Kozmické počasie a energetické častice v kozme

Deň otvorených dverí, Košice 26.11.2008

Ústav experimentálnej fyziky SAV KošiceOddelenie kozmickej fyziky

Karel Kudela kkudela@kosice.upjs.sk

• Čo je kozmické počasie (KP) a prečo je to zaujímavé?

• Aké sú vzťahy KP a kozmických častíc ?

• prečo „v Košiciach a na ÚEF SAV“ ?

1. Čo je to ?

Pojmom „kozmické počasie“ sa označujú podmienky na Slnku, v medziplanetárnom priestore (v slnečnom vetre), v magnetosfére, ionosfére a termosfére Zeme, ktoré môžu ovplyvniť funkčnosť a spoľahlivosť kozmických, leteckých a pozmených technologických systémov a môžu negatívne vplývať na zdravie a život ľudí. [US definícia, 1995].

Kozmické počasie je fyzikálny a fenomenologický stav kozmického prostredia. Prostredníctvom pozorovania, monitoringu, analýzy a modelovania je s tým spojená disciplína zameraná na

1) Pochopenie a predikciu stavu Slnka, medziplanetárneho a planetárneho prostredia, a porúch vyvolaných alebo nevyvolaných slnečnými poruchami, ktoré tento stav ovplyvňujú

2) Predpovedanie (na rôznych časových škálach - forecasting and nowcasting) možných účinkov na biologické a technologické systémy [COST 724 – 28 európskych krajín, 2007]

Efekty kozmického počasia inicializované Slnkom

• slnečné erupcie (103 s, ~1025 J, plazma, vysokoenergetické častice, elektromagnetické emisie)

• monitorovanie CME koronografom na SOHO, X na GOES

• produkcia nabitých častíc vysokej energie EUV, X ovplyvňuje zemskú ionosféru a termosféru

• Inicializácia geomagnetických búrok

Geomagnetické búrky

• Jeden z najsilnějších prejavov zmien vonkajších fyzikálnych podmienok v blízkom kozme

• CME (coronal mass emissions) – z povrchu Slnka výron 1012-1013 kg látky (plazma)

• Stláčanie plazmy slnečného vetra (SV), rázové vlny• Niektoré z procesov sú geoefektívne (podľa orientácie B) –

geomagnetické poruchy• Zmeny podmienok dynama – vznik el. potenciálov a prúdových

systémov v magnetosfére a ionosfére• Vstupný výkon ze SV 1012 – 1013 W

Porovnanie informácií o účinkoch silných geomagnetických búrok na začiatku

a na konci minulého storočia

Podobné búrky v r. 1903 a 1989

Dst < -300 nT

2. Prečo zaujímavé ?

3. Prečo radiácia a kozmické počasie?Energetické kozmické častice (včítane KŽ) môžu spôsobovať tzv. efekty SEU (single event upsets), radiačné poškodenia, degradáciu materiálu, a náboj elementov kozmických systémov. Pri vyšších energiách, osobitne tých, ktoré dosahuje kozmické žiarenie, môže byť ovplyvnená elektronika na lietadlách.

Funkčnosť vf rádiových komunikačných systémov je spojená s charakteristikami zemskej ionosféry, so slnečnými emisiami častíc a s geomagnetickými javmi. Geomagnetické búrky môžu ovplyvniť pozemné technologické systémy, plynovody, ropovody, telekomunikačné kábely, a železničné systémy kvôli geomagneticky indukovaným prúdom.

Radiácia (aj KŽ) je limitujúcim faktorom pre medziplanetárne misie.

Populácie energetických častíc v kozme:

A. Urýchlené za magnetosférou Zeme

B. Magnetosferické častice

Kozmické žiarenie.

Intenzita KŽ „nízkych energií“ antikoreluje so slnečnou aktivitou

V niektorých prípadoch sú urýchlené častice do energií niekoľko GeV, GLE – pozorované aj na zemskom povrchu, napr. na L. Štíte.

GLE č. 1 a č. 70 pozorovaný na Lomnickom štíte

Typický časový priebeh erupcie (v rádiových vlnách)

Rentgen od Slnka počas extrémnej slnečnej erupcie a v pokojnom období

Erupcie uvoľňujú energiu vo forme plazmy, elmg žiarenia a urýchlených korpuskulárnych častíc

http://www.windows.ucar.edu/tour/link=/earth/images/earth_magneto_image.html

Zem s magnetickým poľom sa nachádza v prúde plazmy slnečného vetra (SV). Pretože v > va, vzniká na prednej strane rázová vlna (bow shock BS). Na magnetopauze (MP)je vyrovnaný tlak slnečného vetra s tlakom geomag. poľa. Medzi BS a MP je turbulentná tzv. prechodová oblasť.Niektoré častice SV môžu do magnetosféry preniknúť. Tie, ktoré prichádzajú cez nočnú stranu (chvost) spôsobujú napr. polárne žiary.

