| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
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 - 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·d ; 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 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).
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.
Družice
Wind. Dlouhá oboustranná konstrukce jsou ramena magnetometrů,
vidět je také několik antén pro detekci různých typů vln.
| Přístroje družice WIND |
|---|
|
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 |
Nalevo: družice Magion 5. Napravo: Družice Magion na československé známce.
| Přístroje družice MAGION 5 |
|---|
|
Odkazy
