Situering van de Cluster-satellieten in de ruimte rond de Aarde

Dankzij het GRMB-project hebben BIRA-onderzoekers bijgedragen aan de inventarisatie van 24 jaar Cluster-metingen door te bepalen in welke regio van de magnetosfeer de satellieten zich op elk moment bevinden. Dat is niet evident, vermits de vorm en afmetingen van die regio’s voortdurend veranderen als gevolg van de wisselwerking met de zonnewind.

De Cluster-missie

De Cluster-missie van het Europese ruimtevaartagentschap (ESA) werd gelanceerd in de zomer van 2000. Ze bestond uit 4 identieke satellieten die om de aarde cirkelen in een strak geregisseerde choreografie. De satellieten werden daarom - toepasselijk - Rumba, Salsa, Samba en Tango gedoopt. De missie eindigde in september 2024 met de terugkeer van Salsa in de atmosfeer; de andere volgen in november 2025 en augustus 2026.

De Cluster missie bestudeerde de wisselwerking tussen de zonnewind en de magnetische bel rond de aarde, de magnetosfeer. Cluster verzamelde unieke gegevens over de magnetosfeer en de zonnewind met behulp van 11 wetenschappelijke instrumenten, en dat gedurende meer dan 24 jaar. 

Het GRMB-project

Dankzij hun langgerekte elliptische baan met hoge inclinatie doorkruisten de Cluster-satellieten bijna alle regionen van de magnetosfeer. Omdat de vorm en de omvang van de magnetosfeer (en deelgebieden ervan) voortdurend veranderen omwille van het ruimteweer, volstaat het niet om de positie van een satelliet te kennen om te weten in welk gebied van de magnetosfeer de satelliet zich bevindt.

Het biedt een grote meerwaarde indien men de hele verzameling van 24 jaar metingen correct kan classificeren door te bepalen welk gebied doorkruist wordt. Een dergelijke classificatie maakt statistisch onderzoek mogelijk naar de onderliggende natuurkundige processen die zich in een bepaald gebied afspelen, bijvoorbeeld hoe de plasmasfeer telkens opnieuw aangevuld wordt vanuit de ionosfeer, hoe reconnectie aan de magnetopauze werkt, of hoe elektromagnetische golven zich voortplanten in de magnetosfeer.

Het BIRA heeft meegewerkt aan een ESA-project met precies dit doel: het GRMB-project, wat staat voor: Geospace Region and Magnetospheric Boundary identification. Dit project ging van start in oktober 2022 en duurde 2 jaar. Het werd gecoördineerd door het Instituut voor Atmosferische Fysica (IAP) in Praag (Tsjechië). Het project werd met 2 jaar verlengd om ook de gegevens van 2023 en 2024, tot het einde van de missie, te verwerken.

De GRMB-classificatie

De eerste stap van het project bestond erin te beslissen welke deelgebieden van de magnetosfeer we wilden onderscheiden en gebruiken als categorieën voor de classificatie, en welke relevante Cluster-metingen we zouden gebruiken om die gebieden te identificeren. Een software-hulpmiddel werd ontwikkeld waarmee een operator die metingen kan zien en manueel de verschillende gebieden en de grenzen ertussen kan aanduiden.

Deze halfautomatische classificatie, gebaseerd op vooraf gegenereerde grafieken voor 44 Cluster-metingen afkomstig van 6 instrumenten (op vier satellieten), werkt met 15 verschillende categorieën: 4 ervan omvatten gebieden buiten de magnetosfeer (in de zonnewind dus), 9 regio’s zijn deelgebieden van de magnetosfeer, en tot slot zijn er 2 categorieën voor momenten wanneer het gebied in de ruimte niet geklasseerd kan worden (geen of onvoldoende metingen). Deze classificatie werd gevalideerd op verschillende manieren, bijvoorbeeld door te controleren of de fysische parameters in dat gebied in de lijn der verwachtingen liggen.

De GRMB-classificatie is vanaf nu publiek beschikbaar in het wetenschappelijke archief voor Cluster (ESA Cluster Science Archive).

Publicatie in Nature Scientific Data

Een volledige beschrijving van de GRMB-classificatie werd gepubliceerd in Nature Scientific Data. Dit artikel beschrijft de methodologie die werd gevolgd in detail. Het beschrijft de validering van de werkwijze door middel van verschillende soorten vergelijkingen. Zo bestond één controle uit het vergelijken van de positie van sommige GRMB-posities met de voorspelde posities van bepaalde kenmerken van de magnetosfeer uitgaande van vereenvoudigde modellen.

Een voorbeeld wordt getoond in Figuur 2 voor de boegschok (de schokgolf die wordt gevormd waar de supersone zonnewind van richting verandert om rond de magnetosfeer heen te stromen) en voor de magnetopauze (de grens tussen de magnetosfeer en de zonnewind) voor Cluster 1 (Rumba) in 2003. De figuur toont dat de waargenomen GRMB-posities goed overeenkomen met de voorspelde posities.

Figuur 3 vat samen hoe frequent de Cluster-satellieten de verschillende regio’s bezochten tussen 2001 en 2007. De eerste twee jaren werden gekenmerkt door een groter aantal onbeschikbare gegevens, omdat de missie toen nog werkte volgens een systeem van niet-continue waarnemingen. Vanaf 2003 tot 2007 vertoefden de Cluster-satellieten ~40% van de tijd in de 4 regio’s buiten de magnetosfeer en ~60% in de 9 regio’s erbinnen.

Referentie

• Grison, B., Darrouzet, F., Maggiolo, R. et al. (2025). Localization of the Cluster satellites in the geospace environment. Nature Scientific Data, 12, 327. https://www.nature.com/articles/s41597-025-04639-z.

Internet links

• ESA Cluster Science Mission
  en ESA Science & Exploration
• Cluster BIRA-website
• Wetenschappelijk gegevensarchief voor de Cluster missie