Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 47 – vyšlo 9. prosince, ročník 9 (2011) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

47/2011

Československé družice MAGION

Miroslav Horký

Dne 18. prosince 2011 můžeme slavit malé výročí. Tento den to bude přesně 20 let od startu československé družice MAGION 3. V dnešním bulletinu se proto podíváme na historii těchto československých a později českých družic, které měřily parametry plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. v magnetosféře a ionosféře a také studovaly vliv činnosti SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. na toto prostředí. Družice se také podílely na aktivních experimentech s injektáží plazmatu do magnetosféry.

Obr. 1: MAGION 1, zdroj [5].

Magnetosféra – oblast magnetického vlivu planety nebo jiného nebeského tělesa. U naší Země je dipólové magnetické pole vytvářeno v jádru elektrickými proudy o řádové hodnotě 109 A. Toto pole je deformováno interakcí se slunečním větrem do charakteristického tvaru – magnetosféry Země. Magnetosféry planet jsou přirozeným ochranným štítem před nabitými částicemi slunečního větru. Ionosféra – slabě ionizovaná oblast atmosféry 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. Ve výšce kolem 300 km je koncentrace částic řádově 106 cm−3. Polární kasp – trychtýřovitá oblast v blízkosti magnetických pólů planety, kterou pronikají jako obrovským vírem nabité částice do atmosféry. Název pochází z anglického „cusp“ (roh, cíp). Interkosmos – kosmický program socialistických států probíhající v letech 1967–1990. Jeho deklarovaným cílem byl výzkum a mírové využití kosmického prostoru. Dominantní postavení v programu INterkosmos měl Sovětský svaz. Šlo o protiváhu obdobných programů západních zemí.

Historie

MAGION 1

Vývoj první československé družice ze série MAGION sahá do první poloviny 70. let 20. století. Tehdejší Československá socialistická republika byla členem sovětského vesmírného programu InterkosmosInterkosmos – kosmický program socialistických států probíhající v letech 1967–1990. Jeho deklarovaným cílem byl výzkum a mírové využití kosmického prostoru. Dominantní postavení v programu INterkosmos měl Sovětský svaz. Šlo o protiváhu obdobných programů západních zemí. a v rámci mise Interkosmos 18 se účastnila výzkumu interakce ionosféryIonosféra – slabě ionizovaná oblast atmosféry 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. Ve výšce kolem 300 km je koncentrace částic řádově 10⁶ cm⁻³. s magnetosférouMagnetosféra – oblast magnetického vlivu planety nebo jiného nebeského tělesa. U naší Země je dipólové magnetické pole vytvářeno v jádru elektrickými proudy o řádové hodnotě 10⁹ A. Toto pole je deformováno interakcí se slunečním větrem do charakteristického tvaru – magnetosféry Země. Magnetosféry planet jsou přirozeným ochranným štítem před nabitými částicemi slunečního větru. ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru.. Aby bylo možné získat představu o prostorovém uspořádání měřených dějů, byla družice MAGION 1 subdružicí k hlavní družici a prováděla stejná měření jako hlavní družice. Název MAGION vzniknul jako zkratka ze slov MAGnetosféra a IONosféra.

Obr. 2: Popis vnějšího vybavení družice MAGION 1, zdroj [5].

Stavbu a provoz družice mělo na starosti oddělení ionosféry Geofyzikálního ústavu Československé akademie věd. Výsledná družice měla rozměr 300×300×150 mm a hmotnost 15 kg. Startovala dne 24. října 1978. Kromě základních systémů (telemetrie, povelový přijímač, napájení, stabilizace) byla vybavena zařízeními pro měření elektromagnetických polí. Prováděné experimenty byly:

širokopásmové měření elektrického a magnetického pole v rozsahu frekvencíFrekvence – značíme f, počet opakování sledovaného děje za časovou jednotku. V SI měříme frekvenci v  hertzích (Hz, počet dějů za sekundu). Lze ji vypočítat jako převrácenou hodnotu periody děje: f = 1/T. Často se používá také úhlová frekvence, kterou značíme ω. Jde o časovou změnu fáze vlnění. Pro obě frekvence platí převodní vztah ω = 2πf. 0,05÷16 kHz, úzkopásmové měření elektrického a magnetického pole na frekvencích 0,45 kHz, 0,8 kHz, 1,95 kHz, 4,65 kHz a 15 kHz, frekvenční analýza elektrického a magnetického pole (0,185÷15 kHz), měření rezonančních vlastností plazmatu v okolí družice, měření elektrického pole v rozsahu frekvencí 0,01÷80 Hz, měření elektronů o energiích nad 30 keVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10−19 J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (103 eV), megaelektronvolt MeV (106 eV), gigaelektronvolt GeV (109 eV), teraelektronvolt TeV (1012 eV) nebo petaelektronvolt PeV (1015 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kBT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K. ve dvou směrech, paralelním a kolmém ke směru magnetických siločar.

