Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 12 – vyšlo 20. března, ročník 7 (2009) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

12/2009

Objev zcela nových pohybů iontů v magnetosféře

Petr Kulhánek

Čtveřice evropských družic Cluster, která zkoumá magnetosféru Země, chrlí jeden objev za druhým: přímé pozorování rekonekceRekonekce – přepojení magnetických siločar, při němž siločáry prudce změní svou dosavadní topologii do jiné, energeticky výhodnější podoby. Při tom dojde k uvolnění energie, která zahřeje okolní plazma. Někdy natolik, že plazma zazáří i v rentgenovém nebo v gama oboru. Na mikroskopické úrovni jsou za rekonekci zodpovědné pohybující se nabité částice, které generují nová magnetická pole skládající se s polem původním. magnetických silokřivek, víry na bocích magnetosféry, ultranízkofrekvenční rozvlnění magnetických silokřivek, vlny v magnetickém ohonu Země, atd. Při zpracování dat z let 2001 až 2003 byly nalezeny tři zcela nové typy pohybů nabitých částic: únik kyslíkových iontů polárními oblastmi, únik vodíkovýchVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo při chemické syntéze a v metalurgii nebo jako náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish. iontů do magnetického ohonu a urychlené toky nabitých částic mířících k Zemi. Zdá se, že naší magnetosféru teprve začínáme poznávat. Bez prostorových měření, jaká umožňují družice Cluster, to dříve nebylo možné. Enormní objem naměřených údajů vyžaduje dlouhodobé zpracování, a tak již nikoho nepřekvapí, že objevy jsou zpravidla ohlašovány až několik let po pořízení dat.

Cluster – čtveřice stejných družic pojmenovaných podle latinsko-amerických tanců (Rumba, Salsa, Samba a Tango) vypuštěných v roce 2000 Evropskou kosmickou agenturou. Šlo o druhý pokus, první proběhl v roce 1996 a skončil explozí nosné rakety Ariane. Kolem Země letí ve vzájemné formaci ve vr­cho­lech čtyřstěnu (vzdáleny 5 000 až 20 000 km) a provádějí dosud nejdetailnější prostorová měření parametrů slunečního větru a jeho interakce s mag­ne­to­sfé­rou Země. Cluster poprvé detekoval plazmové vlny v magnetopauze, přepojení magnetických silokřivek, pohyby rázové vlny pod nápory slunečního větru, prolétl polárním kaspem a vytvořil první třírozměrný obraz magnetosféry Země. Magnetosféra – oblast magnetického vlivu planety nebo jiného nebeského tělesa. U naší Země je dipólové magnetické pole vytvářeno v jádru elektrickými proudy o řádové hodnotě 109 A. Toto pole je deformováno interakcí se slunečním větrem do charakteristického tvaru – magnetosféry Země. Magnetosféry planet jsou přirozeným ochranným štítem před nabitými částicemi slunečního větru. Ionosféra – slabě ionizovaná oblast atmosféry 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. Ve výšce kolem 300 km je koncentrace částic řádově 106 cm−3. 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 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v cm3. Částice vylétávající podél otevřených siločar mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. Pojmenování sluneční vítr pochází od amerického astronoma Eugena Parkera.

Dlouhodobý únik kyslíku z atmosféry Země

V magnetosféře ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. nacházíme především částice slunečního větruSluneční 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 km/s (rychlost zvuku v tomto prostředí je 50 km/s), teplota 3 eV (30 000 K) a koncentrace několik protonů v cm³. Částice vylétávající podél otevřených siločar mají vyšší rychlost (přibližně 750 km/s) a nazýváme je rychlý sluneční vítr. Sluneční vítr objevil anglický astronom Richard Carrington v roce 1859, kdy bylo za půl dne po slunečním vzplanutí narušeno magnetické pole Země. Pojmenování sluneční vítr pochází od amerického astronoma Eugena Parkera. (elektronyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932., protonyProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10⁻²⁷ kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10⁻¹⁹ C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 10³⁵ let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem. a alfa částiceAlfa částice – jádro helia, vázaný stav dvou protonů a dvou neutronů. Přirozenou cestou vzniká při alfa rozpadu. Vzhledem k velké vazebné energii jde o vysoce stabilní částici.). Již dlouho se ale ví i o přítomnosti iontů pocházejících ze zemské atmosféry. Na konci dvacátého století zjistily některé družice přítomnost kyslíkovýchKyslík – Oxygenium, plynný chemický prvek, tvoří druhou hlavní složku zemské atmosféry. Je biogenním prvkem a jeho přítomnost je nezbytná pro existenci většiny živých organizmů na naší planetě. V atmosféře tvoří plynný kyslík 21 objemových %. Kromě obvyklých dvouatomových molekul O₂ se kyslík vyskytuje i ve formě tříatomové molekuly jako ozon O₃. Produkty hoření se nazývají oxidy, dříve kysličníky. Kyslík je třetím nejhojnějším prvkem ve vesmíru. iontů v polárních oblastech magnetosféry. Se vzdáleností od ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. jejich naměřená rychlost rostla! To nutně znamená, že jsou ionty kyslíku nějakým neznámým mechanizmem urychlovány. Část z nich může získat i vyšší než únikovou rychlost a opustit Zemi. Teprve prostorová měření čtveřice družic Cluster z let 2001 až 2003 umožnila objasnění této záhady [1–3]. V roce 2008 přinesla vysvětlení skupina fyziků vedená Hansem Nilssonem ze Švédského ústavu vesmírné fyziky (Sweedish Institute of Space Physics) v Kiruně, který leží hluboko za polárním kruhem a dlouhodobě se věnuje výzkumu magnetosféry Země a polárních září.

Únik iontů polárními oblastmi. Zdroj: ESA

Částice slunečního větru zachycené zemským magnetickým polem putují v polárních oblastech podél silokřivek až do horních vrstev atmosféry. Zde společně s ultrafialovým zářením SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. excitují a ionizují neutrální atomy. Excitované atomy charakteristicky září a vytvářejí známé polární záře. Ionizované atomy jsou zachyceny magnetickými silokřivkami a volně se podél nich pohybují. To vše bylo známo již dávno. Zde ale nastupují data z Clusteru. Ukázalo se, že se magnetické silokřivky různě vlní. Základní mód je způsoben otáčením Země. Silokřivky blízké k Zemi mají přibližně dipólový charakter a otáčejí se spolu se Zemí (pro vzdálenější silokřivky to neplatí, jsou protaženy do magnetického ohonu). Na denní straně (směrem ke Slunci) jsou blízké silokřivky slunečním větrem stlačeny více k zemskému povrchu, na noční straně (směrem od Slunce) jsou tytéž silokřivky dále od Země. Tím vzniká kmitání silokřivek způsobené rotací Země. Silokřivka se může rozvlnit i dalšími způsoby, například energie uvolněná při přepojení magnetických silokřivek ve vírech na bocích magnetosféry (viz AB 33/2007) způsobuje ultranízkofrekvenční rozvlnění silokřivek. Těžké ionty jsou na silokřivce zavěšeny jako závažíčka na houpající se struně, která se mohou volně pohybovat podél struny. Některým iontům předá pohybující se silokřivka značnou energii a jsou (podobně jako prakem) vymrštěny z polární oblasti buď na vyšší silokřivku nebo z dosahu gravitačního pole Země. Uvedený mechanizmus poprvé vysvětluje vysoké rychlosti iontů podél silokřivek zemského pole (tzv. paralelní rychlosti).

Dr. Hans Nilsson odhaduje, že Země takto ztratila za několik miliard let mezi 3 až 18 procenty současné zásoby kyslíku, což je z dlouhodobého hlediska zanedbatelné. Kyslík je velmi reaktivní prvek (vzpomeňte si na rez) a dlouhodobě by se tak jako tak v atmosféře neudržel. Je zde neustále doplňován činností živých organizmů. I když tedy tento mechanizmus není pro složení atmosféry Země rozhodující, je dobré poznávat nové typy interakce slunečního větru, magnetosféry a atmosféry Země, kde probíhá řada dosud nepoznaných jevů.

Podélné rychlosti iontů (modře měřené hodnoty, červeně vypočítané
z Nilssonova mechanizmu). Zdroj: European Geosciences Union 2008.

Únik vodíkových iontů magnetickým ohonem

Další zajímavý výsledek získal Erik Engwall se spolupracovníky z Univerzity v Upsalle (Švédsko) [4–6]. Skupina analyzovala data z Clusteru III z období mezi červencem a říjnem 2002. Vědci vyvinuli novou analýzu dat, která umožnila nepřímo detekovat i chladné vodíkovéVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo při chemické syntéze a v metalurgii nebo jako náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish. ionty (pod 1 eVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10⁻¹⁹ J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (10³ eV), megaelektronvolt MeV (10⁶ eV), gigaelektronvolt GeV (10⁹ eV), teraelektronvolt TeV (10¹² eV) nebo petaelektronvolt PeV (10¹⁵ eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc²) a teplota (E=k_BT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K.) ve velkých vzdálenostech od Země. Metoda je založená na vyhodnocení rozdílu hodnot elektrického pole naměřeného dvěma různými přístroji. Rozdíl hodnot je způsoben přítomností chladných iontů. Tyto částice nebylo možné dosud detekovat, protože je jejich potenciál menší než potenciál družice v elektromagnetickém záření Slunce. Z analýzy vyplynulo, že značná část vodíkových iontů uniká podél magnetických silokřivek do magnetického ohonu Země a na noční straně ji podél otevřených silokřivek opouštějí. Z analýzy vyplynulo, že jde o 10²⁶ iontů za sekundu, což odpovídá množství několika tisíců tun ročně. Poprvé tak byl měřen tok vodíkových iontů ve větších vzdálenostech od Země. Žádný z předchozích družicových experimentů nebyl schopen tok chladných iontů měřit. Změření toku chladných vodíkových iontů je důležité pro pochopení formování a vývoje planetárních atmosfér. Upsallská skupina publikovala objev na počátku roku 2009.

