Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Jihoatlantická anomálie vnitřního radiačního pásu Země

 |  11. 12. 2014
 |  Vesmír 93, 686, 2014/12

Ze Slunce i z dalekého vesmíru dopadají na Zemi ionizující částice různých energií. Nabité částice jsou zachycovány a urychlovány magnetickým polem Země a vytvářejí radiační pásy – oblasti s vyšší úrovní radiace. Tyto pásy, známé též jako Van Allenovy, rozlišujeme dva, a to vnitřní a vnější (viz obr. 2). Vnitřní pás je primárně složen z protonů a elektronů a nachází se ve výškách od 1600 do 12 900 km nad povrchem Země. Vnější pás se skládá převážně z elektronů a nacházíme jej ve výškách od 19 do více než 40 tisíc km. Nebudeme se zabývat detaily pohybu nabitých částic, omezme se jen na konstatování, že „šíření slunečního větru směrem k Zemi stojí v cestě překážka – geomagnetické pole. […] Magnetická překážka však není pevné těleso, a proto se vlivem působení slunečního větru deformuje.“ (viz J. Šafránková et al., Vesmír 91, 492, 2012/9). Ve vnějších vrstvách jsou tvar i rozloha radiačních pásů ovlivněny slunečním větrem. Je rovněž třeba podotknout, že střed magnetosféry se neshoduje se středem Země a také osa magnetického pole se neshoduje s osou rotace Země. Střed magnetického pólu je posunut vzhledem k zemskému středu o zhruba 500 km ve směru na Singapur a magnetická osa vzhledem k rotační ose Země je odchýlena o zhruba 11°. Tyto jevy mají za následek přiblížení vnitřního radiačního pásu k Zemi na jedné straně naší planety (v oblasti nad jižním Atlantikem u pobřeží Brazílie). Tím se intenzita a složení radiace v dané výšce naruší a vzniká oblast pojmenovaná jihoatlantická anomálie.

Složení a rozsah jihoatlantické anomálie

Anomálie je charakterizována jako oblast vyšší atmosféry se slabším magnetickým polem a zvýšenou intenzitou radiace (až o několik řádů větší než na jiných místech Země ve stejné výšce). Oblast vzniká ve výšce již od 200 km. Složení radiace v anomálii odpovídá vnitřnímu radiačnímu pásu Země – tj. tvoří ji zejména protony a elektrony, mnohem méně se vyskytují i těžší nabité částice (z nich zejména alfa částice). Střed anomálie se nachází v současnosti nad jižním Atlantikem u pobřeží Brazílie. Její rozloha se rozpíná s rostoucí výškou. Např. při výšce 800 km jsou okraje anomálie vzdálené téměř 150° zeměpisné délky (od cca 110° západní do cca 40° východní délky) a až 60° zeměpisné šířky (od cca 10° severní do cca 50° jižní šířky).

Fluktuace a migrace jihoatlantické anomálie

Samotná existence anomálie je v důsledku její interakce s kosmickým zářením a slunečním větrem velice dynamickým jevem: její rozměry a struktura, rozložení a umístění, složení a intenzita radiace, síla magnetického pole atd. jsou časově proměnné. Jsou pozorovány jak dlouhodobé pozvolné změny v magnetosféře trvající několik let, tak i velmi rychlé změny v řádech dnů či hodin v důsledku nepravidelných a prudkých jevů kosmického počasí (např. geomagnetických bouří).

Je známo, že polohy severního i jižního magnetického pólu driftují. Magnetický severní pól, který putuje v rozsáhlé oblasti severní Kanady a Arktického moře, se za posledních sto let posunul o celkem 12° zeměpisné šířky a 15° zeměpisné délky, a to po nepřímočaré trajektorii. Obdobně se též posouvá anomálie včetně polohy jejího středu (tj. oblasti s nejslabším polem, a tudíž i s největší intenzitou radiace). V posledních desetiletích se střed posouvá směrem na západ rychlostí 0,1–1,0°/rok (průměrně 0,3°/rok) a směrem na sever rychlostí okolo 0,1°/rok. Geomagnetické modely Země ukazují, že tato driftová rychlost středu jihoatlantické anomálie se shoduje s rozdílem rotace jádra Země vůči jejímu povrchu. Tato rychlost je odhadována v rozmezí 0,3° až 0,5°/rok.

Radiační pásy a SAA: geomagnetismus, kosmické počasí a sluneční bouře

Procesy, které probíhají v zemské magnetosféře při průletu částic různých energií, nejsou zatím dostatečně prozkoumány a vyžadují přesnější měření, pokud možno včetně kontinuálního monitorování, a to v různých zeměpisných šířkách a také v různých výškách v atmosféře. Požadované informace mají podobu složení, toku, spektra a směru příchodu energetických částic včetně jejich časové a prostorové změny. Ačkoli družic na oběžných drahách kolem Země je dnes okolo tisíce, detektory kosmického záření z nich nese jen nepatrný zlomek.

