Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 24 (vyšlo 14. června, ročník 2 (2004)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

CLUSTER, POLAR, WIND, MAGION – výzkum ionosféry

Václav Kaizr

Ionosféra (elektrosféra) je oblast horních vrstev atmosféry, která je částečně ionizována (plazma). Ultrafialové a korpuskulární záření Slunce ionizuje v ionosféře atomy a molekuly. Stupeň ionizace kolísá s denní dobou, ročním obdobím a geografickou polohou. Ionosféra se dělí na několik vrstev: D, E (Heavisideova vrstva, Kennelyova-Heavisideova vrstva), F (Appletonova vrstva). Ionosféra je nabita kladně a má náboj cca 1 000 000 C, naproti tomu Zemský povrch má přibližně stejný náboj opačné polarity. Napětí mezi povrchem a ionosférou se pohybuje okolo 360 kV a jelikož atmosféra není dokonalý izolátor, teče jí za jasného dne proud 1 800 A. Náboj ionosféry ovlivňují blesky a ionosférické výboje. Přítomnost zemského magnetického pole v ionosféře mění polarizaci radiových vln pomocí jevu nazývaného Faradayova rotace. Ionosféra propouští jen některé frekvence elektromagnetického spektra, například v radiovém oboru existuje tzv. radiové okno.

Magnetosféra je oblastí vlivu magnetického pole Země. Původně dipólové pole je deformováno interakcí se slunečním větrem do složitější struktury s charakteristickou rázovou vlnou na straně přivrácené ke Slunci a dlouhým ohonem na odvrácené straně. Nabité částice přicházející od Slunce obtékají rázovou vlnu a část z nich vniká do atmosféry oblastmi polárních kaspů (cusp = roh, cíp). V období zvýšené sluneční aktivity může dojít k uvolnění oblaku plazmatu, který interaguje s magnetosférou Země, vzniká tzv. magnetická bouře. Silnější magnetické bouře v minulosti poškodily telekomunikační a elektrorozvodné sítě v Kanadě a USA. Krásným doprovodným jevem interakce nabitých částic ze Slunce s magnetosférou Země jsou polární záře, o kterých se více dozvíte na stránkách expedice AURORA.

Magnetosféra Země

Magnetosféra Země - výsledek interakce dipólového pole se slunečním větrem. Na obrázku je čárkovaně označena dráha čtveřice družic Cluster. Dráha je volena tak, aby procházela rázovou vlnou, polárním kaspem i plazmosférou.

Ionosféra spolu s magnetosférou tvoří přirozený obal Země a částečně ji chrání před vnějšími vlivy. Probíhá zde řada zajímavých fyzikálních dějů, vytváří se zde mnoho modů elektromagnetických i akustických vln, jejichž výzkumem můžeme poznat fyzikální zákonitosti prostředí v našem nejbližším okolí. Není proto divu, že právě ionosféra a magnetosféra Země jsou intenzivně zkoumány řadou družic a pořízená data zpracovávána na špičkových vědeckých pracovištích. 

Ionosféra – oblast okolo Země, dělí se na vrstvy E (60÷90 km), D(90÷150 km), F(150÷800 km). Přes den se vrstva F dělí na F1 a F2.

Magnetosféra – oblast magnetického vlivu naší Země. Dipólové magnetické pole je vytvářeno v jádru Země elektrickými proudy o řádové hodnotě 109 A. Toto pole je deformováno interakcí se slunečním větrem do charakteristického tvaru - magnetosféry Země.

Faradayova rotace – magnetické pole rovnoběžné se směrem šíření paprsku stáčí polarizační rovinu úměrně indukci pole a vzdálenosti, kterou prošel paprsek: α = V·B·; α je úhel stočení, V Verdetova konstanta, B indukce magnetického pole a d prošlá vzdálenost.

Sluneční vítr – proud nabitých částic ze Slunce, které zaplavují celou sluneční soustavu. Zejména jde o protony, elektrony a alfa částice (jádra hélia). Typická rychlost částic u Země je kolem 500 m/s a jejich koncentrace několik protonů v m3.

Polární kasp – trychtýřovitá oblast v blízkosti pólů, kterou pronikají jako obrovským vírem nabité částice do spodních vrstev atmosféry Země. Název pochází z anglického "cusp" (roh, cíp).

Aurorální ovál – plošný výboj zářící v okolí 70. rovnoběžky. Je způsoben excitacemi atomů atmosféry pronikajícími nabitými částicemi slunečního větru. Při zvýšeném přísunu částic se aurorální ovál rozvine do polárních září.

Hvizdy – nízkofrekvenční elektromagnetické vlny (300÷30 000 Hz) šířící se podél magnetických silokřivek. Mají krátkodobé trvání s klesající frekvencí. Poprvé byly pozorovány v kanálech blesků Barkhausenem v roce 1919.

CLUSTER

Cluster je čtveřice stejných družic pojmenovaných podle latinsko-amerických tanců (Rumba, Salsa, Samba a Tango) vypuštěných v červenci a srpnu 2000 evropskou agenturou ESA. Kolem Země letí ve vzájemné formaci ve vrcholech čtyřstěnu a provádějí dosud nejdetailnější prostorová měření parametrů slunečního větru a jeho interakce s magnetosférou Země. Družice od sebe mohou být vzdáleny až 20 000 km, každá obsahuje 11 shodných přístrojů pro měření magnetického pole a koncentrace jednotlivých druhů částic. Konec mise je plánován na rok 2005. Družice jsou na protáhlé eliptické dráze s perigeem 19 000 km a apogeem 119 000 km (téměř ve třetině vzdálenosti k Měsíci!). Zemi oblétnou za 57 hodin.

