Med hjälp av oöverträffad in-situ-data från ESA:s Cluster-uppdrag, forskare har belyst den ständigt föränderliga naturen hos jordens sköld mot kosmisk strålning, dess bågchock, avslöjar hur denna partikelaccelerator överför och omfördelar energi i hela rymden.

Den nya studien använde observationer från två av Cluster-uppdragets fyra rymdfarkoster, som flög i tät formation genom jordens bogchock, sitter bara 7 kilometer från varandra.

Uppgifterna samlades in den 24 januari 2015 på ett avstånd av 90, 000 kilometer från jorden, ungefär en fjärdedel av vägen till månen, och avslöjar egenskaper hos bågchocken som tidigare var oklara på grund av avsaknaden av sådana täta in-situ mätningar.

När ett överljudsflöde stöter på ett hinder, en chock bildas. Detta ses ofta i universum runt stjärnor, supernovarester, kometer, och planeter – inklusive våra egna. Chocker är kända för att vara mycket effektiva partikelacceleratorer, och potentiellt ansvarig för att skapa några av de mest energiska partiklarna i universum.

Chocken runt jorden, känd som bow shock, är vår första försvarslinje mot partiklar som strömmar inåt från kosmos, och vår närmaste testbädd för att studera dynamiken hos plasmachocker. Det finns på grund av den höga, överljudshastigheter för solvindspartiklar, som skapar ett fenomen som något liknar den stötvåg som bildas när ett plan bryter ljudhastighetsbarriären.

Den nya studien, publiceras idag i Vetenskapens framsteg , avslöjar mekanismerna som spelar när denna chock överför energi från en typ till en annan.

"Earth's bow shock är ett naturligt och idealiskt stötlaboratorium, säger huvudförfattaren Andrew Dimmock vid Svenska Institutet för rymdfysik i Uppsala, Sverige.

"Tack vare uppdrag som Cluster, vi kan placera flera rymdfarkoster inom och runt den, täcker skalor från hundratals till bara några kilometer.

"Detta betyder att vi kan plocka isär hur chocken förändras i rymden och över tiden, något som är avgörande för att karakterisera en chock av den här typen."

Det finns flera typer av chock, definieras av de sätt på vilka de överför kinetisk energi till andra typer av energi. I jordens atmosfär, kinetisk energi omvandlas till värme när partiklar kolliderar med varandra – men de stora avstånden som spelas vid vår planets bogchock gör att partikelkollisioner inte kan spela en sådan roll i energiöverföringen där, eftersom de helt enkelt är för långt ifrån varandra.

Denna typ av stöt är alltså känd som en kollisionsfri stöt. Sådana stötar kan förekomma över ett stort antal skalor, från millimeter upp till storleken på en galaxhop, och istället överföra energi via processer som involverar plasmavågor och elektriska och magnetiska fält.

"Utöver att vara kollisionsfri, Jordens bågchock kan också vara icke-stationär, ", tillägger medförfattaren Michael Balikhin från University of Sheffield, STORBRITANNIEN.

"På ett sätt, den beter sig som en våg i havet:när en våg närmar sig stranden, det verkar växa i storlek när djupet minskar, tills den går sönder – detta beror på att vågens topp rör sig snabbare än dalgången, vilket gör att den viker sig och går sönder.

"Den här typen av "brytning" inträffar för vågor av plasma, för, även om fysiken är något mer komplicerad."

För att i detalj undersöka de fysiska skalorna vid vilka denna vågbrytning initieras – något som tidigare var okänt – bad forskarna om en speciell kampanj där två av de fyra klustersonderna flyttades till en aldrig tidigare skådad avstånd på mindre än 7 km, samla in högupplöst data inifrån själva chocken.

Analysera data, teamet fann att mätningarna av magnetfältet som erhållits av de två rymdfarkosterna Cluster skilde sig markant. Detta direkta bevis på att småskaliga magnetiska fältstrukturer finns inom den bredare omfattningen av bågchocken indikerar att de är nyckeln till att underlätta brytningen av plasmavågor, och därmed överföringen av energi, i denna del av magnetosfären.

Med storlekar på några kilometer, liknande skalorna där elektroner roterar runt magnetfältslinjerna, dessa strukturer är belägna i en särskilt tunn och variabel del av stöten, där egenskaperna hos den ingående plasman och omgivande fält kan förändras mest drastiskt.

"Denna del av bogstöten är känd som stötrampen, och kan vara så tunn som några kilometer – ett fynd som också baserades på klusterdata för några år sedan, " säger medförfattaren Philippe Escoubet, som också är ESA-projektforskare för Cluster-uppdraget.

Lanserades 2000, Clusters fyra rymdfarkoster flyger i formation runt jorden, vilket gör det till det första rymduppdraget som kan studera, i tre dimensioner, de fysiska processer som sker inom och i närheten av jordens magnetiska miljö.

"Denna typ av studie visar verkligen vikten av Cluster som uppdrag, ", tillägger Escoubet. "Genom att uppnå otroligt små rymdfarkostseparationer – sju kilometer som används i denna studie och ännu mindre, ner till bara tre kilometer – Cluster tillåter oss att undersöka vår planets magnetiska miljö på den minsta skala som någonsin uppnåtts.

"Detta främjar vår förståelse av jordens bågchock och hur den fungerar som en gigantisk partikelaccelerator - något som är nyckeln till vår kunskap om högenergiuniversum."