Új korszak az űrfizikában
(Rovat: Űridőjárás, Új eszközök és anyagok , Kis űreszközök nagy szerepe - 2022.10.11 09:15.)

A földi magnetoszféra észlelése lágy röntgentartományban.

A Napból kiáramló napszélben, azaz ebben a nagy sebességű, szuper-alfvénikus és szuperszonikus (azaz a közegben terjedő mágneses és hanghullámok terjedési sebességénél gyorsabb) plazmaáramban az áramlás irányával szemben nem terjedhet az információ. Emiatt a napszélbe fagyott mágneses tér lassulás nélkül kellene, hogy a földi mágneses térbe ütközzön. Ezt megelőzendő alakul ki az a jelenség, amelyet lökéshullámnak nevezünk (1. ábra). Ez a „felület” folyamatosan és gyorsan változtatja a helyét és formáját a napszél paramétereitől (elsősorban a nyomásától) függően. Egy-egy pontban ennek az igen dinamikus és változatos tartománynak a viselkedése nagyban függ attól, hogy a lökéshullám milyen szöget zár be a bolygóközi mágneses térrel. A rajta áthaladó napszél iránya eltérül, ugrásszerűen lelassul, felmelegszik, a sűrűsége és a mágneses tere megnő, továbbá sokkal turbulensebbé válik. A lelassult és eltérült plazmaáram körbefolyja a Föld magnetoszféráját, azaz azt a régiót, amelyben a földi mágneses tér dominál. A lelassult napszelet a magnetoszférától egy nyomásegyensúlyi réteg, a magnetopauza választja el (1. ábra). Ennek a „felületnek” a helyzete is folyamatosan változik a napszél kinetikus és a földi mágneses tér mágneses nyomásának függvényében. A napszél anyaga és energiája ezen az elválasztó rétegen keresztül jut be a földi magnetoszférába, mégpedig három ismert módon: folyamatosan a sarki kürtőkön keresztül (sarki fény), a napszélbe fagyott, azaz azzal együtt mozgó bolygóközi mágneses tér megfelelő iránya esetén a magnetopauza nappali oldalán történő mágneses átcsatolódás (rekonnexió) lévén, illetve a magnetopauzán kialakult Kelvin–Helmholtz-örvények belsejében végbemenő átcsatolódással.

1. ábra: A napszél (solar wind) mágneses tere a Föld mágneses terébe ütközve eltérül. A létrejövő lökéshullámom (bow shock wave) áthaladva lelassul, felhevül, sűrűsége és a belefagyott mágneses tér nagysága megnő. Ezt a Föld mágneses terét (a magnetoszférát / magnetosphere) körbeáramló tartományt mágneses buroknak (magnetosheath) nevezzük. A mágnes burkot és a magnetoszférát a magnetopauza (magnetopause) választja el egymástól. A magnetoszféra legbelső, a Föld mágneses terével együtt forgó tartományát plazmaszférának nevezzük. (Kép: Encyclopaedia Britannica, Inc., módosítva)

A lökéshullám és a magnetopauza közötti réteget mágnesburoknak nevezzük a magyar szaknyelvben (1. ábra). A lökéshullám a Föld előtt, a nappali oldalon olyan 15 földsugárnyira, a magnetopauza pedig 10 földsugárnyira található (nagyobb napszélnyomás vissza tudja nyomni a magnetpauzát 6 földsugár, azaz a geostacionárius pálya alá). Az éjszakai oldalon mindkettő messze túlnyúlik a Hold pályáján (60 földsugár), amelynek jelentős része a földi magnetoszférában és a mágneses burokban található. A STEREO és a Galileo szondák képesek voltak több száz földsugárra a Földtől, annak a Naptól ellentétes oldalán is észlelni a gyenge lökéshullámot.

2. ábra: Az IMAGE műhold észlelte a sarki fény oválist távoli ibolyántúli tartományban a Föld északi féltekéjén. (Kép: IMAGE / NASA / GSFC)

A lökéshullám és magnetopauza helyzete döntő fontosságú az űrplazma fizikai méréseinek értelmezése szempontjából. A lökéshullám előtti tartomány (foreshock) pedig nagy energiájú gyorsítási folyamatok, illetve nagyon változatos plazmafizikai jelenségek színtere. A magnetopauzán történő energia- és anyagáthaladás megértése pedig döntő fontosságú a távközlési, meteorológia és navigációs műholdak biztonsága, illetve a rádiókommunikációt és a műholdas helyzetmeghatározás pontosságát befolyásoló 100–120 km magasan lévő felső légköri, részben töltéseit vesztett atomokból és molekulákból álló réteg, az ionoszféra állapota szempontjából. Ezeket a vizsgálatokat sokáig csakis a műholdak mágneses teret, plazmasebességet, hőmérsékletet és sűrűséget mérő műszereivel lehetett elvégezni. A határfelületek helyzetét pedig nagyon sokféle űrszonda, hatalmas mennyiségű lökéshullám és magnetopauza keresztezésén alapuló statisztikákkal lehetett megbecsülni, hiszen ezek a felületek nem voltak láthatóak, csak műszerekkel észlelhetőek. Ezt változtatta meg a kalandos életű, 2000. március 25-én elnyúlt poláris pályára felbocsátott, 2005 decemberében elvesztett, majd 2018 augusztusában újra megtalált Imager for Magnetopause-to-Aurora Global Exploration (IMAGE, vagy Explorer-78, vagy MIDEX-1) NASA műhold. Az űreszköz az emberi szem számára nem látható ibolyántúli tartományban készített felvételeket a sarki fényről és a Föld mágneses terével együtt forgó tartományról, a plazmaszféráról (2. ábra). Ezeket a folyamatokat az ún. töltéscsere jelensége (3. ábra) teszi láthatóvá távoli ibolyántúli és a lágy röntgentartományban.

3. ábra: A töltéscsere folyamatának vázlata. A napszélben található hétszeresen ionizált, azaz hét elektronját elvesztett oxigén atom (azaz oxigén ion) kölcsönhat a Földi exoszféra semleges hidrogénatomjával. A hidrogén atom ionizálódik, elveszti az egyetlen elektronját, az oxigén ion pedig csak hatszorosan ionizált, energiafelesleggel rendelkező (gerjesztett) ion lesz. Az energiafeleslegtől pedig egy lágy röntgentartományba eső foton kisbocsátásával szabadul meg. (Kép: Boston University)

A földi légkör legritkább tartománya, az exoszféra kb. 500 km magasan kezdődik és nagyjából 10 000 km magasságig tart, illetve addig, ameddig a Föld tömegvonzása csapdába ejti a részecskéket. Más szóval, a földi légkör eme rendkívül ritka és főleg semleges atomokat és molekulákat tartalmazó tartománya átfedésben van a plazmaszférával, a mágneses burokkal, sőt a földi lökéshullámmal is. A napszél sok több elektronját elvesztett nehéz atomot (azaz iont) tartalmaz, pl. hétszeresen ionizált oxigén ionokat, amelyek kölcsönhathatnak a Földi exoszféra semleges hidrogénatomjaival. A hidrogén atom ionizálódik, elveszti az egyetlen elektronját, az oxigén ion pedig csak hatszorosan ionizált, energiafelesleggel rendelkező (azaz gerjesztett) ion lesz. Az energiafeleslegtől pedig egy lágy röntgentartományba eső foton kibocsátásával szabadul meg a gerjesztett ion (3. ábra). Hasonló folyamatok zajlanak le hatszorosan ionizált szén, nyolcszorosan ionizált oxigén, kilencszeresen ionizált neon, tizenegyszeresen ionizált magnézium, továbbá tizenháromszorosan és tizennégyszeresen ionizált szilícium ionok részvételével, amelyek mind lágy röntgensugárzással szabadulnak meg az energiafeleslegüktől.

4. ábra: Lágy röntgen képek egy olyan esemény során, amikor a napszél nyomása megnövekszik. Fent: napszél (VSW)/bolygóközi mágneses tér (Bz) viszonyok a szimuláció ideje alatt. Lent: számított lágy röntgen képek, a felső ábrán található függőleges vörös vonalak időpontjaiban. A fekete görbe a magnetopauza, a fehér görbe a lökéshullám helyzetét mutatja a szimulációból számolva. A vízszintes és függőleges tengelyek az ábrán azimutot és magasságot jelentenek. (Connor és mts., 2021 cikke nyomán)

A lágy röntgentartományban tehát a Föld lökéshullámát, a mágneses burkot, a magnetopauzát és a plazmaszférát valós időben meg lehet figyelni. Ez hatalmas előrelépés a korábbi módszerekhez képest, még ha a felvételek felbontása messze el is marad az optikai távcsövekétől. Meg lehet állapítani a kritikus felületek helyzetét és alakját. Megfigyelhető, hogy a magnetoszféra alakja hogyan változik egy jelentősebb napszélnyomás-növekedés során (4. ábra), vagy megfigyelhető a mágneses átcsatolódás jelensége, vagy a Kelvin–Helmholtz-örvények a magnetopauzában. Emiatt több műholdat is építettek, vagy terveztek építeni a magnetoszféra megfigyelésére, amelyeket felszereltek széles látószögű lágy röntgentartoműnyban érzékeny távcsővel. Már pályára állt a Cusp Plasma Imaging Detector (CuPID), amelyet a Bostoni Egyetem vezetésével fejlesztettek és egy hat egységes (6U) CubeSat. Ugyancsak a Bostoni Egyetem vezetésével fejlesztik a Lunar Environment Heliospheric X-ray Imagert (LEXI). Ez a röntgentávcső a Hold felszínéről fogja megfigyelni földi magnetoszférát. A University College London Mullard Space Science Laboratory és NSSC State Key Laboratory of Space Weather fejleszti közösen a Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer (SMILE) műholdat. Nagyon komoly szimulációs és küldetés-előkészítő tevékenységet folytatnak, amelybe beletartoznak a különféle számítógépes szimulációk is. A NASA Goddard Space Flight Centerben kezdték el a Sheath Transport Observer for the Redistribution of Mass (STORM) műhold fejlesztését. Ez végül nem fog repülni, de látható, hogy elég sokan szeretnének ezzel a forradalmian új módszerrel valós idejű információkat gyűjteni bolygók közvetlen kozmikus környezetéről.

Facskó Gábor
tudományos főmunkatárs
Wigner Fizikai Kutatóközpont, Űrfizikai és Űrtechnikai Osztály
Milton Friedman Egyetem, Informatika Tanszék