Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 39 – vyšlo 11. listopadu, ročník 14 (2016)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Družice Swarm bodují – elektrický vesmír na Zemi

Petr Kulhánek

MagnetosféraMagnetosféra – 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. 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. tvoří přirozený ochranný obal před kosmickým zářenímKosmické záření – proud částic nejrůznějšího původu přilétající z vesmíru. Při interakci s atmosférou vzniká sprška milionů i miliard částic. Nejenergetičtější částice kosmického záření, které se dosud podařilo detekovat, mají energie až 10²⁰ eV. Sprška z takové částice zasáhne na zemském povrchu mnoho desítek km². Tak energetická částice se objeví přibližně jednou za sto let. Kosmické záření je majoritním zdrojem antihmoty na naší planetě. Může vznikat v supernovách, pulzarech, aktivních galaktických jádrech, atd. Naprostá většina částic kosmického záření, okolo 88 %, jsou protony, přibližně 10 % jsou jádra hélia (alfa záření), 1 % elektrony a pozitrony a 1 % těžké prvky. Kosmické záření má naprosto nejširší spektrum energií ze všech dodnes známých jevů. Mnohé částice, které se dnes vědci pokoušejí nalézt v moderních urychlovačích, se mohou nacházet právě v kosmickém záření. Kosmické záření bylo objeveno v roce 1912 rakouským fyzikem Victorem Hessem při balónových experimentech ve výšce až 5 300 metrů. S rostoucí výškou stoupala ionizace atmosféry, a tím byl prokázán kosmický původ záření. Za objev získal Hess v roce 1936 Nobelovu cenu za fyziku., slunečním větremSluneční 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. a dalšími vlivy. Bez ní by byl život na povrchu sotva možný. Dipólová složka magnetického pole v současnosti klesá, což znamená blížící se přepólování zemského magnetického systému. Naposledy se tak stalo před přibližně 700 000 lety. V průběhu přepólování je nadále Země magnetickým polem chráněna, to má ale složitější charakter než dipólový. Detaily tohoto procesu nejsou bohužel známy, proto je precizní výzkum magnetického ochranného štítu velmi důležitý. V současnosti je nejdokonalejším zařízením flotila tří družic SwarmSwarm – trojice družic Evropské kosmické agentury určená k detailnímu měření magnetického pole Země ve více místech současně. Sondy startovaly v roce 2013 a letí v trojúhelníkové formaci (dvě ve výšce 450 km, třetí ve výšce 530 km) na zhruba polární dráze. Jména družic jsou: Alpha, Bravo a Charlie. Družice připravila společnost Astrium a startovaly z ruského kosmodromu Pleseck (180 km jižně od Archangelska) na palubě nosné rakety Rokot., která navazuje na práci předchozích evropských misí OrstedOersted – malá dánská družice o hmotnosti 60 kg určená k přesnému měření magnetického pole Země. Je od roku 1999 na nízké oběžné dráze (téměř synchronní s pohybem Slunce) ve výšce 500 kilometrů. Tento kosmický veterán je i dnes stále funkční (2019). Pojmenovaná je podle dánského fyzika Hanse Christiana Ørsteda, který se zabýval výzkumem účinků magnetického pole. Družici vyrobila společnost Computer Resources International., CHAMPCHAMP – CHAllenging Minisatellite Payload, malá německá družice z roku 2000 určená pro výzkum atmosféry a ionosféry z nízké oběžné dráhy. Připravila ji společnost Astrium. Po deseti letech provozu shořela v roce 2010 v zemské atmosféře. Startovala z ruského kosmodromu Pleseck. Jejími následovníky byly družice GRACE a GOCE., GOCEGOCE – první evropská družice určená pro mapování zemského gravitačního pole s bezprecedentní přesností. Název sondy je zkratkou z anglického Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer. Družice startovala v roce 2009 byla funkční do roku 2013. Přesnost měření tíhového zrychlení byla 10⁻⁵ m/s² a zemský geoid byl proměřen s přesností několika centimetrů. a ClusterCluster – 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.. Hlavním zdrojem magnetického pole Země je tekutinové dynamo živené elektrickými proudy tekoucími na hranici jádra a pláště. Ke vzniku magnetického pole Země ale přispívají i další elektrické proudy. Mise Swarm historicky poprvé pozorovala příspěvek způsobený proudy, které vznikají při přesunech vody vyvolaných slapovými silamiSlapová síla – rozdíl gravitačních sil působících na různé části tělesa. Například Země působí na naše nohy větší gravitační silou než na hlavu, rozdíl je ale zanedbatelný. Slapové síly Měsíce působící na Zemi jsou příčinou přílivu a odlivu a také příčinou výměny momentu hybnosti mezi Měsícem a Zemí, která vede k postupnému vzdalování Měsíce. Obdobná slapová vazba existuje mezi Zemí a Sluncem a je pravděpodobně hlavní příčinou současného vzdalování Země od Slunce. Ve větších měřítkách působí slapové síly například při prolínání dvou galaxií. v oceánech. Pozorování tak malých příspěvků k celkovému poli dává naději v hlubší pochopení mechanizmů změn magnetického pole Země a přináší nové možnosti rekonstrukce dějů hluboko pod povrchem Země.

