Nagyenergiájú részecskék vizsgálata a plazmaszférában

Egy napkitörés hatását mutatjuk be, ahogyan azt egy Föld körül keringő műhold és egy magyarországi földi geomágneses obszervatórium regisztrálta.

Korábbi cikkünkben már említettük, hogy technikai civilizációnk mennyire kitett az űridőjárási hatásoknak. Ide tartozik a műholdak és földi energiaellátó hálózatok biztonsága, a rádiós kommunikáció és a GPS-alkalmazások zavartalansága.

2005. január 16. és 20. között napkitörések sorozata történt. Január 20-án az eddig észlelt legnagyobb protonfluxusú kilökődés következett be, amely 15 perc alatt érte el a Földet (a fénynek 8 percre van szüksége ugyanennek a távolságnak a befutásához). A francia DEMETER (Detection of Electro-Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions) műhold (1. ábra) 2004 júniusa óta, közel napszinkron, poláris, 730 km magasságú körpályán kering bolygónk körül. Ez a pálya alkalmassá teszi a mesterséges égitestet a sugárzási övezetekből a Föld felszíne felé érkező elektronok és protonok detektálására.

1. ábra: A 2004 júniusában felbocsátott DEMETER műhold. (Fantáziakép: CNRS Orleans)

A fedélzeti műszerek között szerepel egy részecskedetektor is, amely az elektronfluxust széles energiatartományban (70 keV – 2,5 MeV) képes detektálni. Az auróra-övezetekben – vagyis az északi és déli pólusok közelében – a mágneses erővonalak mentén olyan nagy számú részecske érkezik a légkör felé, hogy a túltelítődés elkerülése érdekében, 65° mágneses szélességeken túl a műszer biztonsági okokból nem mér.

Fontos megemlítenünk, hogy a földi mágneses tér a felszín közelében sem hasonlít az iskolai rúdmágnes úgynevezett dipól-teréhez. Bolygónk mágneses tengelyének a forgástengelyhez viszonyított elfordulása (kb. 11°) és eltolódása (kb. 500 km) miatt a mágneses tér a Földhöz viszonyítva nem szimmetrikus. A Dél-Amerika és Dél-Afrika közötti térségben a belső sugárzási öv (a világűrből érkező és a földi mágneses tér által befogva tartott nagyenergiájú töltött részecskék övezete) a felszín feletti 200 km magasságig nyúlik le. Ezt a térséget elhelyezkedése után dél-atlanti anomáliának (DAA) nevezték el. A DEMETER műhold pályája 700 kilométer magasan húzódik, ezért az anomália felett belép a belső sugárzási övbe, amit a műszer által regisztrált megnövekedett fluxus is jelez.

Hogy érzékeltetni tudjuk a napkitörések hatására megváltozott fluxus nagyságát, ahhoz azt egy nyugodtnak tekinthető, azonos hosszúságú időintervallummal érdemes összehasonlítani. Jelen esetben a 2005. január 24. és 28. közötti időszakot választottuk referencia-intervallumnak

2. ábra: Nyugodt időszakban a relativisztikus energiájú (0,97 - 2,3 MeV) részecskék fluxusa. Jól látszik a dél-atlanti anomália.

3. ábra: Aktív időszakban a relativisztikus energiájú (0,97 - 2,3 MeV) részecskék fluxusa. A dél-atlanti anomália területén kívül az északi- és déli-sarki sapka határán is detektálhatóak nagy energiával rendelkező részecskék.

A 2. és 3. ábra a nagyenergiájú részecskék (0,97 MeV - 2,3 MeV) fluxusát mutatja a DEMETER műhold mérései alapján. Jól látható a két időszak közti különbség. A január 16. és 20. közötti aktív időszakban a sugárzási övek kiürülése a légkör felé jóval nagyobb területen volt érzékelhető, mint a január 24-28. közötti kontrollidőszakban. Látható az is, hogy a napkitörés hatására a dél-atlanti térségen kívül az északi és a déli auróra-övezetek határán is megjelentek a relativisztikus energiával rendelkező töltött részecskék. Ezek az elektronok és protonok sok fejtörést okoznak a műholdak üzemeltetőinek, ugyanis ha egy ilyen részecske rosszkor és rossz helyen találja el egy mesterséges égitest elektronikáját, abban akár komoly kárt is okozhat.