SV vynáša magnetické pole Slnka. Siločiary IMF sú „vmrazené“ v SV.

Zemská magnetosféra je „bohatá“ na častice nižších energií. Ich toky sú variabilné – merania iba na družiciach.

Nízke energie – cyklické pohyby častíc .

Ak možno odlišiť 3 cyklické pohyby – opis pomocou 3 nezávislých adiabatických invariantov pohybu (pohyb vodiaceho stredu) prevzaté (http://users.aber.ac.uk/mng/magnetospheres/magnetosphere3.ppt)

Zachytené častice

–

radiačné pásy Zeme

Pre vyššie energie treba počítať trajektóriu častíc v model. poli B.

Rôzne pre rôzne modely, epochy, stanice KŽ.

Môže KŽ pomôcť pri testovaní modelov magnetického poľa, hlavne v prípade búrok?

Asymptotic directions for Lomnický Štít before the disturbance (upper panels, Nov. 20, 2003, 02 UT) and at minimum Dst (lower panels, 19 UT) for Ts89+Dst (left) and Ts04 (right).

2. Asymptotics.

Radiačné poškodenia družícRadiačné poškodenia družíc

Rýchlosť poklesu výkonu slnečných panelov bola najvyššia na Magion-5 (aurorálny Interball), nižšia na Magion-4 (chvostový Interball) a najnižšia na nízkej orbite Magion-2, ktorá do radiačných pásov zasahovala málo. Pravý panel: degradácia slnečných panelov od mája 1998 do júla 2002 na Magion-5. Vačšina rýchlych krátkodobých poklesov je spojená so zvýšeným tokom energetických elektrónov alebo s prípadmi slnečných erupcií s protónmi vysokých energií. (Tříska et al, 2007)

Nebezpečné sú elektróny vysokých energií

Niektoré družicové výpadky sú spôsobené pravdepodobne relativistickými elektrónmi.

V tomto období s poruchami družicových systémov bol detegovaný silný nárast toku elektrónov vysokých energií, kým nárast toku protónov nebol výrazný

(Baker et al, 1998)

Niektoré slnečné erupcie dávajú silne anizotrópne toky na zemskom povrchu a na lietadlách. Desorgher et al (2007), výpočty PLANETOCOSMICS http://cosray.unibe.ch/~laurent/planetocosmics/ U. of Bern . Využité aj meranie NM na Lomnickom Štíte.

Kozmické žiarenie môže slúžiť ako jeden z faktorov predpovedia. Geomagnetických búrokb. Radiačných búrok

Niekoľko hodín pred magnetickou búrkou sa mení anizotrópia KŽ

4. Prečo Košice

(vzťahy kozmického žiarenia a kozmického počasia).

Od pozemních měření kosmického záření k měřením na družicích

Měření kosmického záření v Tatrách se datuje od r. 1958. Příspěvek československých fyziků k IGY (International Geophysical Year).

Dnes pracuje na Lomnickém štítě neutronový monitor spojitě měřící kosmické záření s vysokou statistickou přesností (1.6. 106 /hod).

Měření v reálném čase jsou dostupná na http://neutronmonitor.ta3.sk .

Začátek 70. let 20. stol. – možnost měření na družicích (i nižší energie). Prof. J. Dubinský – ředitel ÚEF SAV.

3. červen 1982 – první měření odezvy od slunečních neutronů (ze sluneční erupce) na zemském povrchu – Jungfraujoch a Lomnický štít.

Předtím – začátky – měření na balónech, spolupráce s pražskými pracovišti

Technologický přístroj – předchůdce přístroje na IK-17.

Bull. Astron. Inst. Czech., 1977

Aparát s označením SK-1. První přístroj, jehož část byla vyvinuta v Košicích a který měřil v kosmu neutrony a gama záření na nízké polární orbitě (IK-17). Detekční číst byla vyvinuta v Leningradě.

Elektronická část vyvinuta v ÚEF SAV a na EF VŠT Košice.

Družice vypuštěna v září 1977.

I když sluneční neutrony nebyly detekovány, byl upřesněn tvar šířkové závislosti toku neutronů a záření gama zemského albeda.