Kromě samotného vědeckého bádání má měření a monitorování radiace na oběžné dráze družic v oblasti anomálie velký význam také při studiu efektů radiace na přístroje družic a při radiační ochraně pilotovaných kosmických lodí obíhajících i v nízkých výškách. Posuzují se a sledují se možné účinky na elektronická zařízení na družicích a na zdraví posádek pilotovaných misí. Při průchodu anomálií dostávají přístroje i posádky zvýšené dávky záření, které můžou lokálně i o několik řádů převýšit úroveň radiace v oblastech mimo anomálii. Hubblův vesmírný teleskop, jenž je umístěn na oběžné dráze ve výšce 660 km, je při každém průchodu anomálií záměrně vypínán kvůli ochraně citlivých součástek. Obdobně mezinárodní vesmírná stanice ISS, jež obíhá na dráze ve výšce okolo 400 km a prochází anomálií několikrát za den, musí být vybavena silným radiačním stíněním. Zvýšené dávky nastávají sice lokálně a krátkodobě, nicméně se dlouhodobě sčítají. ISS tráví až 15 % svého celkového času v oblasti anomálie.

Vedle těchto nepříznivých efektů existují další nepravidelné vlivy extrémního kosmického počasí na Zemi. Zejména energetické geomagnetické bouře mohou negativně ovlivnit i zcela poškodit systémy na Zemi nebo v atmosféře. Např. GPS síť může postihnout zhoršení signálu a snížení prostorového rozlišení i o několik řádů (důsledkem narušení ionosféry a zkreslením průchodu signálu z a do družic GPS). Nebo samotné řízení družic může trpět narušením navigace a orientace, radiačním poškozením elektronických součástí a nežádoucím elektrostatickým nabíjením. Geomagnetické bouře mohou ohřát vnější atmosféru a tím ji rozpínat, což vede k vyššímu tření, a tím k vyššímu brzdění družic. Komunikace letadel může být též narušena, a to zejména v oblasti okolo zeměpisných pólů, kde vysokofrekvenční komunikační vlny mohou být rušeny či dokonce zcela odstíněny. Dalším následkem může být také interference v přenosové síti elektrického vedení a následná indukce geomagnetických elektrických proudů v dlouhých vodičích (hrozí především poškození transformátorů elektrického vedení, viz s. 692).

Na druhou stranu mohou být důsledky geomagnetických bouří neškodné, dokonce působit umělecky, jako třeba polární záře (aurory) ve vyšších vrstvách atmosféry.

Autor děkuje svým spolupracovníkům projektu SATRAM: Š. Polanskému, S. Pospíšilovi, Z. Vykydalovi a D. Turečkovi (ÚTEF ČVUT v Praze), A. Owensovi, K. Mellabovi a P. Nieminenovi (ESTEC ESA, Nizozemí) a M. Simčákovi, Z. Dvořákovi, Z. Kozáčkovi, J. Marešovi a P. Váňovi (CSRC Brno). Děkuji prof. Z. Janoutovi, J. Bergerovi a Š. Polanskému z ÚTEF ČVUT za připomínky a jazykovou korekturu. Projekt SATRAM byl financován grantem č. 4000105089/11/NL/CBi (641-120004M) z Evropské kosmické agentury ESA.

Přístroj z ÚTEF ČVUT na palubě družice ESA

Od roku 2013 létá na oběžné dráze na palubě družice Proba-V z Evropské kosmické agentury (ESA) – kompaktní zařízení určené k měření a vizualizaci stop energeticky nabitých částic kosmické radiace podél dráhy družice. Zařízení navržené týmem z výzkumného ústavu ÚTEF ČVUT v Praze a vyrobené brněnskou firmou CSRC je vybaveno pixelovým detektorem Timepix pro provoz na družicích ESA. Tento pokročilý typ senzoru umí detekovat jednotlivá kvanta záření (tzv. jednočásticová kvantová detekce).

Díky pixelové struktuře je senzor polohově citlivý – měří polohu interakce částice na detektoru a zobrazuje mikroskopické stopy, které nabité částice v pixelové matici senzoru tvoří. Pomocí algoritmů rozpoznání stop lze určit složení radiačního pole a změřit jeho spektrální charakteristiky (např. lineární brzdnou schopnost nabitých částic). Detektor je založen na hybridní polovodičové technologii, která byla vyvinuta v ÚTEF ČVUT v rámci dlouholeté vědecké spolupráce s CERN. Družicové palubní zařízení SATRAM (zkráceně z angl. Space Application of Timepix Radiation Monitor) bylo vyvinuto s podporou ESA a je první implementací této detektorové technologie v otevřeném prostoru ve vesmíru. SATRAM slouží jako mimořádně citlivé a vysoce kompaktní zařízení pro detekci jednotlivých částic v širokém dynamickém energetickém rozsahu a četnosti (toku částic). Vlivem příznivých technických parametrů (malý rozměr, nízká váha, nízká spotřeba, integrovaná elektronika a kompaktní řešení) je zařízení SATRAM atraktivní novou technologií pro vesmírné účely jako družicový přístrojový prvek (monitor radiace) i jako samostatný vědecký přístroj pro vesmírné mise ESA.

