ion hidrogen yang sekarang kita tahu hilang ke magnetosfer secara teratur (bersama dengan oksigen dan ion helium).
Karena hidrogen membutuhkan lebih sedikit energi untuk keluar dari atmosfer kita, ion-ion yang dibuat begitu hidrogen ini menjadi bagian dari plasma juga memiliki energi yang rendah. Akibatnya, mereka sangat sulit dideteksi di masa lalu. Terlebih lagi, para ilmuwan hanya tahu tentang aliran oksigen, hidrogen, dan ion helium ini - yang berasal dari daerah kutub bumi dan mengisi kembali plasma di magnetosfer - selama beberapa dekade.
Sebelum ini, para ilmuwan percaya bahwa partikel matahari saja yang bertanggung jawab untuk plasma di magnetosfer Bumi. Tetapi dalam beberapa tahun terakhir, mereka telah memahami bahwa dua sumber lain berkontribusi pada plasma. Yang pertama adalah "bulu-bulu" plasma yang tumbuh secara sporadis di dalam plasma dan bergerak keluar menuju tepi magnetosfer, di mana mereka berinteraksi dengan plasma angin matahari yang datang dengan cara lain.
Sumber lainnya? Kebocoran atmosfer yang disebutkan di atas. Sementara ini terdiri dari oksigen yang berlimpah, ion helium dan hidrogen, ion hidrogen dingin tampaknya memainkan peran paling penting. Mereka tidak hanya merupakan sejumlah besar materi yang hilang ke ruang angkasa, dan dapat memainkan peran kunci dalam membentuk lingkungan magnetik kita. Terlebih lagi, sebagian besar satelit yang mengorbit bumi saat ini tidak dapat mendeteksi ion dingin yang ditambahkan ke dalam campuran, sesuatu yang dapat dilakukan Cluster.
Pada 2009 dan 2013, probe Cluster mampu mengkarakterisasi kekuatan mereka, serta sumber plasma lainnya yang ditambahkan ke magnetosfer Bumi. Ketika hanya ion dingin yang dipertimbangkan, jumlah atmosfer yang hilang atau ruang berjumlah beberapa ribu ton per tahun. Singkatnya, ini seperti kehilangan kaus kaki. Bukan masalah besar, tetapi Anda ingin tahu ke mana mereka pergi, bukan?
Ini telah menjadi area fokus lain untuk misi Cluster, yang selama satu setengah dekade terakhir telah mencoba untuk mengeksplorasi bagaimana ion-ion ini hilang, dari mana mereka berasal, dan sejenisnya. Seperti Philippe Escoubet, Project Scientist untuk Cluster mission ESA, menuliskannya:
“Intinya, kita perlu mencari tahu bagaimana plasma dingin berakhir pada magnetopause. Ada beberapa aspek berbeda dalam hal ini; kita perlu mengetahui proses yang terlibat dalam mengangkutnya di sana, bagaimana proses ini tergantung pada angin matahari yang dinamis dan kondisi magnetosfer, dan di mana plasma berasal dari tempat pertama - apakah itu berasal dari ionosfer, plasmasphere, atau di tempat lain?“
Alasan untuk memahami ini jelas. Partikel berenergi tinggi, biasanya dalam bentuk semburan matahari, dapat menimbulkan ancaman bagi teknologi berbasis ruang. Selain itu, memahami bagaimana atmosfer kita berinteraksi dengan angin matahari juga berguna dalam eksplorasi ruang angkasa secara umum. Pertimbangkan upaya kita saat ini untuk menemukan kehidupan di luar planet kita sendiri di Tata Surya. Jika ada satu hal yang diajarkan misi selama beberapa dekade ke planet-planet terdekat, adalah bahwa atmosfer dan lingkungan magnet planet sangat penting dalam menentukan kelayakhunian.
Dalam jarak yang dekat dengan Bumi, ada dua contohnya: Mars, yang memiliki atmosfer tipis dan terlalu dingin; dan Venus, yang suasananya terlalu padat dan terlalu panas. Di Tata Surya bagian luar, bulan Saturnus Titan terus menggelitik kita, terutama karena atmosfer yang tidak biasa. Sebagai satu-satunya benda dengan atmosfer kaya nitrogen selain Bumi, ia juga satu-satunya planet di mana perpindahan cairan terjadi antara permukaan dan atmosfer - meskipun dengan petrokimia alih-alih air.
Selain itu, misi Juno NASA akan menghabiskan dua tahun ke depan menjelajahi medan magnet dan atmosfer Jupiter sendiri. Informasi ini akan memberi tahu kita banyak tentang planet terbesar Tata Surya, tetapi ia juga diharapkan memberi sedikit penerangan tentang pembentukan planet sejarah dalam Tata Surya.
Dalam lima belas tahun terakhir, Cluster telah mampu memberi tahu banyak astronom tentang bagaimana atmosfer Bumi berinteraksi dengan angin matahari, dan telah membantu menjelajahi fenomena medan magnet yang baru mulai kita pahami. Dan sementara ada banyak lagi yang harus dipelajari, para ilmuwan sepakat bahwa apa yang telah terungkap sejauh ini tidak mungkin tanpa misi seperti Cluster.