MAGION 2

Oproti družici MAGION 1 došlo při vývoji druhé družice k navýšení maximální hmotnosti na 65 kg a ke změně vnějšího tvaru. Družice startovala dne 28. září 1989 společně s družicí Interkosmos 24 na palubě nosné rakety Ciklon-3 v rámci mezinárodního projektu Active (Aktivnyj). Cílem družice bylo zkoumat prostorovou strukturu fyzikálních jevů doprovázejících injekci plazmatu a prozkoumat silné emise elektromagnetického vlnění o velmi nízkých frekvencích do magnetosféry. Na hlavní družici byla proto umístěna aktivní injekční zařízení. Družice MAGION 2 byla vybavena pro

měření magnetických polí, měření fluktuací magnetického pole, měření elektromagnetických vln včetně frekvenční analýzy, měření teploty a hustoty studeného plazmatu, měření radiovým spektrometrem, detekci nabitých částic do 1 MeV.

MAGION 3

MAGION 3 byl stejně jako jeho předchůdci subdružicí větší družice, tentokrát v rámci projektu APEX, který měl za cíl studium polárních září, studium dynamiky modulovaných svazků a plazmoidůPlazmoid – kompaktní plazmový útvar, někdy nazývaný plazmový oblak, zhustek, shluk, cluster. Plazmoid s sebou může unášet tzv. vmrznuté magnetické pole. v plazmatu v blízkosti Země a stanovení charakteristik rádiových emisí, studium elektromagnetických vln v magnetosféře Země a pátrání po solitonových vlnových strukturách. Vědecké vybavení družice MAGION 3 bylo takřka shodné s vybavením družice MAGION 2. Družice MAGION 3 odstartovala dne 18. prosince 1991.

Obr. 3: Replika družice MAGION 5 – stejný tvar měly všechny družice
kromě družice MAGION 1. Zdroj [1].

MAGION 4

Družice MAGION 4 byla spolu s družicí MAGION 5 součástí projektu INTERBALL, který byl postaven na myšlence simultánního měření jevů v magnetosféře ze čtyř družic a byl součástí mnohem většího projektu STEP (Solar Terrestrial Energy Program) zahrnujícího například družice WIND, POLARPOLAR – družice NASA z roku 1996. Polar spolupracovala s obdobnou družicí WIND, která startovala později. POLAR je známa skvělými vizuálními a ultrafialovými snímky aurorálního oválu a polárních září. Jedinečné jsou nahrávky hvizdů – krátkých nízkofrekvenčních elektromagnetických pulsů šířících se podél zemských magnetických silokřivek. Polar se pohybovala na protáhlé polární dráze s oběžnou dobou 18 hodin a apogeem ve vzdálenosti dvou poloměrů Země. Mise byla ukončena v roce 2008., CLUSTERCluster – čtveřice stejných družic pojmenovaných podle latinsko-amerických tanců (Rumba, Salsa, Samba a Tango) vypuštěných v roce 2000 Evropskou kosmickou agenturou. Šlo o druhý pokus, první proběhl v roce 1996 a skončil explozí nosné rakety Ariane. Kolem Země letí ve vzájemné formaci ve vr­cho­lech čtyřstěnu (vzdáleny 5 000 až 20 000 km) a provádějí dosud nejdetailnější prostorová měření parametrů slunečního větru a jeho interakce s mag­ne­to­sfé­rou Země. Cluster poprvé detekoval plazmové vlny v magnetopauze, přepojení magnetických silokřivek, pohyby rázové vlny pod nápory slunečního větru, prolétl polárním kaspem a vytvořil první třírozměrný obraz magnetosféry Země. (viz AB 24/2004) nebo sondu SOHOSOHO – SOlar and Heliospheric Observatory, sonda vypuštěná NASA v roce 1995 se zaměřením na pozorování a výzkum slunečního povrchu, atmosféry, koróny a slunečního větru. Základem observatoře je dalekohled EIT o průměru 12 cm. Hmotnost sondy je 1 875 kilogramů, největší rozměr (bez slunečních panelů) je 4,7 metru. Sonda obíhá kolem libračního bodu L1 a je stále aktivní. (viz AB 23/2004). Cílem byl výzkum slunečního větruSluneční 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 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v cm³. Částice vylétávající podél otevřených siločar mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. Pojmenování sluneční vítr pochází od amerického astronoma Eugena Parkera. a jednotlivých oblastí magnetosféry. Družice MAGION 4 startovala dne 3. srpna 1995 společně s družicí INTERBALL 1 a experimentální vybavení bylo tvořeno těmito přístroji:

KEM-3 pro měření elektrických a magnetických polí, spektrální analyzátor SAS, vlnový analyzátor nízkofrekvenčních vln ULF, třísložkový magnetometr SG-R8, energetický spektrometr elektronů a protonů DOK-S, plazmový spektrometr elektronů a protonů MPS, SPS, rentgenový fotometr RF, plazmový detektor VDP-S, dvousložková Langmuirova sonda LSP.

