私たち地球には、地球の磁気圏によって保護されている実行可能な大気があるという幸運があります。この保護膜がなければ、表面の生命は太陽から発せられる有害な放射線によって衝撃を受けます。しかし、地球の上層大気はまだゆっくりと漏れており、1日あたり約90トンの物質が上層大気から放出され、宇宙に流れ込みます。
そして、天文学者たちはこの漏洩をしばらく調査してきましたが、未だ多くの未解決の問題があります。たとえば、宇宙に失われている物質の量、種類、そしてこれが太陽風とどのように相互作用して私たちの磁気環境に影響を与えるのでしょうか？これが、過去15年間地球の磁気環境を測定してきた一連の4つの同一の宇宙船である、欧州宇宙機関のクラスタープロジェクトの目的です。
大気と太陽風との相互作用を理解するには、まず地球の磁場の仕組みを理解する必要があります。まず第一に、それは私たちの惑星の内部から伸びており（そしてコアのダイナモ効果の結果であると考えられています）、宇宙へとずっと達しています。私たちの磁場が影響を与えるこの空間の領域は、磁気圏として知られています。
この磁気圏の内側の部分はプラズマ圏と呼ばれ、地球から約20,000 kmの距離まで伸び、それと一緒に回転するドーナツ型の領域です。磁気圏には、内部に閉じ込められた荷電粒子とイオンが溢れ、領域の磁力線に沿って前後に跳ね返されます。
太陽に面した前縁で、磁気圏は太陽風、つまり太陽から宇宙に流れる荷電粒子の流れに出会います。彼らが接触する場所は「ボーショック」と呼ばれています。これは、その磁力線が太陽の風が私たちの上や周りを通過するときに弓の形をとるように強制するため、この名前が付けられています。
太陽風が地球の磁気圏を通過すると、再び惑星の背後に集まり、マグネトテイル（プラズマの閉じ込められたシートと相互作用する磁力線を含む細長い管）が形成されます。この保護膜がなければ、地球の大気は数十億年前にゆっくりと取り除かれていました。現在、運命は火星に落ちたと信じられています。
とはいえ、地球の磁場は完全に密閉されているわけではありません。たとえば、私たちの惑星の極では、磁力線が開いているので、太陽粒子が入り、磁気粒子をエネルギー粒子で満たすことができます。このプロセスは、オーロラとオーロラ（別名、オーロラとサザンライト）の原因です。
同時に、地球の上層大気（電離層）からの粒子も同じように脱出して、極を上って移動し、宇宙に失われます。地球の磁場について、そしてさまざまな粒子との相互作用によってプラズマがどのように形成されるかについて多くを学んだにもかかわらず、プロセス全体については、ごく最近まで不明でした。
Arnaud Massonとして、ESAのクラスターミッション担当副プロジェクトサイエンティストは、ESAプレスリリースで次のように述べています。
“プラズマ輸送と大気損失の問題は、惑星と星の両方に関連しており、非常に魅力的で重要なトピックです。大気物質がどのように脱出するかを理解することは、生命が惑星上でどのように発達するかを理解するために重要です. 地球の磁気圏における流入と流出の物質間の相互作用は、現時点でホットな話題です。これはどこから来たのですか？それはどのように私たちの宇宙のパッチに入ったのですか？“
私たちの大気には5兆トンの物質（5 x 1015、つまり5,000,000億トン）、1日あたり90トンの損失はそれほど多くありません。ただし、この数には、定期的に追加される「コールドイオン」の質量は含まれません。通常、この用語は、現在わかっている水素イオンが（酸素およびヘリウムイオンとともに）定期的に磁気圏に失われていることを表すために使用されます。
水素は私たちの大気圏を脱出するのに必要なエネルギーが少ないため、この水素がプラズマ圏の一部になると生成されるイオンも低エネルギーになります。その結果、これまでは検出が非常に困難でした。さらに、科学者は数十年の間、地球の極域から来て磁気圏のプラズマを補充するこの酸素、水素、ヘリウムイオンの流れについてしか知りませんでした。
これ以前は、科学者たちは太陽粒子だけが地球の磁気圏のプラズマの原因であると信じていました。しかし、近年、他の2つの原因がプラズマ圏に寄与していることを理解するようになりました。 1つ目は、プラズマ圏内で成長し、磁気圏の端に向かって外向きに移動する散発的なプラズマの「プルーム」で、反対方向に来る太陽風プラズマと相互作用します。
他のソース？前述の大気漏れ。これは豊富な酸素、ヘリウム、水素イオンで構成されていますが、冷たい水素イオンが最も重要な役割を果たすようです。それらは宇宙に失われるかなりの量の物質を構成するだけでなく、私たちの磁気環境を形作る上で重要な役割を果たすかもしれません。さらに、現在地球を周回している衛星のほとんどは、混合に追加されている冷たいイオンを検出できません。これは、クラスターが実行できることです。
2009年と2013年に、クラスタープローブはその強さだけでなく、地球の磁気圏に追加されている他のプラズマ源の強さを特徴付けることができました。冷たいイオンだけを考えると、空間から失われる大気の量は年間数千トンにもなります。つまり、靴下を失うようなものです。大したことではありませんが、彼らがどこに行くのか知りたいのですよね？
これは、クラスターミッションのもう1つの重点分野であり、過去10年半の間、これらのイオンがどのように失われるのか、どこから来ているのかなどを調査しようと試みてきました。 ESAのクラスターミッションのプロジェクトサイエンティストであるフィリップエスクーブは、次のように述べています。
“本質的に、低温プラズマが磁気圏界面でどのように終わるかを理解する必要があります. これにはいくつかの異なる側面があります。そこへの輸送に関係するプロセス、これらのプロセスが動的な太陽風と磁気圏の条件にどのように依存するか、そしてプラズマが最初にどこから来ているのかを知る必要があります-それは電離層、プラズマ圏、またはどこか別の場所？“
これを理解する理由は明らかです。通常は太陽フレアの形をした高エネルギー粒子は、宇宙ベースのテクノロジーに脅威をもたらす可能性があります。さらに、私たちの大気が太陽風とどのように相互作用するかを理解することは、宇宙探査全般に関しても役立ちます。太陽系で私たち自身の惑星を超えて生命を見つけるための私たちの現在の努力を考えてみましょう。近くの惑星への数十年の使命が私たちに教えてくれたことの1つがあるとしたら、それは居住性を決定する上で惑星の大気と磁気環境が重要であることです。
地球のすぐ近くに、この例が2つあります。火星は、大気が薄く、寒すぎます。金星は大気が濃すぎて暑すぎます。外側の太陽系では、主に異常な大気のために、土星の月タイタンが私たちを魅了し続けています。地球に加えて窒素に富んだ大気を持つ唯一の体として、水ではなく石油化学製品であるにもかかわらず、地表と大気の間で液体の移動が起こる唯一の既知の惑星でもあります。
さらに、NASAのJunoミッションは、今後2年間を費やして木星自身の磁場と大気を探査します。この情報は、太陽系の最大の惑星について多くのことを教えてくれますが、太陽系の歴史的な惑星形成に光を当てることも期待されています。
過去15年間、クラスターは天文学者に地球の大気が太陽風とどのように相互作用するかについて多くのことを伝えることができ、私たちが理解し始めたばかりの磁場現象を調査するのに役立ちました。そして、学ぶべきことはまだまだたくさんありますが、科学者たちは、これまで明らかにされていなかったことは、クラスターのようなミッションなしでは不可能であったことに同意します。
