Jordens norrsken bildas när laddade partiklar från magnetosfären träffar molekyler i atmosfären, energigivande eller till och med joniserande dem. När molekylerna slappnar av till grundtillståndet, de avger en foton av synligt ljus i en karakteristisk färg. Dessa kolliderande partiklar - till stor del elektroner - accelereras av lokala elektriska fält parallella med det lokala magnetfältet som uppstår i ett område som spänner över flera jordradier.

Bevis på dessa elektriska fält har getts genom sonande raket- och rymdfarkostuppdrag som går tillbaka till 1960-talet, men ingen definitiv bildningsmekanism har accepterats. För att korrekt skilja mellan ett antal hypoteser, forskare behöver en bättre förståelse för den rumsliga och tidsmässiga fördelningen och utvecklingen av dessa fält. När Europeiska rymdorganisationens (ESA) Cluster-uppdrag sänkte sin perigeum 2008, dessa observationer blev möjliga.

Klustret består av fyra identiska rymdfarkoster, flyga med separationer som kan variera från tiotals kilometer till tiotusentals. Samtidiga observationer mellan de fyra farkosterna gör det möjligt för rymdfysiker att härleda det elektriska fältets 3D-struktur.

Marklund och Lindqvist samlar in och sammanfattar bidragen från Cluster till vår förståelse av norrskensaccelerationsregionen (AAR), det område av rymden där de ovan beskrivna processerna äger rum.

Genom att samla ett stort antal klusterpassager genom denna region, fysiker har dragit slutsatsen att AAR i allmänhet kan hittas någonstans mellan 1 och 4,4 jordradier ovanför ytan, med huvuddelen av accelerationen som sker i den nedre tredjedelen. Trots denna relativt breda "statistiska AAR, "accelerationsområdet vid varje givet ögonblick är vanligtvis tunt; i en observation, till exempel, AAR var begränsad till ett höjdområde på 0,4 jordradie, medan det faktiska lagret troligen var mycket tunnare än så. Observationerna kan inte entydigt bestämma tjockleken på det faktiska lagret, som kan vara så liten som storleksordningen 1 kilometer, säger författarna. Sådana strukturer observeras förbli stabila i minuter åt gången.

Klustermätningar har också belyst sambandet mellan den observerade formen av elektronaccelerationspotentialen och den underliggande plasmamiljön. Så kallade S-formade potentialer uppstår i närvaro av skarpa plasmadensitetsövergångar, medan U-formade är relaterade till mer diffusa gränser. Dock, rymdplasmans dynamiska natur innebär att en gränss morfologi kan skifta på tidsskalor av minuter, som exemplifieras av en fallstudie.

Kortfattat, 2 decennier av klusterobservationer har avsevärt förbättrat vår förståelse av processerna – både lokala och breda – som resulterar i vår planets vackra norrsken. Med uppdragen förlängda till 2022, vi kan förvänta oss mer insikt under de kommande åren.

Den här historien är återpublicerad med tillstånd av Eos, värd av American Geophysical Union. Läs originalberättelsen här.