Magnetický ochranný štít chrání Zemi před vnější prostředím. Zdroj ESA.

ESA – European Space Agency, Evropská kosmická agentura. ESA spojuje úsilí 18 evropských zemí na poli kosmického výzkumu. Centrální sídlo je v Paříži, pobočky jsou v mnoha členských zemích. ESA byla založena v roce 1964 jako přímý následovník organizací ESRO a ELDO. Nejznámější nosnou raketou využívanou ESA je Ariane. Česká republika vstoupila do ESA v listopadu 2008.

Swarm – trojice družic Evropské kosmické agentury určená k detailnímu měření magnetického pole Země ve více místech současně. Sondy startovaly v roce 2013 a letí v trojúhelníkové formaci (dvě ve výšce 450 km, třetí ve výšce 530 km) na zhruba polární dráze. Jména družic jsou: Alpha, Bravo a Charlie. Družice připravila společnost Astrium a startovaly z ruského kosmodromu Pleseck (180 km jižně od Archangelska) na palubě nosné rakety Rokot.

Litosféra – vnější vrstva zemského pláště, jejíž tloušťka je 70 až 100 km. Litosféra se skládá z litosférických desek, mohutných bloků, které plavou po plastickém podloží. Pod oceány jsou litosférické desky tenčí než mimo ně.

Astenosféra – zemská vrstva v hloubce cca 80 až 220 km, která je plastická a kloužou po ní litosférické desky. Astenosféra je součástí svrchního pláště, její teplota je přibližně 1 400 °C a je tvořena částečně natavenými horninami.

Elektrický vesmír

Za mnoho dějů pozorovaných ve vesmíru jsou zodpovědná elektrická a magnetická pole. Elektromagnetická interakce je v jistém smyslu stejně důležitým partnerem pro formování vesmíru jako gravitační síla. Vždyť bez elektromagnetické interakce by neexistovala ani naše Země, každý kámen je doslova pospojován elektromagnetickými silami. Za zakladatele „elektrického“ pohledu na vesmír je možné považovat norského fyzika Kristiana Birkelanda (1867–1917), který jako první správně rozpoznal, že polární záře nejsou plápolající duše mrtvých, ale fyzikální děj způsobený excitací atomů a molekul zemské atmosféry za pomoci elektronů přilétajících ze Slunce. Birkeland předpověděl existenci ionosférických proudů, které byly mnohem později (v roce 1976) objeveny polovojenským satelitem TRIAD. Přímým pokračovatelem Birkelandových myšlenek byl vynikající švédský fyzik, zakladatel magnetohydrodynamiky, Hans Alfvén (1908–1995). Za dalšího následovníka „elektromagnetické vesmírné školy“ lze považovat amerického fyzika Anthony Perratta, který napsal fascinující knihu Plasma Universe. Bohužel ale došlo k tomu, že někteří jedinci začali elektromagnetickou interakci považovat za jediný činitel ovlivňující vesmír a pokoušejí se pomocí ní vysvětlit všechny pozorované děje. Takový postup je nepřijatelný, obě interakce, gravitační i elektromagnetická, se podílejí na chodu vesmíru a nelze žádnou z nich opomenout. Tendence zavrhnout gravitační interakci jsou z hlediska fyziky úsměvnou kuriozitou, ale bohužel jsou často zmiňovány senzacechtivými médii, což vedlo k tomu, že těmto nesmyslům uvěřila i část laické veřejnosti a „elektromagnetická škola“ získala neoprávněně punc jakési konspirační teorie.