Cluster poprvé detekoval plazmové vlny v magnetopauze, pohyby rázové vlny pod nápory slunečního větru, prolétl skrze polární kasp a vytvořil první třírozměrný obraz magnetosféry Země.

Průlet kaspem - umělecká vize

Průlet čtveřice družic Cluster polárním kaspem, kterým jako obrovským vírem
pronikají nabité částice do atmosféry Země. Družice jsou ve vrcholech čtyřstěnu.

Průměr
družice
Výška
družice
Počet
otáček
Výkon solárních
článků
Hmotnost
(palivo, přístroje)
2,9 m 1,3 m 15 min−1 224 W 1200 kg
(650 kg, 71 kg)

POLAR

Družice startovala dne 24. února 1996. Ukončení mise se předpokládá v roce 2006. Družice Polar spolupracuje s obdobnou družicí WIND, která startovala později. POLAR je známa skvělými vizuálními a ultrafialovými snímky aurorálního oválu a polárních září. Jedinečné jsou nahrávky "zvuků" z ionosféry, především tzv. hvizdů - krátkých nízkofrekvenčních elektromagnetických pulsů šířících se podél zemských magnetických silokřivek. Z pozorování družice POLAR se L. Frank pokusil prokázat svou kontroverzní teorii z roku 1986, podle které do zemské atmosféry neustále dopadá řada ledových minikomet (do 10 metrů v průměru). Teorie má však řadu odpůrců s celkem rozumnými argumenty (pád minikomet by musel vyvolat v atmosféře optické záblesky, které se nepozorují).

POLAR Aurorální ovál

Nalevo: družice Polar, silnější ramena jsou magnetometry, na konci ramene je patrný
měřící závit. Napravo: aurorální ovál z 16.7.2000, severní polokoule, viditelné světlo.

WIND

Družice WIND byla vypuštěna 1. listopadu 1994 a jde o družici NASA podobné konstrukce jako POLAR. Kombinovaná data POLAR/WIND umožnila přesná měření vlastností magnetosféry. Velmi komplikovaná dráha družice WIND umožnila změřit parametry dosud nedosažených oblastí magnetosféry. Zcela unikátní jsou měření radiových vln z Jupiteru prováděná v letech 1996 až 2000 současně družicí WIND u Země a sondou Galileo přímo u Jupiteru. Tato vědecká družice je součástí projektu GGS (Global Geospace Science), má hmotnost 1 267 kg a její postavení stálo 173 milionů USD.

WIND

Družice Wind. Dlouhá oboustranná konstrukce jsou ramena magnetometrů, 
vidět je také několik antén pro detekci různých typů vln.

Přístroje družice WIND
  • 3DP - třírozměrná detekce rozdělení elektronů a iontů (eV ÷ 100 keV),

  • TGRS - gama spektrometr,

  • MFI - měření magnetických polí,

  • WAVES - detekce plazmových a radiových vln,

  • SWE - detektory pro měření hmotnosti, energie a směru
    nízkoenergetických iontů a elektronů slunečního větru,

  • SWICS/STICS - měření složení, koncentrace, rychlosti a teploty
    iontů ve slunečním větru,

  • KONUS - detektor záření gama s vysokým časovým rozlišením
    (koordinátorem výzkumu je Joffeho ústav v Moskvě, jedná se
    o první ruský experiment na americké družici),

  • EPACT - zařízení pomocí něhož lze zjistit časový vývoj parametrů
    plazmatu při bouřlivé sluneční aktivitě.

MAGION

Družice Magion (MAGnetosphere and IONosphere) byly malé československé a později české družice určené pro výzkum ionosféry, které se konstruovaly v Ústavu fyziky atmosféry AVČR a dosud jich bylo vypuštěno pět pomocí ruských nosných raket. Na přístrojovém vybavení se podílela řada zemí bývalého východního bloku. Poslední družice MAGION 5 měla celkovou hmotnost 68,5 kg a její vnější rozměry za letu byly 1,7 m a 1,08 m. Poslední vědecká data byla přijata z družice MAGION 5 v lednu 2002 a poslední technologická data v prosinci 2002.

Název Vypuštěna Hmotnost [kg] Perigeum [km] Apogeum [km]
MAGION-1 24.10.1978 14,5 406 768
MAGION-2 28.9.1989 52 500 2492
MAGION-3 18.12.1991 52 438 3070
MAGION-4 2.8.1995 58,7 870 192 000
MAGION-5 29.8.1996 68,5 775 19 210

MAGION 5  Známka s motivem družice MAGION

Nalevo: družice Magion 5. Napravo: Družice Magion na československé známce.

Přístroje družice MAGION 5
  • vlnový experiment KEM-3,

  • spektrální analyzátor SAS,

  • vlnový analyzátor ULF,

  • třísložkový magnetometr SG-R8,

  • třísložkový magnetometr DMA,

  • energetický spektrometr elektronů a protonů DOK-S,

  • plazmový spektrometr elektronů a protonů MPS, EPS,

  • analyzátor chladného plazmatu KM-14,

  • plazmový detektor VDP-S,

  • dvě kamery VIM (snímkovaní noční strany Země).

Dráhy družic

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage