Jordens atmosfär läcker

En stor mängd partiklar strömmar ständigt ut i rymden från jorden. Flödet är som störst vid nord- och sydpolen. På höjder över 100 kilometer upp och långt ut i rymden är luften elektriskt laddad. De flesta atomer är uppdelade i positiva joner och negativa elektroner. Tillsammans bildar dessa partiklar det så kallade plasmat, en elektriskt laddad gas. Den elektriska laddningen gör att partiklarna i plasmat styrs av elektromagnetiska krafter. Vid polerna är dessa krafter särskilt gynnsamma, och det är därför den mesta gasen försvinner just där.

Förutom laddade partiklar lämnar även neutrala atomer jordens atmosfär. Det är nästan uteslutande väteatomer, eftersom de är lättast och därför enklast undkommer jordens dragningskraft. De neutrala partiklarna strömmar i väg över hela jordytan, men de utgör bara en mindre del av den totala förlusten av luftmassa som försvinner ut i rymden.

Även solen förlorar stora mängder materia. Den bildar den så kallade solvinden, som består av energirika partiklar – vätejoner, elektroner och en liten mängd heliumjoner. Särskilt stark blir solvinden vid utbrott på solens yta. När solpartiklarna närmar sig jorden bromsas de upp av jordens magnetfält som hindrar solvinden från att tränga ända ner mot jordytan. På så sätt bildar magnetfältet en sköld runt jorden, en bubbla som kallas magnetosfär.

Trots att vårt magnetfält skyddar oss från direkt kontakt med solpartiklarna, kan solvinden påverka jorden. Ett synligt exempel är norrskenet, som uppstår vid ökad solaktivitet. Då skjuts elektriskt laddade partiklar från magnetosfären ner mot jordens yta. På vägen krockar de med atmosfärsgaserna. Det är sådana krockar som ger upphov till norrsken. Ibland, när solstormarna är extra kraftiga, kan norrskenet synas långt söderut. Kraftiga variationer i solvinden kan också framkalla så starka strömmar i elledningar att kraftstationerna slås ut.

Den första som anade att det var ett stort flöde av partiklar ut i rymden var den amerikanske fysikern William Axford. Redan år 1968 påpekade han att de lättaste jonerna runt jordens poler borde dras med av de betydligt lättare elektronerna, ut ur jordens gravitationsfält och accelereras vidare ut i rymden. Polarvinden kallade han denna partikelflykt, i likhet med solvinden.

Axford kom polarvinden på spåren genom att undersöka förekomsten av en heliumisotop, He-4. Den bildas i jordskorpan genom radioaktivt sönderfall av uran och torium och tillförs atmosfären. Men det verkade skapas mycket mer helium jämfört med den lilla bråkdel som försvann från jorden genom utflödet av neutrala heliumpartiklar. Axford förstod att det måste vara polarvinden som bidrog till att balansen kunde upprätthållas.

Bara några år senare fick forskarna via den amerikanska satelliten Explorer 31 för första gången syn på polarvinden. Senare satellitobservationer bekräftade utflödena och visade också att det inte bara var de lättaste jonerna, väte och helium, som lämnade jordens atmosfär, utan även det mycket tyngre syret. Men syret behöver en extra knuff för att ta sig upp; polarvinden ensam räcker inte till. Det energitillskottet får syret i de mycket dynamiska områden runt polerna där norrsken är vanliga.

Mätningar av syreflöden gav de första tecknen på att det elektriskt laddade plasmat med ursprung i jordens övre atmosfär kunde fylla stora delar av magnetosfären. Dessförinnan pågick en lång och livlig debatt om varifrån materian i magnetosfären egentligen kommer. Många trodde att den hade sitt ursprung i solvinden. Men en rad satellitmätningar under det senaste decenniet har tydligt visat att magnetosfärens plasma i stor utsträckning kommer från jorden.

