Kezdőlap  
ENGLISH VERSION
 
A MŰI
Évkönyvek
Dokumentumok


A Magyar Űrkutatási Iroda
elérhetőségei

Cím:
1011 Budapest, Iskola u. 13.

Telefon:
06-1-795-6237

 
  Földi környezetünk, a felső légkör ELF-VLF viszgálata
 

 

1. Bevezetés:

A Föld körüli térség, azon belül is a felső légkör fizikai képe bő évszázáda − mint az a tudomány más területeivel is, a tudománytörténetben többször előfordult − tisztázott, kiismert kérdésnek tűnt. A köznapi értelemben vett légkör − a tropo- és a sztratoszféra, melynek dinamikáját meteorológiai jelenségekként naponta tapasztaljuk − képezte ekkor csak vizsgálat tárgyát. Az 1900-as évek első évtizedeinek híres rádió-kommunikációs kísérletei jelezték, hogy a mintegy 80-100 km magasságban egy részlegesen ionizált tartomány, mai fogalmunk szerint az ionoszféra kezdődik. A magasság növekedésével, az elsősorban a Nap elektomágneses és részecske sugárzása hatásaként a közeg ionizáltsága, azaz a semleges összetevő mellett megjelenő ún. plazmakomponens részaránya is gyors ütemben növekszik. Az ionoszféra szerkezetéről − a közeg rádióhullámokra gyakorolt hatása révén − főleg elektromágneses (e.m.) hullámok segítségével nyerünk ismereteket. A Földdel együtt mozgó közeg külső és legnagyobb tartományát a magnetoszféra alkotja, nevét a fizikai folyamatokat uralkodóan meghatározó földmágneses tértől nyeri. A magnetoszféráról alkotott képünk alakításában ismét kulcsszerep jut az e.m. hullámoknak mint a vizsgálódás eszközeinek. Bár a Föld körüli térség e két említett tartományát „felfedezésük” óta kutatók vizsgálják, a magnetoszféra és ionoszféra szerkezete és időbeli változásai minél pontosabb ismerete fontosságát most kezdjük csak felismerni, súlyán kezelni. Ez az a zóna, ami a földi életet fenntartó, a légkör dinamikáját meghatározó, Nap eredetű sugárzást felveszi, és azt sokrétű anyag- és energia szállítási úton felszínközelbe juttatja. A periodikus illetve szabálytalan , intenzív jelleget is mutató naptevékenység földi életminőségre gyakorolt hatása ma már nyilvánvaló. Említhetjük a korunkban nélkülözhetetlen műholdas telekommunikáció, vagy pl. a földi elektromos rendszerek üzembiztonságát, a civil és katonai helymeghatározó rendszerek pontosságát vagy a légköri folyamatok megbízható előrejelezhetőségét − mindet alapvetően befolyásolják a földi plazmaszféra hely és idő szerinti változásai.