Únik vodíkových iontů do magnetického ohonu Země. Cluster měřil poprvé tok chladných iontů i ve velkých vzdálenostech od Země. Diagram je v tzv. GSM souřadnicích (osa x míří ke Slunci, osa z kolmo na rovinu oběhu Země kolem Slunce). Zdroj: Nature Geoscience.

Graf měřeni podél dráhy družice CLUSTER III. Každý bod odpovídá desetiminutovému úseku dat. Barva představuje relativní výskyt chladných iontů zjištěný Engwalovou metodou. Graf je v GSM souřadnicích (osa x míří ke Slunci, osa z kolmo na rovinu oběhu Země kolem Slunce). Zdroj: Nature Geoscience.

Zpětné toky iontů urychlené směrem k Zemi

A ještě do třetice jeden zajímavý objev. Ohlásil ho na konci roku 2007 Lev Zelenyj z ruského IKI (Institut Kosmičeskich Issledovanij). Již v 80. a 90. letech 20. století byly detekovány na noční straně Země toky iontů mířící směrem k nám. Existovalo několik teorií, jak by mohlo k urychlování docházet. Zdá se, že Zelenyj na základě dat pořízených čtveřicí Cluster rozhodl jednoznačně ve prospěch jednoho z navržených mechanizmů vzniku těchto svazků. Většina částic slunečního větru obtéká Zemi. Malá část se ale polárními kaspyPolární kasp – trychtýřovitá oblast v blízkosti magnetických pólů planety, kterou pronikají jako obrovským vírem nabité částice do atmosféry. Název pochází z anglického „cusp“ (roh, cíp). dostane do blízkosti magnetických pólů, kde je magnetickými zrcadly odražena do pláště magnetosféry. Částice poté pronikají v magnetickém ohonu směrem k neutrální vrstvě magnetického pole (vrstva s nulovým polem, na různých stranách od této vrstvy má pole různý směr). Pokud se částice dostanou do tzv. rezonančních oblastí (na obrázku jsou vyznačeny červenými obdélníky), jsou urychleny zpět směrem k Zemi a s vysokou rychlostí se vracejí do polárních oblastí. V datech zaznamenaných v letech 2001 až 2003 nalezl Zelenyj 90 takových událostí urychlení na neutrální vrstvě. Možná existují i jiné mechanizmy urychlování částic směrem k Zemi, ale tento byl čtveřicí Cluster definitivně potvrzen.

Trajektorie částic slunečního větru, které jsou urychlovány
na neutrální vrstvě zpět k Zemi. Zdroj: ESA.

Čtveřice družic Cluster Evropské kosmické agentury v posledních letech nemalou měrou přispěla k poznání magnetosféry Země, zejména k poznání jevů probíhajících mezi atmosférou, ionosférou a magnetosférou Země. Možnost měřit elektrická pole, magnetická pole a koncentrace částic ve čtyřech blízkých místech magnetosféry je zcela jedinečná. Výsledky, které získává Cluster nemůže v tuto chvíli poskytnout žádná jiná současná družice.

Klip týdne: Cluster

Cluster. Čtveřice družic Cluster, která startovala po dvojicích v roce 2000 na palubě ruské lodi Sojuz, je jeden z nejvýznamnějších projektů ESA současnosti. Družice letí ve formaci čtyřstěnu (dvě družice jsou vzdálené 5 až 20 tisíc kilometrů), na palubě mají identické přístroje a zkoumají magnetosféru Země. Jde o první pokus, jak provádět prostorová měření. Zaznamenávají se informace o teplotě plazmatu, koncentraci částic a o magnetickém poli. V tomto klipu vidíte družici na hranici magnetopauzy. Některé družice Clusteru zasahují do oblasti magnetického pole, jiné již ne. Současně vidíme vlny na hranici magnetopauzy. (mpg, 2 MB).

Odkazy