Trots en nominell livslängd på två år, ESA:s Cluster går nu in i sitt tredje decennium i rymden. Detta unika uppdrag med fyra rymdfarkoster har avslöjat hemligheterna bakom jordens magnetiska miljö sedan 2000 och, med 20 års observationer under bältet, möjliggör fortfarande nya upptäckter när den utforskar vår planets förhållande till solen.

Som den enda planeten som är känd för att vara värd för liv, Jorden har en helt unik plats i solsystemet. Klusteruppdraget, lanserades sommaren 2000, designades och byggdes för att studera kanske det viktigaste som gör jorden till en unik beboelig värld där liv kan frodas. Denna enda livsmöjliggörande sak är jordens kraftfulla magnetosfär, som skyddar planeten från bombardementet av kosmiska partiklar men också interagerar med dem, skapa spektakulära fenomen, som polarljus.

Jordens magnetosfär, en tårdroppsformad region som börjar omkring 65, 000 kilometer bort från planeten på dagsidan och sträcker sig upp till 6, 300, 000 kilometer på nattsidan, är ett resultat av interaktionen mellan planetens magnetfält, genereras av rörelserna av dess smälta metallkärna, och solvinden. Cluster är det första uppdraget som har studerat, modellerat och tredimensionellt kartlagt denna region och processerna inom den i detalj. Genom att göra så, det hjälpte till att förbättra vår förståelse av rymdvädersfenomen, som uppstår från samspelet mellan magnetosfären och de energiska partiklarna som bildar solvinden. Dessa fenomen kan skada inte bara levande organismer, men även elektronisk utrustning, vare sig det är på marken eller i omloppsbana.

Rumba, Salsa, Samba och Tango

Cluster-uppdraget omfattar fyra rymdfarkoster som flyger i en pyramidliknande formation på en elliptisk polarbana. De fyra rymdfarkosterna, kallas Rumba, Salsa, Samba och Tango, var och en bär samma nyttolast av 11 avancerade instrument, sändes till omloppsbana med två raketuppskjutningar den 16 juli och 9 augusti 2000.

Även om uppdraget har blivit en enorm framgång, efter att ha möjliggjort många vetenskapliga genombrott, det är tidiga dagar som inte gick utan problem. En underprestation av det första steget av Soyuz-raketen lämnade Rumba och Tango i en felaktig omloppsbana, tvingar dem att lita på sin egen framdrivning, samt Fregat övre stadiet i Soyuz, för att komma till rätt position för att gå med i Salsa och Samba. Olyckan följde på den misslyckade lanseringen av den ursprungliga Cluster I-kvartetten 1996.

"ESA var lite orolig för 20 år sedan, under uppskjutningen av det andra paret rymdfarkoster, " erkänner Philippe Escoubet, Cluster Project Scientist på ESA "Ända sedan dess, uppdraget har gjort stora framsteg, och det är långt ifrån färdigt."

Under de senaste två decennierna, Klusterobservationer har avslöjat detaljer om processerna i magnetosfären, avslöjade hur atmosfären stöder livet, och gav nödvändiga insikter om rymdväder som behövs för att möjliggöra säker satellitkommunikation och rymd- eller flygresor.

En unik arkitektur

Nyckeln till uppdragets kraft är inte bara dess konfiguration med fyra rymdfarkoster utan också det faktum att operatörer kan justera avståndet mellan de fyra satelliterna från 3 upp till 60, 000 kilometer beroende på det vetenskapliga målet.

"Denna design för flera rymdskepp är nyckeln till Clusters framgång, " förklarar Philippe. "Genom att använda fyra rymdfarkoster istället för en, Cluster kan på ett unikt sätt mäta flera områden i rymden – och få flera perspektiv på en viss händelse eller aktivitet, som en solstorm - samtidigt."

När man är närmare varandra, rymdfarkosten Cluster kan gräva in i de finare magnetiska strukturerna i rymden nära jorden; när mer åtskilda, de kan få en bredare syn på mer omfattande verksamhet. Tvärs över dess omloppsbana, Kluster flyger både inom och utanför jordens magnetosfär, så att den kan undersöka fenomenen på båda sidor av vår planets magnetiska sköld.

Polarkraft

Medan de flesta uppdrag som utforskar jordens magnetiska fenomen fokuserar på ekvatorn där många elektriska strömmar flyter, Klusterkvartetten kretsar runt jorden i en polär bana, vilket gör att den kan passera periodvis ovanför båda jordens poler. De polära områdena är magnetiskt extremt dynamiska. Solvinden i detta område kan tränga djupare in i jordens övre atmosfär genom polarkusparna, trattliknande öppningar i magnetosfären ovanför polerna, ger upphov till spektakulära norrsken.

Clusters förmåga att observera högre breddgrader än andra uppdrag gjorde uppdraget till en nyckelspelare i att bilda en global magnetosfärisk karta.