Birkelandova laboratoř, v níž vyrobil malou napodobeninu Země (terrelu), v jejímž nitru byl elektromagnet simulující magnetické pole Země. Elektronové dělo napodobovalo sluneční vítr a nízký tlak navodil podmínky ve výšce několika stovek kilometrů nad Zemí. Birkelandovi se podařilo vytvořit umělé polární záře přímo v laboratoři. Kresba: Ivan Havlíček.

Flotila Swarm

Swarm je flotila tři identických družic určených pro přesná měření elektrického a magnetického pole na nízké oběžné dráze. Družice jsou umístěny na polární dráze, kde letí ve formaci – dolní dvě ve výšce 450 km, horní ve výšce 530 km. Soustava tak umožňuje současné měření polí ve třech místech. Družice se odlišují od sebe písmeny A, B a C v názvu (Swarm A, B, C) někdy se jim přiřazují i jména: Alpha, Bravo a Charlie. Družice zkonstruovala společnost Astrium, na oběžnou dráhu je vynesla nosná raketa Rokot/Briz-KM z ruského kosmodromu Pleseck dne 22. listopadu 2013. Každá z družic má hmotnost 369 kilogramů. Příčný rozměr je 1,5×0,85 metru, na délku mají družice 9 metrů. Za jejich protáhlý tvar (vypadají jako podivní brouci) je zodpovědný magnetometr s dlouhým ramenem. Družice Swarm jsou navigovány z řídícího střediska v německém Darmstadtu. Hlavním cílem flotily Swarm je výzkum dynamiky zemského jádra a procesů na hranici jádra a pláště, které by mohly objasnit detaily fungování zemského tekutinového dynamaMHD dynamo – magnetohydrodynamické dynamo, tekutinová varianta klasického dynama. Elektrické proudy vznikají při pohybu plazmatu nebo tekutého kovu a generují magnetické pole. Dipólová složka se mění na azimutální tzv. omega efektem a azimutální na dipólovou tzv. alfa efektem. Tekutinové dynamo nemůže být stacionární, jeho základní vlastností je překlápění magnetických pólů.. K dalším cílům patří sledování proudů tekoucích v magnetosféře a ionosféře. Z měření elektrického pole, magnetického pole a elektrických proudů je dopočítávána vodivost zemského pláště a magnetizace litosféry. Družice fungují bezproblémově, občas dochází jen k nepodstatným závadám (například na počátku října 2016 došlo k výpadku přenosu dat z jedné družice). Jediná podstatnější závada byla na záložním magnetometru družice Swarm C, ta byla řešena zdvojením satelitů na nižší oběžné dráze. Původní délka mise byla plánována na 4 roky, družice ale stále mají dostatek paliva pro manévrování, a tak je pravděpodobné, že mise bude prodloužena.

Flotila družic Swarm určená k měření elektrického a magnetického pole. Zdroj ESA.

