Magyar kutató módszere ad teljesebb képet bolygónk kozmikus környezetéről

Földünk magnetoszférájának alapos megismerése – a tudományos kíváncsiságon túl – létfontosságú az űreszközök és a földfelszíni elektromos rendszerek biztonsága miatt. A műszeres mérések mellett, hasonlóan az időjárás-előrejelzéshez, e kutatásokban nagy szerepet kapnak a magnetoszféra viselkedését leíró, ún. magneto-hidrodinamikai modellek.

A globális magneto-hidrodinamikai szimulációk a legköltséghatékonyabb modellező és előre jelző módszerek az űrfizikában, azonban korántsem tökéletesek. Ezt jól mutatja, hogy az e célra kifejlesztett programok azonos egyenleteket oldanak meg szinte azonos módszerekkel, gyakorta mégis eltérő eredményeket adnak. Ezért a programok által adott eredmények összehasonlítása egymással és a valós, fizikai mérésekkel külön szakterület, amit validációnak hívnak. Ehhez különböző időtartamot felölelő szimulációkat futtatnak valódi és mesterséges bemeneti adatokkal.

A magnetoszféra jelenlétének leglátványosabb földi bizonyítéka a sarki fény Forrás: Flickr/NASA's Marshall Space Flight Center

Magyar kutató maratoni szimulációja

Facskó Gábor, az MTA CSFK Geodéziai és Geofizikai Intézetének tudományos munkatársa 2016 májusában publikálta tanulmányát egy rendkívül hosszú, egyéves globális magneto-hidrodinamikai szimulációról. A szimuláció újdonságát a hossza adja, mivel jobbára csak pár órás intervallumokat szoktak modellezni, és a leghosszabb, validációra használható szimuláció is mindössze két hónapot ölelt fel.

Eredményei nyomán egy tervezett hosszabb távú együttműködés első lépéseként a Goddard Űrközpont vendégkutató-programja keretében négy hónapos tartózkodásra meghívta az intézménybe a magyar űrfizikust. Az ott töltött idő új irányt szabott az MTA CSFK GGI-ben folyó űrfizikai kutatásoknak, és semmihez sem hasonlítható munkatapasztalatot jelentett a kutató számára.

A Goddard Űrközpont a NASA legnagyobb telephelye Washington D.C.-től nagyjából 20 km-re található, több űrfizikai kutatócsoportot működtető egyetem és a Johns Hopkins Egyetem Alkalmazott Fizikai Laboratóriuma (JHUAPL) közelében, ahol a NASA magnetoszferikus misszióihoz szükséges műszerek többségét építették. Az űrközpontban is párhuzamosan zajlik a tudományos kutatás és a műszerépítés. A telephelyen jelentős számban dolgoznak a magnetoszféra különféle részeivel foglalkozó szakértők. A Goddard Űrközpont ad otthont továbbá egy nyilvános, bárki által elérhető és használható szuperszámítógép-központnak (Community Coordinated Modelling Center, CCMC), amelynek speciális, egyebek mellett a magnetoszférát modellező szimulácós programjait kérésre bárki futtathatja.

A NASA Goddard Űrközpont Forrás: NASA

Az eredményekről dióhéjban

• Az egy év hosszúságú szimuláció segítségével tesztelték az európai szimulációs programot (Grand Unified Magnetosphere–Ionosphere Coupling Simulation, GUMICS-4) a látogatás alatt megjelent publikációban.
• Ugyanezeket az eredményeket a szimulált és a mért ionoszféra összevetésére is felhasználták egy másik, más szerzőkkel írt korábbi cikkben, annak megállapítására, hogy a szimuláció mennyire alkalmas a földi ionoszféra folyamatainak megértésére.
• Egy harmadik kutatócsoporttal a napszél paramétereinek változását vizsgálták a Hold pályája mentén a Föld geomágneses csóvájában. Azt a meglepő eredményt kapták, hogy a napszél sebessége és mágneses tere alig változik, de a sűrűsége és a hőmérséklete jelentősen módosul. “Emiatt nem lehet a Hold-szimulációnak zavartalan napszélméréseket adni bemeneti adatként” – számolt be kutatásaikról az űrfizikus.

Facskó Gábor eredményei felkeltették az űrközpont munkatársainak közreműködésével tervezett CuPID (Cusp Plasma Imaging Detector) mikroműhold fejlesztőcsoportjának érdeklődését is. A csoport a földi magnetoszférát lágy röntgentartományban észlelő szondát épít, és számításokat végez a várható eredmények előrejelzésére.

A szonda működésének alapját egy ismert jelenség adja. Ha egy ion semleges atommal lép kölcsönhatásba, töltéscsere jöhet létre, így a Naprendszerben a napszél áramló plazmája és az üstökösöket, holdakat és bolygókat körülvevő, sűrű, semleges atomokból álló környezete között is. A napszél többszörösen ionizált nehéz ionjai töltést cserélnek a bolygó exoszférájának semleges atomjaival. A töltéscsere során létrejövő gerjesztett elektronok később alapállapotba kerülnek ami egyes reakcióknál lágy röntgensugárzást kelt. Ezt a sugárzást méri majd a szonda, és a kapott adatok a töltéscserés reakciók gyakorisága miatt lényegében kirajzolják a Föld magnetoszféráját.

Amerikából Európába

A Goddard Űrközpont támogatásával a Facskó Gábor 2016. júniusában részt vehetett az Egyesült Államok második legnagyobb nemzeti űrfizikai konferenciáján, az új-mexikóbeli Santa Fében megrendezett GEM Summer Workshopon, ahol fogalmat alkothatott a földi kozmikus környezet kutatásának jelenlegi állapotáról, és a kozmikus környezet kutatására tervezett programokról (lásd alábbi keretes írásunkat). A konferencia egyben a különféle globális magneto-hidrodinamikai szimulációs iskolák találkozóhelye, ahol a kódokat validálják, azaz a szimulációk eredményeit összevetik a mérésekkel és egymással.

A workshopon tett látogatás adta az ötletet, hogy az Európai Földtudományi Unió (European Geosciences Union, EGU) Bécsben 2017. április 23–28. között rendezendő éves konferenciáján nemzetközi együttműködésben egy modellvalidációs szekciót szervezzenek. A szekció előadásai az ionoszféra- és magnetoszféra-modellek fejlesztésének európai eredményeit ismertetik majd meg a résztvevőkkel.