Nonostante una durata nominale di due anni, Il Cluster dell'ESA sta ora entrando nel suo terzo decennio nello spazio. Questa missione unica di quattro veicoli spaziali ha rivelato i segreti dell'ambiente magnetico terrestre dal 2000 e, con 20 anni di osservazioni alle spalle, sta ancora consentendo nuove scoperte mentre esplora la relazione del nostro pianeta con il Sole.

Essendo l'unico pianeta noto per ospitare la vita, La Terra occupa un posto davvero unico nel Sistema Solare. La missione Cluster, lanciato nell'estate del 2000, è stato progettato e costruito per studiare forse l'unica cosa principale che rende la Terra un mondo abitabile unico in cui la vita può prosperare. Questa cosa che abilita la vita è la potente magnetosfera della Terra, che protegge il pianeta dal bombardamento di particelle cosmiche ma interagisce anche con esse, creando fenomeni spettacolari, come le luci polari.

magnetosfera terrestre, una regione a forma di lacrima che inizia intorno ai 65 anni, 000 chilometri di distanza dal pianeta sul lato diurno e si estende fino a 6, 300, 000 chilometri sul lato notturno, è il risultato dell'interazione tra il campo magnetico del pianeta, generato dai movimenti del suo nucleo di metallo fuso, e il vento solare. Cluster è la prima missione ad aver studiato, modellato e mappato tridimensionalmente questa regione e i processi al suo interno in dettaglio. Facendo così, ha contribuito a far progredire la nostra comprensione dei fenomeni meteorologici spaziali, che nascono dall'interazione tra la magnetosfera e le particelle energetiche che formano il vento solare. Questi fenomeni possono danneggiare non solo gli organismi viventi, ma anche apparecchiature elettroniche, sia a terra che in orbita.

Rumba, Salsa, Samba e Tango

La missione Cluster comprende quattro veicoli spaziali che volano in una formazione piramidale su un'orbita polare ellittica. Le quattro navicelle spaziali, chiamato Rumba, Salsa, Samba e Tango, ciascuno trasporta lo stesso carico utile di 11 strumenti avanzati, sono stati spediti in orbita con due lanci di razzi il 16 luglio e il 9 agosto 2000.

Nonostante la missione sia diventata un enorme successo, aver consentito numerose scoperte scientifiche, i primi giorni non sono trascorsi senza intoppi. Una sottoperformance del primo stadio del lanciatore Soyuz ha lasciato Rumba e Tango in un'orbita errata, costringendoli a fare affidamento sulla propria propulsione, così come lo stadio superiore Fregat di Soyuz, per arrivare alla posizione giusta per unire Salsa e Samba. L'incidente seguì il fallito lancio del quartetto Cluster I originale nel 1996.

"L'ESA era un po' preoccupata 20 anni fa, durante il lancio della seconda coppia di veicoli spaziali, " ammette Philippe Escoubet, Cluster Project Scientist all'ESA "Da allora, la missione ha fatto enormi progressi, ed è tutt'altro che finito."

Negli ultimi due decenni, Le osservazioni dei cluster hanno scoperto dettagli sui processi nella magnetosfera, rivelato come l'atmosfera sostiene la vita, e ha fornito informazioni essenziali sulla meteorologia spaziale necessarie per consentire comunicazioni satellitari sicure e viaggi spaziali o aerei.

Un'architettura unica

La chiave della potenza della missione non è solo la sua configurazione a quattro veicoli spaziali, ma anche il fatto che gli operatori possono regolare la distanza tra i quattro satelliti da 3 a 60, 000 chilometri a seconda dell'obiettivo scientifico.

"Questo design multi-astronave è la chiave del successo di Cluster, " spiega Philippe. "Utilizzando quattro veicoli spaziali invece di uno, Cluster è in grado di misurare in modo univoco più aree dello spazio e ottenere più prospettive su un particolare evento o attività, come una tempesta solare, simultaneamente."

Quando più vicini, il veicolo spaziale Cluster può scavare nelle strutture magnetiche più fini nello spazio vicino alla Terra; quando più separati, possono ottenere una visione più ampia dell'attività su scala più ampia. Attraverso la sua orbita, L'ammasso vola sia all'interno che all'esterno della magnetosfera terrestre, permettendogli di investigare i fenomeni su entrambi i lati dello scudo magnetico del nostro pianeta.

Potenza polare

Mentre la maggior parte delle missioni che esplorano i fenomeni magnetici della Terra si concentrano sull'equatore, dove scorrono molte correnti elettriche, il quartetto Cluster gira intorno alla Terra in un'orbita polare, che gli permette di passare periodicamente al di sopra di entrambi i poli terrestri. Le regioni polari sono magneticamente estremamente dinamiche. Il vento solare in quest'area può penetrare più in profondità nell'alta atmosfera terrestre attraverso le cuspidi polari, aperture a imbuto nella magnetosfera sopra i poli, dando origine alle spettacolari aurore.

La capacità di Cluster di osservare latitudini più elevate rispetto ad altre missioni ha reso la missione un attore chiave nella formazione di una mappa magnetosferica globale.

Un elemento di questo era la mappatura accurata della posizione e dell'estensione del cosiddetto plasma freddo (particelle cariche che si muovono lentamente) attorno alla Terra in tre dimensioni. Tale plasma, che Cluster ha trovato, sorprendentemente, dominano il volume della magnetosfera fino al 70% delle volte, si pensa che svolga un ruolo chiave nel modo in cui il tempo tempestoso dello spazio colpisce il nostro pianeta. Cluster ha anche studiato come funzionano le parti interne della magnetosfera terrestre per ricostituire altre parti con plasma fresco, osservando non solo sporadici pennacchi che spingono il plasma verso l'esterno, ma anche una continua fuga atmosferica di quasi 90mila chilogrammi di materiale al giorno

20 anni di scoperte

Attraverso la sua mappatura del campo magnetico terrestre, e confronto di questo con il magnetismo odierno poco brillante di Marte, Cluster ha riaffermato l'importanza della nostra magnetosfera nel proteggerci dal vento solare.

Cluster ha rivelato di più sulla dinamica all'interno della magnetotail, la parte della magnetosfera che si estende 'dietro' il nostro pianeta lontano dal Sole. La missione ha identificato che il campo magnetico in questa regione oscilla in ampiezza a causa di onde interne "tipo nodose", e ha risolto un mistero di vecchia data determinando che il fenomeno del "rumore equatoriale" (onde di plasma rumorose trovate vicino al piano equatoriale del campo magnetico terrestre) è generato dai protoni.

Indagando le caratteristiche spaziali della regione esterna della magnetosfera, Cluster ha portato a una comprensione più profonda di come le particelle del vento solare possono penetrare nel nostro "scudo" magnetico. Il vento solare è un flusso di particelle cariche che si riversano nello spazio dal Sole, muovendosi a velocità fino a 2000 chilometri all'ora. Cluster ha identificato minuscoli turbinii di turbolenza che influenzano il modo in cui l'energia (calore) è distribuita attraverso questo vento, e scoprì che, mentre ci protegge dalle particelle in arrivo, la nostra magnetosfera è abbastanza porosa e simile a un setaccio, permettendo alle particelle del vento solare surriscaldato di perforare.

Collaborando con altre missioni, Cluster ha contribuito a rivelare il funzionamento delle aurore "theta" ad alta latitudine e delle "aurore nere" meno familiari, consentendo una comprensione dettagliata di come le diverse regioni dello spazio si scambiano particelle. La missione ha anche scoperto l'origine dei cosiddetti "elettroni killer", particelle energetiche nella cintura esterna di radiazioni della Terra che possono causare il caos per i satelliti, osservando questo processo in prima persona. Cluster ha scoperto che questi elettroni si formano quando le onde d'urto legate alla tempesta solare comprimono le linee del campo magnetico terrestre, risultando in queste linee che vibrano e accelerano gli elettroni a livelli elevati, e pericoloso, velocità.

Cluster ha studiato la dinamica di un processo noto come riconnessione magnetica, fornendo le prime osservazioni in situ della rottura e riformazione delle linee del campo magnetico, una scoperta che ha richiesto più osservazioni simultanee, come solo Cluster poteva fornire all'epoca. I dati del cluster hanno anche mostrato che l'energia viene rilasciata in modi imprevisti durante gli eventi di riconnessione, aiutando gli scienziati a sviluppare una comprensione più completa della dinamica del plasma.

Meteo spaziale e tempeste geomagnetiche, fenomeni guidati dal rapporto della Terra con il Sole, sono stati un tema di attenzione per Cluster. La missione ha modellato il campo magnetico terrestre sia a bassa che ad alta quota, e identificato le complesse dinamiche in gioco nel vento solare stesso, con l'obiettivo di consentire "previsioni meteorologiche spaziali" più informate e accurate. Alla fine dell'anno scorso, analizzando l'ampio archivio scientifico di Cluster, gli scienziati sono stati anche in grado di rilasciare l'inquietante "canzone" emessa dalla Terra quando viene colpita da una tempesta solare, creato dalle onde del campo magnetico.

Un tesoro di dati

Durante i suoi molti anni di attività, Cluster ha accumulato un archivio di dati senza precedenti sull'ambiente terrestre. Infatti, attingendo a 18 anni di questi dati, gli scienziati hanno recentemente scoperto che il ferro è ampiamente, e sorprendentemente, distribuiti nelle vicinanze del nostro pianeta, dimostrando il potere duraturo di Cluster nel facilitare nuove scoperte scientifiche.

"Avere una base di dati così lunga ha consentito una serie di risultati davvero innovativi, "aggiunge Arnaud Masson, Vice Project Scientist per la missione Cluster presso l'ESA. "Monitorando e registrando continuamente le dinamiche e le proprietà della magnetosfera terrestre nell'arco di due decenni, Cluster ha creato nuove opportunità per gli scienziati di individuare tendenze nuove o a lungo termine su diverse scale spaziali e temporali".

Grappolo, insieme ad altri veicoli spaziali dell'ESA, sta anche aprendo la strada a future missioni come la European-Chinese Solar wind-Magnetosphere-Ionosphere Link Explorer (SMILE), il cui lancio è previsto per il 2023. SMILE approfondirà la connessione Sole-Terra, e si baserà sul notevole lavoro di Cluster per rivelare ancora di più sul complesso e intrigante ambiente magnetico che circonda il nostro pianeta.

"Da due decenni ormai, Cluster è stata una missione entusiasmante e davvero all'avanguardia, inviando ogni sorta di nuove informazioni sull'Universo che ci circonda, " dice Philippe. "Grazie al suo design unico, lunga vita, e capacità avanzate, Cluster ha svelato moltissimi segreti sull'ambiente intorno alla Terra. Cluster sta ancora andando forte, e continuerà ad aiutarci a caratterizzare i fenomeni che vediamo intorno a noi per - si spera! - anni a venire."