En del av detta var att noggrant kartlägga positionen och omfattningen av så kallad kall plasma (långsamt rörliga laddade partiklar) runt jorden i tre dimensioner. Sådan plasma - som Cluster fann att, förvånande, dominerar magnetosfärens volym upp till 70 % av tiden – tros spela en nyckelroll i hur stormigt rymdväder påverkar vår planet. Cluster har också studerat hur de inre delarna av jordens magnetosfär fungerar för att fylla på andra delar med färsk plasma, observerar inte bara sporadiska plymer som trycker plasma utåt, men också ett stadigt atmosfäriskt läckage på nästan 90 tusen kilo material per dag

20 år av upptäckt

Genom sin kartläggning av jordens magnetfält, och jämförelse av detta med Mars svaga nuvarande magnetism, Cluster har bekräftat vikten av vår magnetosfär för att skydda oss från solvinden.

Cluster har avslöjat mer om dynamiken i magnetotailen, den del av magnetosfären som sträcker sig "bakom" vår planet bort från solen. Uppdraget identifierade att magnetfältet i denna region svänger i amplitud på grund av interna "böjliknande" vågor, och löste ett långvarigt mysterium genom att fastställa att fenomenet "ekvatorialbrus" (bullriga plasmavågor som finns nära ekvatorialplanet för jordens magnetfält) genereras av protoner.

Genom att undersöka de rumsliga egenskaperna hos det yttre området av magnetosfären, Cluster har gett en djupare förståelse för hur solvindspartiklar kan penetrera vår magnetiska "sköld". Solvinden är en ström av laddade partiklar som strömmar ut i rymden från solen, rör sig i hastigheter upp till 2000 kilometer i timmen. Klustret identifierade små virvlar av turbulens som påverkar hur energi (värme) fördelas i hela vinden, och upptäckte att samtidigt som det skyddar oss från inkommande partiklar, vår magnetosfär är ganska porös och silliknande, så att överhettade solvindspartiklar kan borra igenom.

Genom att samarbeta med andra uppdrag, Cluster har hjälpt till att avslöja hur "theta" norrsken på hög latitud och mindre bekanta "svarta norrsken" fungerar, möjliggör en detaljerad förståelse av hur olika regioner i rymden utbyter partiklar. Uppdraget upptäckte också ursprunget till så kallade "mördarelektroner", energiska partiklar i jordens yttre bälte av strålning som kan orsaka förödelse för satelliter, genom att observera denna process första hand. Cluster fann att dessa elektroner uppstod när solstormsrelaterade stötvågor komprimerar jordens magnetfältslinjer, vilket resulterar i att dessa linjer vibrerar och accelererar elektroner till höga, och farligt, hastigheter.

Cluster har undersökt dynamiken i en process som kallas magnetisk återkoppling, tillhandahålla de första observationerna på plats av magnetfältslinjer som bryts och reformeras - ett fynd som krävde flera samtidiga observationer, som bara Cluster kunde tillhandahålla vid den tiden. Klusterdata visade också att energi frigörs på oväntade sätt under återkopplingshändelser, hjälpa forskare att bygga upp en bättre förståelse för plasmadynamik.

Rymdväder och geomagnetiska stormar, fenomen som drivs av jordens förhållande till solen, har varit ett fokusämne för Cluster. Uppdraget har modellerat jordens magnetfält på både låg och hög höjd, och identifierade den komplexa dynamiken som spelar i själva solvinden, med målet att möjliggöra mer informerade och exakta 'rymdväderprognoser'. I slutet av förra året, genom att analysera Clusters omfattande Science Archive, forskare kunde också släppa den kusliga "låten" som sänds ut av jorden när den träffas av en solstorm, skapas av magnetfältvågor.

En skattkammare av data

Under dess många års verksamhet, Cluster har samlat på sig ett aldrig tidigare skådat arkiv med data om jordens miljö. Faktiskt, genom att använda 18 år av dessa uppgifter, forskare fann nyligen att järn är allmänt, och överraskande nog, fördelade över hela vår planets närhet, demonstrerar den bestående kraften hos Cluster för att underlätta nya vetenskapliga upptäckter.

"Att ha en så lång baslinje av data har möjliggjort ett antal verkligt banbrytande fynd, " tillägger Arnaud Masson, Biträdande projektforskare för klusteruppdraget vid ESA. "Genom att kontinuerligt övervaka och registrera dynamiken och egenskaperna hos jordens magnetosfär under två decennier, Cluster har skapat helt nya möjligheter för forskare att upptäcka nya eller långsiktiga trender på olika rumsliga och tidsmässiga skalor."

Klunga, tillsammans med andra ESA-rymdfarkoster, banar också väg för kommande uppdrag som den europeiska-kinesiska Solar wind-Magnetosphere-Ionosphere Link Explorer (SMILE), som är planerad att lanseras 2023. SMILE kommer att gräva djupare in i Sun-Earth-förbindelsen, och kommer att bygga vidare på Clusters anmärkningsvärda arbete för att avslöja ännu mer om den komplexa och spännande magnetiska miljön som omger vår planet.

"I två decennier nu, Cluster har varit ett spännande och verkligt banbrytande uppdrag, skicka tillbaka all slags ny information om universum omkring oss, " säger Philippe. "Tack vare sin unika design, lång livslängd, och avancerade funktioner, Cluster har låst upp en mängd hemligheter om miljön runt jorden. Klustret är still going strong, och kommer att fortsätta hjälpa oss att karakterisera de fenomen vi ser omkring oss för – förhoppningsvis! – år framöver."