K problematice vysokoenergetických slunečních neutrálních emisí na družicích se OKF (oddělení kosmické fyziky ÚEF SAV) vrátilo v r. 1994 (CORONAS-I) a v r. 2001 (CORONAS-F). Spolupráce s MSU Moskva. Přistroj SONG.

Podrobná mapa toku gama záření na výšce 500 km (dr. R. Bučík, PhD práce, Košice 2004) podle CORONAS-I

V době extrémní sluneční erupce 28.10.2003 byly na CORONAS-F zaznamenány toky gama záření vysokých energií

Na návratné družici IK-6 (1972) byly umístěny emulze, v nichž se pozorovaly jaderné interakce kosmického záření při velmi vysokých energiích.

Pokračování v experimentech na ISS, též při misi slovenského kosmonauta v únoru 1999. Práce vedl dr. Ladislav Just, CSc. († 7.3.2004)

Nabité částice středních energií.

Začátky:

spolupráce s MFF UK Praha, s pracovišti ČSAV v Praze a Ondřejově, aparatury vyvinuty na MFF UK.

Dynamika částic zachycených v radiačních pásech Země

IK-3 (1970, 206 x 1315 km, 48.4o)

IK-5 (1971, 196 x 1202 km, 48.6o)

IK-13 (1975, 278 x 1681 km, 83.5o)

Aparatura PG vyvinutá na MFF UK pro IK-13

Orientace OKF na oblast „středních“ energií (od ~20 keV do ~ 2 MeV) se ukázala vhodná pro relativně jednoduché aparatury monitorovacího typu.

Tato oblast energií je (byla) zajímavá pro celou řadu experimentů zaměřených na studium procesů v magnetosféře Země, v blízkosti jejich hraničních oblastí i v meziplanetárním prostoru.

Umožnila účast OKF v řadě kosmických misí.

DOK-T na Prognoz-8, r. 1981, vysokoapogeová orbita, využití stínu pro snížení šumu detektoru a předzesilovače.

Spektrometr energetických částic DOK-1 na Prognoz-10 (Interšok), 1985

Spektrometr elektronů a protonů středních energií na družici Active (téměř polární dráha 500 x 2500 km, 1988).

Zjednodušené varianty monitorů s označením DOK-S měřily i na subdružicích Geofyzikálního ústavu ČSAV Magion-2, Magion-3 (subdužice k Apexu) a později i na Magionu 4 a 5 k družicím Interball-1 a 2.

Velké množství podrobných měření poskytly částicové aparatury DOK-2 na družicích Interball-1 a 2 (1995-2000). Spolupráce s IKI Moskva a Univerzitou Xanthi, Řecko.

Na vývoji tohoto a dalších experimentů této serie se podílel ing. J. Rojko, CSc s kolegy.

Získaná data a zájem o ně pomohl při navázání širších mezinárodních vědeckých kontaktů po r. 1990.

Podrobné spektrum umožnilo pozorovat disperzní jevy energetických iontů ve vnější magnetosféře na odpolední straně přístrojem DOK-2 na Interballu-2. Hodnoty jsou J(E)*E3, kde J(E) je diferenciální intenzita částic v jednotkách (#/cm2.s.ster.keV) a E je kinetická energie v keV.

Na analýze dat se podílí hlavnědr. Marián Slivka, CSc.

Tyto jevy ukazují na injekci částic na noční straně magnetosféry a z tvaru křivek a modelu magnetického pole lze odhadnout dobu a místo injekce.

Detekce energetických neutrálních atomů na evropsko-čínské družici Double Star TC2 prováděna přístrojem NUADU (PI Prof. S. McKenna-Lawlor,Irsko), který byl z podstatné části vyvinut na ÚEF SAV v Košicích.

Přístroj provádí 3D „dálkový průzkum“ toku energetických částic při jejich nábojové výměně v geokoróně.

Intenzita energetických neutrálních atomů pozorovaná přístrojem NUADU v době geomagnetické bouře 8. listopadu 2004.

Na vývoji přístroje na OKF se podílel hlavně ing.Ján Baláž, PhD.

Na stránce

http://space.saske.sk

je uvedeno více o aktivitách skupiny kosmické fyziky na ÚEF SAV v Košicích.

Poděkování.

Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. APVV-51-053805.

Na vývoji přístrojů a na analýze získaných měření se podíleli a podílejí pracovníci oddělení kosmické fyziky ÚEF SAV v Košicích. Někteří z nich jsou v této krátké prezentaci uvedeni. Autor děkuje i všem ostatním, kteří se o rozvoj kosmické fyziky na ÚEF SAV zasloužili.