MAGION 5

Rok po startu družice MAGION 4 startovala družice MAGION 5 společně s ruskou družicí INTERBALL 2. Tyto dvě družice se měly připojit k programu INTERBALL a vytvořit tak výše zmíněný komplex čtyř družic, proto se ani přístrojové vybavení od družice MAGION 4 nijak výrazně nelišilo. Jediné dvě změny byly: analyzátor chladného plazmatu namísto Langmuirovy sondy a kamera pro snímkování noční strany Země místo rentgenového fotometru.

MAGION 5 odstartoval dne 28. srpna 1996, avšak na oběžné dráze se objevily první problémy. Nejprve byl problém rozpoznat, zda došlo k odpojení od hlavní družice. Poté se navíc nepodařilo odklopit všechny sluneční panely. Nakonec se podařilo ověřit odpojení od mateřské družice, ale vlivem závady v energetickém okruhu pokleslo napájení pod úroveň nutnou pro povelovou komunikaci a družice se odmlčela. Nicméně pracovníci Ústavu fyziky atmosféry AV ČR dál vysílali povely tak, aby v případě že by porucha odezněla, mohla družice nastartovat provoz. V květnu 1998 se tak opravdu stalo a družice začala odpovídat na vysílané povely. Nejpravděpodobnějším vysvětlením je, že v napájecím okruhu vznikl zkrat nějakou mechanickou deformací, který poté odezněl (například změnou teplot). Každopádně družice MAGION 5 postupně přešla do řádného provozu a svůj provoz ukončila v roce 2001.

Měření družice MAGION 4 v polárních kaspech

I když družice MAGION naměřily mnoho dat týkajících se elektromagnetických polí kolem Země, podíváme se podrobněji pouze na výsledky měření polárních kaspůPolární kasp – trychtýřovitá oblast v blízkosti magnetických pólů planety, kterou pronikají jako obrovským vírem nabité částice do atmosféry. Název pochází z anglického „cusp“ (roh, cíp). družicí MAGION 4. Společně s hlavní družicí měřila magnetické pole kaspů ve vysokých výškách a tok plazmatu v kaspech. Mezi zajímavé výsledky měření patří například prostudování konfigurací napojení silokřivek magnetického pole Země na meziplanetární magnetické pole, které jsou odlišné v závislosti na orientaci meziplanetárního magnetického pole. Družice také detekovaly výskyt vírů magnetického pole v oblasti hranic kaspů (viz Obr. 4) nebo oblast s hustým stacionárním plazmatem na hranici kaspu (viz Obr. 6).

Obr. 4: Schéma napojení silokřivek magnetického pole Země na meziplanetární magnetické pole při souhlasné orientaci silokřivek. Na levém obrázku je standardní konfigurace, na pravém je znázorněno magnetické pole s vírem detekované družicemi MAGION 4 a INTERBALL1. Černé šipky znázorňují dráhu letu družice a bílé tok plazmatu. Zdroj [2].

Obr. 5: Naměřené změny magnetického pole (ve složkách i celkového)
při průletu vírem magnetického pole (v závislosti na čase). Zdroj [2].

Obr. 6: Napojení silokřivek magnetického pole při opačné orientaci meziplanetárního magnetického pole. Vlevo je znázorněna standardní situace. Vpravo je situace, při které bylo detekováno stacionární plazma. Opět černé šipky znázorňují dráhu letu družice a bílé šipky tok plazmatu. Zdroj [2].

Závěr

I přes rozsáhlý výzkum polárních kaspů, který je prováděn po dobu 40 let (a to nejenom družicemi MAGION), se jedná stále o oblasti, ve kterých není vzájemná interakce slunečního větru, meziplanetárního a zemského pole zcela známa. Družice MAGION prováděly samozřejmě i další měření a jiný výzkum, který přesahuje rozsah tohoto bulletinu. Kompletní popsání problematiky družic MAGION by vydalo na celou knihu. Cílem tohoto bulletinu bylo informovat čtenáře o existenci československých a následně českých družic, které významnou měrou přispěly k poznání naší magnetosféry a ionosféry.

Odkazy