Data från ESA:s Cluster-uppdrag har gett en inspelning av den kusliga "låt" som jorden sjunger när den träffas av en solstorm.

Låten kommer från vågor som genereras i jordens magnetfält av stormens kollision. Stormen i sig är utbrottet av elektriskt laddade partiklar från solens atmosfär.

Ett team ledd av Lucile Turc, en tidigare ESA-forskare som nu är baserad vid Helsingfors universitet, Finland, gjorde upptäckten efter att ha analyserat data från Cluster Science Archive. Arkivet ger tillgång till all data som erhållits under Clusters pågående uppdrag under nästan två decennier.

Cluster består av fyra rymdfarkoster som kretsar runt jorden i formation, undersöker vår planets magnetiska miljö och dess interaktion med solvinden – ett konstant flöde av partiklar som släpps ut av solen till solsystemet.

Som en del av deras banor, rymdfarkosten Cluster flyger upprepade gånger genom förchocken, vilket är det första området som partiklar möter när en solstorm träffar vår planet. Teamet fann att i den tidiga delen av uppdraget, från 2001 till 2005, rymdfarkosten flög genom sex sådana kollisioner, registrera de vågor som genererades.

Den nya analysen visar att under kollisionen, förchocken drivs till att frigöra magnetiska vågor som är mycket mer komplexa än man först trodde.

"Vår studie avslöjar att solstormar djupt förändrar förchocksregionen, säger Lucile.

När frekvenserna för dessa magnetiska vågor omvandlas till hörbara signaler, de ger upphov till en kuslig låt som kanske minns mer om ljudeffekterna av en science fiction-film än ett naturfenomen.

I lugna stunder, när ingen solstorm slår mot jorden, låten är lägre i tonhöjd och mindre komplex, med en enda frekvens som dominerar svängningen. När en solstorm slår till, vågens frekvens är ungefär fördubblad, med den exakta frekvensen av de resulterande vågorna är beroende av styrkan på magnetfältet i stormen.

"Det är som att stormen ändrar inställningen av förchocken, " förklarar Lucile.

Och det stannar inte där eftersom inte bara vågens frekvens ändras utan den blir också mycket mer komplicerad än den enstaka frekvensen som finns i tysta tider. När stormen väl träffar förchocken, vågen bryter in i ett komplext nätverk av olika, högre frekvenser.

Datorsimuleringar av förchocken, utförs med en modell som heter Vlasiator, som utvecklas vid Helsingfors universitet, demonstrera det invecklade vågmönster som uppträder under solstormar.

Förändringarna i förchocken har makten att påverka hur solstormen fortplantas ner till jordens yta. Även om det fortfarande är en öppen fråga exakt hur denna process fungerar, det är tydligt att energin som genereras av vågor i förchocken inte kan fly tillbaka ut i rymden, när vågorna skjuts mot jorden av den inkommande solstormen.

Innan de når vår atmosfär, dock, vågorna möter en annan barriär, bågchocken, vilket är det magnetiska området i rymden som bromsar solvindspartiklarna innan de kolliderar med jordens magnetfält. Kollisionen av de magnetiska vågorna ändrar beteendet hos bågchocken, möjligen förändra hur den bearbetar energin från den inkommande solstormen.

Bakom bågchocken, jordens magnetfält börjar resonera med vågfrekvensen och detta bidrar till att överföra den magnetiska störningen hela vägen till marken. Det är en snabb process, det tar cirka tio minuter från det att vågen genererades vid förchocken tills dess energi når marken.

Lucile och kollegor arbetar nu för att förstå exakt hur dessa komplexa vågor genereras.

"Vi förväntade oss alltid en förändring i frekvens men inte nivån av komplexitet i vågen, " tillägger hon.

Solstormar är en del av rymdvädret. Medan solvinden alltid blåser, explosive releases of energy close to the sun's surface generate turbulence and gusts that eventually give rise to solar storms.

Understanding space weather has become increasingly important to society because of the damaging effects solar storms can have on sensitive electronics and technology on ground and in space. It is now more important than ever that we understand how space weather disturbances such as solar storms propagate through the Solar System and down to Earth, and ESA's upcoming Solar Orbiter mission, scheduled for launch in February 2020, will greatly contribute to these investigations.

This new scientific study based on the long-lived Cluster mission provides another detail in that knowledge but it also has a larger role to play in our understanding of the universe. Magnetic fields are ubiquitous and so the kind of complex interaction seen in Earth's foreshock may take place in a variety of cosmic environments, including exoplanets orbiting close to their parent star, as they would be immersed in intense magnetic fields.

"This is an excellent example of how Cluster continues to extend our knowledge of the sun-Earth connection, even years after the original data was obtained, " says Philippe Escoubet, ESA Project Scientist for Cluster.

"The results take us deeper into the details of fundamental magnetic interactions that take place across the universe."