A fenti ábrák két szempontból is tanulságosak. Megmutatják egyrészt, hogy a dél-atlanti anomália felett nyugodtnak tekinthető időszakban is jelen vannak a nagy energiával rendelkező részecskék. Másrészt valószínű, hogy aktív időszakban a sarki övezetek határán megjelenő nagyenergiájú részecskékből sok a légkört is eléri. Az Európa és Észak-Amerika között közlekedő légi járatok útvonalai a sarki övezetek felett, nagy magasságban (10 km) vezetnek, így a repülőgépeken tartózkodó utasok és személyzet sugárterhelése ebben az időszakban megnő.

A földi magnetoszférát különböző frekvenciájú hullámok járják át. A hosszú periódusidejű (T≥10 s), ezért alacsony frekvenciájú (f≤0,1 Hz), úgynevezett ULF (Ultra Low Frequency) hullámok fontos szerepet töltenek be a sugárzási övezetekben az elektronok gyorsításában. Az ULF-hullámokat és változásaikat mérni lehet a Föld felszínén. Ilyen jellegű regisztrálást végez Magyarországon az Eötvös Loránd Geofizikai Intézet (ELGI) a Tihanyi Geofizikai Obszervatóriumában (4. ábra), valamint Nagycenken az MTA Geodéziai és Geofizikai Kutatóintézet, a Széchenyi István Geofizikai Obszervatóriumában. A geomágneses obszervatóriumok regisztrátumaiból következtetni lehet a magnetoszférában lezajló változásokra.

4. ábra: Az Eötvös Loránd Geofizikai Intézet Tihanyi Geofizikai Obszervatóriuma. (Kép: ELGI)

Példaként vizsgáljuk meg a DEMETER műhold által 700 km magasságban regisztrált részecskefluxus és a mágneses térben terjedő, felszínen észlelt ULF- hllámok időbeli korrelációját az aktív időszak alatt.

5. ábra: A relativisztikus energiával rendelkező részecskék fluxusának változása (piros csillagok) a dél-atlanti anomália felett, és a Tihanyban regisztrált ULF hullámok (folytonos zöld vonal) aktivitásának változása 2005. január 16. és 20. között.

Adott földrajzi helyen az ULF hullámok a Föld forgásából eredő, természetes napi változással rendelkeznek, amit jelen esetben a mágneses vihar jelentősen módosított. Az 5. ábrán jól látszik, ahogyan az ULF hullámok megnövekedett aktivitása (folytonos vonal) következtében a földfelszín felé kiszóródó részecskék fluxusa (csillag) is növekszik. Az ULF hullámok felszíni vizsgálata tehát lehetőséget teremt, hogy monitorozzuk, esetleg előjelezzük a Föld körül keringő műholdakat körülvevő sugárzási környezet változásait.

Azok a nagyenergiájú elektronok és ionok, amelyeket a műhold detektora észlelt, egyéb – a mindennapi életünk szempontjából nélkülözhetetlen – műholdak elektromos rendszereibe is be tudnak hatolni és ott olyan kárt okozni, ami a műhold meghibásodásához, vagy akár teljes elvesztéséhez is vezethet. Ezen példa is mutatja, hogy a XXI. század elején mennyire fontos az űridőjárási események minél pontosabb ismerete. Különösen most, amikor a Nap aktivitása újra növekszik, és ezáltal gyakoribbá válnak a napkitörések is. Az ismeretszerzés egyik módszere a műholdas és földi adatok együttes értelmezése. A cél pedig olyan modell létrehozása, amely alkalmas az űridőjárási események előrejelzésére – vagyis hogy mikor, hol és melyik műholdat érdemes „takaréklángon” működtetni, amíg a „vihar” elvonul.

Vadász Gergely
Eötvös Loránd Geofizikai Intézet

Kapcsolódó cikkek:
Megkeserítheti életünket az éledező napaktivitás

Kapcsolódó linkek:
Eötvös Loránd Geofizikai Intézet