Audrey Schillings försvarade nyligen sin doktorsavhandling om atmosfärisk förlust från jorden och hur den varierar med solvindsförhållandena. Audrey var anställd på Institutet för rymdfysik och inskriven vid Luleå tekniska universitet som medlem i forskarskolan i rymdteknik.

I avhandlingen, Audrey Schillings visar hur syrejonutflödet ökar med ökande solvindsdynamiska tryck, med sydlig riktning av det interplanetära magnetfältet och med mängden extrem ultraviolett strålning. Under magnetiska stormar kan syrejonutflödet öka med upp till 100 gånger tyst tid. Data och modeller visar att de observerade jonerna kommer att lämna jordens atmosfär och gå förlorade i rymden.

Studierna baseras på data från European Space Agencys satellitkonstellationskluster, som består av fyra rymdfarkoster som flyger i formation. De primära data är från jonsensorn Cluster Ion Spectrometer, byggt och utvecklat i Toulouse.

De översta lagren av jordens atmosfär utsätts för extrem ultraviolett strålning och energisk partikelbombning från rymden, som båda slår bort elektroner från atomer och molekyler, gör dem elektriskt laddade joner. Elektriskt laddade joner påverkas av både magnetiska och elektriska fält. Fälten kan accelerera partiklarna så att de övervinner gravitationen och kan fly ut i rymden. De påverkas särskilt av solvinden, en ström av laddade partiklar som kommer från solen, som bär med sig elektriska och magnetiska fält. De påverkas också av magnetfältet på planeten jorden, vilket i sin tur påverkar solvinden och skapar en bubbla i solvinden — jordens magnetosfär.

Atmosfärens utflöde genom joner har studerats sedan 1960-talet, men många detaljer har förblivit oklara. Rollen för det starka planetariska magnetfältet är en sådan faktor, jämfört med omagnetiserade planeter som Mars eller Venus. Man har trott att magnetfältet skyddar jordens atmosfär från solvinden, och kan till och med leda flyktande partiklar tillbaka till atmosfären. En annan relaterad fråga gäller utflöde under geomagnetiska stormar.

"Magnetiska stormar drivs av processer på solen, " förklarar Audrey. "De leder till ökat inflöde av partiklar och energi till jordens magnetosfär. De är särskilt intressanta, eftersom man tror att de är representativa för förhållandena i det gamla solsystemet, när solen var ung för cirka 4 miljarder år sedan. Jorden, Mars och Venus förlorar inte mycket av sin atmosfär nu, men det kanske var annorlunda förr?"

Magnetiska stormar inträffar inte särskilt ofta, så de bidrar ganska lite till den totala datamängden. På samma gång, jordens magnetosfär är stor, så det spelar stor roll var rymdfarkosten råkade befinna sig i magnetosfären under en storm.

"Min första uppgift var att utveckla en ny metod för att titta på den relativa förändringen av jonutflödet i den del av magnetosfären där rymdfarkosten befann sig. Vi fann att jonutflödet kunde öka nästan hundra gånger under en storm, säger Audrey.

Nästa steg var att studera hur utflödet från jorden varierade med solvindsförhållandena på ett sätt som liknar hur detta hade studerats för Mars i annan ny forskning. Mars-studien visade att utflöde under stormar, och alltså i det förflutna, var troligen lägre än nu. Därför har vi anledning att ifrågasätta bilden av att jordens magnetfält skyddar atmosfären. Processerna vi studerar blir mer effektiva när det starka planetariska magnetfältet hjälper till att samla energi från solvinden och kanalisera den till atmosfären.

"Vår studie av hur utflödet ökar under stormar ger en inblick i hur mycket atmosfär som kan gå förlorad från en nybildad planet. Möjligen visar den också att ett planetariskt magnetfält kan hjälpa till att avlägsna atmosfären från en planet. Detta var en överraskande upptäckt, säger Audrey.