Slapové toky a magnetické pole

Slapové sílySlapová síla – rozdíl gravitačních sil působících na různé části tělesa. Například Země působí na naše nohy větší gravitační silou než na hlavu, rozdíl je ale zanedbatelný. Slapové síly Měsíce působící na Zemi jsou příčinou přílivu a odlivu a také příčinou výměny momentu hybnosti mezi Měsícem a Zemí, která vede k postupnému vzdalování Měsíce. Obdobná slapová vazba existuje mezi Zemí a Sluncem a je pravděpodobně hlavní příčinou současného vzdalování Země od Slunce. Ve větších měřítkách působí slapové síly například při prolínání dvou galaxií. způsobují nejenom příliv a odliv, ale i přesuny vodních mas v oceánech. Mořská voda je slaná a vodivá. Ve vodiči pohybujícím se vzhledem k magnetickému poli Země se indukují elektrické proudy, které generují další (sekundární) magnetické pole. O jeho existenci se spekulovalo dlouhá desetiletí. Teprve na základě dat pořízených družicemi SwarmSwarm – trojice družic Evropské kosmické agentury určená k detailnímu měření magnetického pole Země ve více místech současně. Sondy startovaly v roce 2013 a letí v trojúhelníkové formaci (dvě ve výšce 450 km, třetí ve výšce 530 km) na zhruba polární dráze. Jména družic jsou: Alpha, Bravo a Charlie. Družice připravila společnost Astrium a startovaly z ruského kosmodromu Pleseck (180 km jižně od Archangelska) na palubě nosné rakety Rokot. a předchozí misí CHAMPCHAMP – CHAllenging Minisatellite Payload, malá německá družice z roku 2000 určená pro výzkum atmosféry a ionosféry z nízké oběžné dráhy. Připravila ji společnost Astrium. Po deseti letech provozu shořela v roce 2010 v zemské atmosféře. Startovala z ruského kosmodromu Pleseck. Jejími následovníky byly družice GRACE a GOCE. bylo magnetické pole generované pohybující se mořskou masou detekováno v roce 2016. Samotná detekce velmi slabého sekundárního pole je triumfem lidského důvtipu a špičkových technologií, které máme k dispozici. Elektrické proudy způsobené slapovými přesuny oceánské vody tečou i zemskou kůrou a ovlivňují oblasti hluboko pod zemským povrchem. Analýzou generovaných polí lze rekonstruovat procesy pod zemskou litosférou. Nepatrné fluktuace magnetického pole se stávají důmyslným výzkumným nástrojem. Skupina odborníků z švýcarského ETHETH – prestižní švýcarská polytechnika, na které působil mj. Albert Einstein. Zkratka ETH znamená Eidgenössische Technische Hochschule (Spolková vysoká technická škola). Univerzita byla založena v roce 1855, nyní má dvě části: v Curychu (ETHZ) a v Laussane (ETHL). S univerzitou je spojeno 26 nositelů Nobelových cen. pod vedením Alexandera Grayvera analyzovala data, která pořídila flotila Swarm v průběhu dvou let. Vědcům se podařilo nejen detekovat hledané sekundární pole, ale částečně rekonstruovali podmínky v zemském nitru do hloubky 350 kilometrů. Zjistili, že na hranici litosféryLitosféra – vnější vrstva zemského pláště, jejíž tloušťka je 70 až 100 km. Litosféra se skládá z litosférických desek, mohutných bloků, které plavou po plastickém podloží. Pod oceány jsou litosférické desky tenčí než mimo ně. a astenosféryAstenosféra – zemská vrstva v hloubce cca 80 až 220 km, která je plastická a kloužou po ní litosférické desky. Astenosféra je součástí svrchního pláště, její teplota je přibližně 1 400 °C a je tvořena částečně natavenými horninami. dochází v hloubce 72 km k výrazné změně vodivosti zemských hornin. Elektrickými a magnetickými měřeními je tak možné detekovat změny na hranici dvou vrstev – pevných litosférických desek a plastického podloží, na kterém plují. Význam pro další výzkum tektoniky zemských desek je zjevný. Do budoucna je rekonstrukce vodivosti na rozhraní litosféry a astenosféry příslibem, že snad bude jednou možné pořídit třírozměrnou mapu vodivosti celého zemského nitra.

Velikost radiální složky sekundárního magnetického pole, které je způsobené
přesuny vodních mas pod vlivem slapových sil. Zdroj: ETH/Science Advances.

Z analýzy sekundárního magnetického pole vyplynulo, že na hranici litosféry
a astenosféry dochází k výrazné změně vodivosti. Zdroj Stephen Marshak.

Závěr

Mise Swarm umožnila podrobné mapování zemského magnetického pole včetně nejjemnějších detailů. Ukázalo se, že magnetické pole může být do budoucna důmyslným nástrojem pro analýzu procesů probíhajících v zemském nitru. Obdobné metody chce využít i evropská mise Juice, mířící k planetě Jupiter, při sledování podpovrchových oceánů na některých Jupiterových měsících. Na konci října 2016 prokázali odborníci z výzkumného střediska GFZ (Geo Forschungs Zentrum) v německé Postupimi, že bouřková aktivita zasahující do ionosféry může způsobit výpadky komunikačních systémů a je zodpovědná za výpadky GPS družic umístěných na nízkých oběžných drahách při přeletu rovníku v oblasti mezi Afrikou a Jižní Amerikou. Souvislost byla nalezena při analýze dat z flotily Swarm. V pořízených datech těchto špičkových družic se může ukrývat řada dalších zajímavých jevů a můžeme se v brzké době dočkat dalších zajímavých výsledků.

Mise Swarm. Sestřih z propagačního videa ESA. (mp4/h264, 18 MB).

Odkazy