2. Plazmaszféra-kutatás − ELF-VLF mérések és modellezés

A Föld mágneses terével átjárt (ún. előmágnesezett) plazmában az alacsonyfrekvenciás e.m. jelek a tér szerkezetét követve terjedhetnek, a mágneses ’erővonalak’ mentén a felszín egy pontján történt gerjesztés jele a plazmaszférát harántolva, a felszíntől nagy távolságban terjedve, az erővonal átellenes felszíni pontjába (ún. konjugált pontba) juthat. Így terjed a whistler, amit villám e.m. impulzusa gerjeszt. A whistler − a XIX.-XX. századfoforduló közeli első észlelését és leírását követően − a rendszeres magnetoszféra vizsgálat egyik igen hatékony eszközének bizonyult. Az önmagában is érdekes, a hangfrekvenciákkal azonos frekvenciatartományba esése miatt egyszerű berendezéssel is hallhatóvá tehető, füttyszerű jelenség tudományos eszközzé azért válhatott, mert a keltéskor (villám) még ezred másodperces impulzus a plazmaszférán áthaladva annak elektron és ion tartalma szerint diszpergálódik − a különböző frekvenciájú jelrészek más-más közegbeli sebességgel terjednek, így az eltérő futásidők miatt egy időben változó frekvenciájú jelként vehető. A regisztrált jelalak elemzésével a plazma whistler által megtett út menti elektron/ion tartalma modellezhető. Mivel a villámok szinte folyamatos, nagy energiájú gerjesztést produkálnak a Föld zivataros területein, az eltérő területeken gerjesztett jel whistlerként a magnetoszféra különböző régióiról szállít fontos plazmafizikai ismeretet. Ez a megközelítés más vizsgálati módszereknél (pl. nagy megbízhatóságú adatot szolgáltató, in situ műholdas kísérletek) összehasonlíthatatlanul olcsóbb, mégsem beszélhetünk ma a teljes plazmaszférát leképező, whistler-alapú elemzésről. Ennek két fő oka van: 1/ • A folyamatos, nagy tér- és időbeni fedést biztosító mérési-jelfeldolgozási munka számítógépes háttere (tárkapacitás és processzor teljesítmény) a megkövetelt nagy adattömeghez mérve korábban nem volt biztosított. A teljeskörű monitorozás szünet nélküli, szélessávú VLF adatrögzítést igényel. Bár whistlereket évtizedek óta tucatnyi helyen regisztrálnak világszerte (hazánkban is több, mint 30 éve végzünk whistler kutatást) a nagy adattömeg számítógépes kezeléséhez az ezredforduló technikája nyújt megfelelő erőforrást. Két lényegi lépést kell ugyanis megtenni: automatikusan fel kell ismerni, ha a vevőbe whistler érkezett, s ekkor és csak ekkor mérni és tárolni a jelet; s ezután a sok tízezer − akár százezer vett whistlerjelből automatikusan számítani a legfontosabb plazmaszféra jellemzőket. A felvételeken megjelenő, vizsgálandó whisterek kigyűjtésére a legutóbbi évek fejlesztésével tudtunk valós idejű számítógépes eljárást kidolgozni, automatikus feldolgozással kiváltva az eddigi manuális munkafázist. Ezzel a magnetoszféra kutatásban korszakváltást jelentő automata monitorozó vizsgálat felé megnyílt az út. A korábbi évek esetszintű vizsgálataival szemben sok nagyságrenddel több whistler vált elemezhetővé. Az eljárásunk hiánypótló jellegét mutatja, hogy magyarországi üzembe helyezése után (három helyen regisztrálunk szélessávú VLF adatsort és automata detekcióval gyűjtünk whistlereket) számos külföldi kutatási partnerünk is (kutató intézetek, obszervatóriumok, egyetemek) jelezte, alkalmazná a rendszert. 2/ • A jelenség értelmezése alapjául szolgáló hullámterjedési modellünk pontossága korábban elégtelen volt. A kigyűjtött whistlerek elemzése, értelmezése terén a szintén több évtizedes kutatás részeként alapvetően új elméleti hullámterjedési modellekkel rendelkezünk. Alapja − a ma világszerte alkalmazott, komoly modellhibával terhelt monokromatikus leírással szemben − az e.m. jelterjedést leíró Maxwell egyenletek általános, teljes megoldása. Az eljárást alkalmazva nagy pontossággal tudjuk modellezni tetszőleges gerjesztésű e.m. jel terjedését a tényleges fizikai körülményeket jól közelítő (pl. mágnesezett, inhomogén) közegben. A földi vagy műhold fedélzetén rögzített jel és a modellezés eredményeként kapott jel összevetéséből a whistler vagy más e.m. jel , pl. a villám felszínt követően terjedő alacsony frekvenciás komponense (szferiksz) gerjesztéséről, a terjedési út jellemzőiről a korábbiaknál érdemben pontosabb ismerettel rendelkezünk. Az elméleti eredmény illusztrálására a földfelszín és az ionoszféra által képezett hullámvezetőben terjedő szférikszek diszperziót szenvedett módusainak pontos modell eredménye látható egy Bornholm szigeteken regisztrált, szferikszeket tartalmazó szélessávú VLF-felvétel részlet, és a (0,25 msec hosszúságú) impulzus gerjesztéssel számított jelalak dinamikus spektrumán. 1. ábra. A Föld-ionoszféra hullámvezetőben terjedő villámlás gerjesztette szferiksz.



A Bornholm szigeten mért jelek.



Pontos jelalakleírással számított jel.

3. Felsőlégköri VLF perturbációk

A magnetoszférát harántoló whistler a mágneses térbe befogott (erővonal mentén giroszkóp-szerű mozgást végző), az ún. sugárzási öveket alkotó töltött részecskékkel, elsősorban elektronokkal rezonancia-kölcsönhatásba léphet. Ennek révén az e.m. hullám energiát kap vagy ad a részecskének, amitől annak mozgása megváltozik, az alsóbb, viszonylag sűrűbb légkörbe kerülhet, ahol ütközéssel veszt energiát. Az energia vesztés a 60-90 km-es magasságban, 1-10 másodperces ideig fennálló, helyi megnövekedett ionizációt okoz − amit a whistler által ’kiszórt’ részecskék keltenek sorozatos ütközésükkel. Rövid élettartama alatt ez a zóna az ionoszféra alatti VLF jel terjedését befolyásolja. Katonai (haditengerészeti navigációs) adók rögzített frekvenciákon, igen nagy jelszint- és fázis-stabilitás mellett sugároznak, így jelük alkalmas a fenti perturbáció kimutatására. Az ún. trimpi-hatást magyarországi mérőhálózattal közel tíz éve rögzítjük és elemezzük. Trimpi kutatás révén elsősorban a sugárzási övből az alsóbb légkörbe jutó energia mérlegéről kapunk értékes információt, whistler-kutatással összekapcsolva a plazmaszférában lezajló hullám-részecske kölcsönhatás elemzése, értelmezése hozhat új ismeretet. A trimpi − a whistlerhez hasonlóan − zivatar aktivitástól függő, de nagy számban előforduló, gyakori VLF jelenség, folyamatos regisztrálás melletti tömeges, hatékony vizsgálata automatikus eseménydetektálást igényel. A digitális jelfeldolgozó algoritmusokkal kigyűjtött egyidejű whistler-trimpi kettősöket együttesen értelmezzük.



Tihanyban rögzített és automatikus detekcióval gyűjtött whistler szélessávú VLF felvételen és a whistler által az alsó ionoszférába kiszórt elektronok okozta trimpi perturbáció a 23.4 kHz-es frekvenciájú érdi adatsor perces részletén

(A kutatások az ELTE Környezetfizikai Tanszékcsoportnál, az Űrkutató Csoport és az MTA-ELTE Geoinformatikai és Űrtudományi Kutatócsoport keretében folynak.)

Összeállította: Steinbach Péter

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Űrtudomány
Földmegfigyelés
Mikrogravitáció
Navigáció és távközlés