En fråga hängde dock kvar – kan det vara så att partiklarna vänder och kommer ner till jorden igen? För att få svar på den måste man mäta de utflödande jonerna med satelliter långt ute i rymden, varifrån vi vet att det inte finns någon återvändo för dem. Men det är svårt, och därför var det länge ovisst hur stor andel som verkligen försvinner bort.

Långt från jorden där plasmat är mycket uttunnat blir de solbelysta satelliterna positivt laddade. Den positiva laddningen stöter bort plasmajonerna som också är positiva. Det betyder i sin tur att de aldrig når satelliternas mätare.

Helt nyligen lyckades vi dock lösa problemet. Med de europeiska Clustersatelliterna följde vi de utflödande jonerna så långt ut som 20 gånger jordens radie, över 100 000 kilometer bort. Detta är betydligt längre än någonsin tidigare, och därmed kan vi bättre uppskatta jordens totala partikelförlust.

När en satellit rör sig genom jonströmmar, viker jonerna av framför satelliten och ett tomrum bildas bakom den. Det är ungefär som i kölvattnet på en båt. Detta fenomen syns tydligt i satellitens mätningar av elektriska fält.

Till en början trodde vi att instrumentet, som hade byggts av ingenjörer och forskare i Uppsala, mätte fel. Men med hjälp av ett kompletterande instrument förstod vi att bakom de konstiga uppgifterna som vi fick från sensorerna låg kölvattenfenomenet. På så sätt kunde vi indirekt få fram jonernas utflödeshastighet. Ironiskt nog har ett instrument, som konstruerades för att mäta elektriska fält, gett oss betydligt bättre information om polarvindens joner än de bästa jondetektorerna.

Samtidigt som stora mängder partiklar flödar ut från atmosfären, tillförs jorden massa från rymden. Mest är det små partiklar och meteoriter som brinner upp i atmosfären – de flesta är mindre än en millimeter. Men med ungefär tusen års mellanrum kan riktigt stora rymdstenar slå ner på jordens yta.

Under ett genomsnittligt år balanseras atmosfärpartiklarnas utflöden av inflödet från rymden. Men om man räknar med de riktigt stora nedslagen tillförs jorden mer massa än den förlorar.

Atmosfären kan förstås också berikas med massa direkt från jorden, till exempel partiklar från vulkanutbrott, från oceanerna och från förbränning av fossila bränslen. Men atmosfären förlorar också materia till jorden genom främst kondensering.

Om man betraktar jorden och atmosfären som ett system är det dock endast utbytet med rymden som kan påverka jordens och atmosfärens totala massa. Syre står för den största förlusten av massa, medan de 16 gånger lättare väteatomerna försvinner i betydligt högre antal.

Syret och vätet kommer i huvudsak från världshaven. Vattnet, som består av syre och väte, spjälkas upp, och medan vätet flyr undan så tillförs syret atmosfären. Under de senaste årmiljarderna har denna reaktion lett till att den globala havsnivån sjunkit med ett par meter.

Även på andra planeter ser man spår av läckor från atmosfären. Mars fick till exempel sin rostiga, röda färg när vattenångan i atmosfären bröts ner i sina beståndsdelar och vätet drev i väg samtidigt som det överblivna syret oxiderade planetens yta.

Jämfört med atmosfärens totala massa på ungefär 5 miljarders miljarder kilo (5 x 10¹⁸) är en förlust på hundra miljoner kilo om året förhållandevis lite. Mänskligheten behöver därför inte oroa sig för sin överlevnad.

Men i ett längre perspektiv kommer förlusterna att öka markant och drastiskt förändra jordens klimat. För varje miljard år kommer solens intensitet att öka med ungefär tio procent. Då blir jorden hetare och mer vatten lämnar haven, vilket i sin tur ger en betydligt fuktigare atmosfär. Och ju mer vatten det blir i den varma luften desto mer väte kommer att försvinna ut i rymden. Efter ytterligare en miljard år kommer förmodligen våra oceaner i princip att ha torkat ut.