Dne 7. května 2013 bylo zařízení SATRAM vyneseno do vesmíru na palubě družice Proba-V (viz obr. 3). Družice, vynesená ESA raketou Vega-2 z kosmodromu Kourou ve Francouzské Guyaně, byla navedena na heliosynchronní kruhovou polární dráhu ve výšce 820 km se sklonem 98,8°. Ačkoliv byla tato dráha zvolena zejména s ohledem na hlavní cíl mise, kterým je pozorování změn vegetace na Zemi s plným pokrytím, je dráha dobře využitelná i k preciznímu a systematickému měření kosmické radiace na oběžné dráze Země včetně zmapování oblastí se zvýšenou radiací, jakou je anomálie a okruhy okolo polárních regionů.

Kvantová detekce a vizualizace drah jednotlivých částic

Zařízení SATRAM, vybavené pixelovým detektorem Timepix s 300mikronovým křemíkovým senzorem, detekuje na oběžné dráze jednotlivé částice kosmického záření s úplným potlačením pozadí (tzv. detekce s kvantovou citlivostí), zaznamenává jejich deponovanou energii a určuje jejich směr letu (u energetických nabitých částic). Detekce kosmické radiace senzorem (viz obr. 4) je zaznamenána charakteristickými signály v pixelové matici detektoru. Typy částic jsou určeny pomocí různých  druhů a tvarů stop, deponované energiea směru vůči rovině senzoru. Analýza těchto stop umožňuje určit složení radiačního pole podle druhu částic a rozdělit toto složení na lehké nabité částice, těžké nabité částice a fotony (tj. rentgenové paprsky). Záření gama a neutrony jsou v zásadě nedetekovány, resp. účinnost detekce v detektoru je velmi nízká. Energetická citlivost jednotlivých pixelů detektoru Timepix umožňuje měřit lineární brzdné schopnosti energeticky nabitých částic, a tím určit spektrální charakteristiku složení radiace. Granularita detektoru umožňuje určit směr trajektorie částic s úhlovým rozlišením několika stupňů.

Měření radiačního pole na oběžné dráze

Zařízení SATRAM je provozováno v nepřetržitém režimu. Tím měří a mapuje radiační pole podél dráhy družice během dlouhého časového intervalu. Za den družice oběhne Zemi celkem 14krát (jedna oběžná perioda trvá 101 minutu) a celý povrch Země může být zmapován za dva dny. Výsledná mapa rozložení radiace podél dráhy družice (viz obr. 5) zobrazuje celkový dávkový příkon integrovaný přes všechny složky radiace během delšího časového intervalu. Podrobný snímek z oblasti anomálie je zobrazen na obálce časopisu. Analýza dat dále probíhá.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Fyzika

O autorovi

Carlos Granja

Doc. Ing. Carlos Granja, Ph.D., (* 1972 v Kolumbii, od r. 1991 žije v ČR) vystudoval Fakultu jadernou a fyzikálně inženýrskou ČVUT. Doktorát v oboru experimentální jaderná fyzika získal na téže fakultě v r. 2003. V r. 2007 se habilitoval na VUT Brno. Je školitelem studentů doktorského studia na FJFI ČVUT a vědeckým tajemníkem Ústavu technické a experimentální fyziky (ÚTEF) ČVUT v Praze (od r. 2009). Od r. 2011 vede vědecký program na iontovém urychlovači Van de Graaff , který patří mezi tzv. velké infrastruktury ČR (poskytuje např. experimentální čas se svazky monoenergetických neutronů). Zabývá se jadernou spektroskopií, jadernými reakcemi, detekcí a spektrometrií záření, vizualizací energetických částic, charakterizací směsných radiačních polí a měřením s pixelovými detektory vyvinutými v ÚTEF ČVUT v rámci mezinárodní spolupráce Medipix. V posledních letech se intenzivně věnuje přenosu zmíněných detekčních technologií pro použití v kosmickém výzkumu. Je např. vedoucím projektu družicového zařízení SATRAM/ Timepix, který byl vypuštěn na oběžnou dráhu v r. 2013 na palubě družice Evropské kosmické agentury. Od r. 2013 je členem Rady kosmického výzkumu MŠMT.

Doporučujeme

Přemýšlej, než začneš kreslit

Přemýšlej, než začneš kreslit

Ondřej Vrtiška  |  4. 12. 2017
Nástup počítačů, geografických informačních systémů a velkých dat proměnil tvorbu map k nepoznání. Přesto stále platí, že bez znalosti základů...
Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné