2010.03.15. - Műholdgyilkos elektronok előrejelzése

Kínai kutatók vezetésével rámutattak arra, hogy milyen mechanizmus lehet felelős a világűrben keringő műholdakra és az ott dolgozó űrhajósokra potenciális veszélyt jelentő nagyenergiájú elektronok gyorsításáért.

A Föld magnetoszférája folyamatosan fogja be a Napból érkező töltött részecskéket. A különböző energiájú befogott részecskék alkotják az ún. sugárzási zónákat, más néven van Allen-öveket. Ezek közül a külsőben, ami a felszín feletti 12 ezer kilométeres távolságtól 64 ezer kilométerig terjed, esnek csapdába a nagyenergiájú elektronok. Napviharok alkalmával ezek száma a normál érték tízszeresét is elérheti és emiatt egy részük ki is szabadulhat a mágneses csapdából, nagy fenyegetést jelentve a Föld körül keringő űreszközökre. Energiájuk ugyanis elég nagy ahhoz, hogy áthatoljanak a műholdak védőpajzsain és mikroszkópikus elektromos kisüléseket okozzanak azok berendezéseiben. Ha egy ilyen esemény a műhold működése, vezérlése szempontjából kulcsfontosságú egységben történik, az könnyen az űreszköz sérülésével, esetleg teljes működésképtelenségével járhat. Ezért is illetik ezeket a nagyenergiájú elektronokat a "gyilkos" jelzővel.

Bolygónkat egy mágneses pajzs, a magnetoszféra védi a Napból érkező nagyenergiájú részecskék áramától.
[NASA]

2004. november 7-én a Nap egy nagy plazmafelhőt (CME, Coronal Mass Ejection, koronakitörés) lövellt ki éppen a Föld irányába. Ezen jelenség oka a Nap mágneses terében fellépő instabilitás. A koronát nagy sebességgel elhagyó, s mágneses teret magával ragadó anyag egy lökéshullámot generál maga előtt. Amikor 2004 novemberében ennek a lökéshullámnak a frontja elérte a napkutató SOHO mesterséges holdat, a napszél (a Napból folyamatosan kiáramló részecskék) sebessége hirtelen 500 km/s-ról 700 km/s-ra ugrott. Nemsokkal ezután a lökéshullám elérte a földi magnetoszférát is. A kettő kölcsönhatásának eredményeként egy 1200 km/s sebességgel haladó újabb lökésfront keletkezett körülbelül 36 ezer kilométeres magasságban. Az ESA elnyúlt (19 ezer km - 119 ezer km) ellipszispályán keringő Cluster műholdjain működő RAPID (Research with Adaptive Particle Imaging Detectors) műszerek mérései szerint ugyanekkor a nagyenergiájú elektronok száma is növekedésnek indult a külső sugárzási övben.

Fantáziarajz az ESA négy Cluster műholdjáról, melyek háromdimenzióban térképezik a Föld magnetoszféráját, illetve annak a napszéllel történő kölcsönhatási folyamatait.
[ESA]

A gyilkos elektronok eredetének kérdése az űridőjárással foglalkozó kutatók számára központi probléma. A Cluster műholdak és más űrmissziók által korábban gyűjtött adatok alapján a szakemberek két folyamatot vázoltak fel, melyek alkalmasak lehetnek ez elektronok felgyorsítására. Az egyik a 3 és 30 kHz közötti frekvenciájú ún. VLF (Very Low Frequency) hullámokkal, a másik pedig az ennél is kisebb frekvenciájú ún. ULF (Ultra Low Frequency) hullámok kapcsolatos. Úgy tűnik, hogy a Qiugang Zong (Peking University, University of Massachusetts) által vezetett kutatócsoport választ tud adni arra a kérdésre, melyik is felelős az elektronok gyorsításáért.

Zong szerint a sugárzási övekben mind a VLF, mind az ULF hullámok képesek erre, de két különböző időskálán, ugyanis az ULF hullámok a sokkal nagyobb amplitúdójuk miatt sokkal hamarabb felgyorsítják az elektronokat, mint a VLF hullámok. Az adatok azt mutatják, hogy végül is egy kétlépcsős folyamat okozza a nagyenergiájú elektronok számának megsokszorozódását. A kezdeti gyorsításért a bolygóközi lökéshullám hatására összenyomódó mágneses tér felelős. Rögtön a lökéshullámmal történt kölcsönhatás után azonban a földi mágneses tér erővonalai extrém kis frekvenciájú (ULF) rezgésbe kezdenek, ez pedig jó hatásfokkal gyorsítja tovább az első lépcsőben energetizált elektronokat, melyek ennek következtében még magasabb energiaértéket érnek el és "kiérdemlik" a gyilkos jelzőt.

Bár a kutatási eredmények hosszú elemzés után születtek meg, érdemes volt várni rájuk. A munka egyik résztvevője, Malcolm Dunlop (Rutherford Appleton Laboratory) szerint ugyanis most, hogy már ismerjük azt a módot, ahogyan a nagyenergiájú elektronok létrejönnek, a Cluster műholdak adatai alapján lehetőségünk lesz azonosítani azokat az ULF hullámokat a magnetoszférában, melyek képesek a szükséges gyorsításra. Az elemzés ugyanakkor azt mutatja, hogy sok gondolkodási időnk nincs, ugyanis a gyors elektronok indulásuk után 15 percen belül el is érik az atmoszférát. Philippe Escoubet, a Cluster misszió egyik vezetője szerint az eredmény segít a Föld körül keringő műholdakat és az űrben dolgozó asztronautákat körülvevő sugárzási környezet pontosabb előrejelzésében, ami a Nap növekvő aktivitása miatt a következő hónapokban, években különösen fontos lesz.

Az eredményeket részletező szakcikk a Journal of Geophysical Research c. folyóiratban jelent meg.

Forrás:

• ESA News 2010.03.11.