Teliholdkor váratlan sugárözön lepheti meg  a holdutazókat

A napszél a Nap felső atmoszférájából ered, és minden irányban kifelé terjed a helioszféra határáig. A szuperszonikus és szuperalfvénikus (azaz a hangsebességnél és a transzverzális magnetohidrodinamikai hullámterjedési sebességnél gyorsabb) plazmaáram kölcsönhatásba lép az összes objektummal a Naprendszerben. A kölcsönhatás eredményeképpen nagyon gazdag és sokrétű tartományok jönnek létre az adott égitest környezetében.

Ezek a régiók és jelenségek egészen mások attól függően, hogy a napszél mágneses térrel ütközik és térül el, vagy mágneses tér nélküli, de légkörrel rendelkező bolygó légkörével és indukált magnetoszférájával lép kölcsönhatásba.

A szélzsák a szél irányának és erősségének fontos jelzője, a légmozgás következtében mutatott viselkedése hasonló ahhoz, ahogy a magnetoszféra reagál a napszél változásaira Forrás: istockphoto.com

A Holdnak nincs sem légköre, sem mágneses tere, amely megvédené felszínét a napszél részecskéinek becsapódásától. Kísérőnk felszíne a bolygónk körüli pályájának háromnegyedén közvetlenül ki van téve a napszélnek és minden Napból érkező részecskesugárzásnak, a szoláris-energikus részecskék bombázásának, azaz olyan nagy energiájú elektronok, protonok és ionok becsapódásának, amelyek egy-egy napkitörés folyamán vagy egy-egy koronakitörés lökéshullámán gyorsulnak fel, és érnek el nagy energiát.

A pálya maradék egynegyedén, azaz a telihold környékén a Hold belép a Föld lökéshulláma mögötti tartományba, a mágneses burokba, illetve mágneses védőernyőjébe, a magnetoszférába. Bolygónk eredetileg közel dipólus mágneses tere a napszél nyomásának hatására a Nap felőli oldalon összenyomódik, az éjszakai oldalon azonban nagyon elnyúlik. Az éjszakai magnetoszférát körbeveszi a mágneses burok, a lökéshullámon keresztülhaladt, felhevült és lelassult napszéláram tartománya, akárcsak a nappali oldalon.

Egészen pontosan nem lehet tudni, hogy meddig is terjed a földi magnetoszféra, annyit azonban bizonyos, hogy a Földtől 2 millió km-re is érzékelhető, hiszen a STEREO B szonda műszereinek mérései szerint a Nappal ellentétes irányban ilyen távolságban belépett a magnetoszférába.

Korábbi tanulmányok alapján úgy vélték, hogy a Hold körül keringő mesterséges égitestek és a felszínre leszálló űrhajósok telehold környékén biztonságban vannak, mert a Föld megnyúlt, a Nappal átellenes, éjszakai magnetoszférája hatékonyan megvédi őket még a 4 MeV, sőt esetenként akár a néhány GeV energiájú szoláris-energikus részecskék kitöréseitől is.

A napszél hirtelen irányváltozása veszélyezteti az űrhajósok életét

A Journal of Geophysical Research: Space Physics vezető űrfizikai szaklapban megjelent tanulmány a NASA THEMIS-ARTEMIS misszió méréseit elemezve kimutatta, hogy a bolygóközi lökéshullámok eltéríthetik a földi magnetoszférát, úgy, mint egy szélzsákot. Ezt a jelenséget először 1972-ben jelezték előre, de akkor azt feltételezték, hogy csak a Földtől nagy távolságra történhet meg, ahol a kitérés mértéke elegendően nagy.

A holdfázisok és a magnetoszféra elhelyezkedése normál napszélben és a kitérült, lökéshullám által összenyomott esetben Forrás: Q. Q. Shi, Shandong Egyetem

Ezt végül 30 évvel később a WIND űrszonda erősítette meg több mint 100 földsugár távolságra a Földtől a Nap irányával ellentétesen. Azonban az ARTEMIS mérései feltárták, hogy a magnetoszféra kilengése váratlanul megtörténhet harmadakkora távolságban, a telehold pozíciója közelében.

Ez az esemény kibillenti a mágneses pajzsot, és a Hold a napszélbe vagy a mágneses burokba kerül, ahol a részecskesugárzás erősebb. Ez a meglepetésszerű eltérülés és kibukkanás telehold idején megmutatta, hogy a Holdra szálló űrhajósokat és az infrastruktúrát nem védi megbízhatóan a Föld mágneses pajzsa. A felfedezés alapján a dinamikusan változó holdi környezet egy sokkal jobb modelljét lehet kifejleszteni. Ez a modell szükséges ahhoz, hogy a Hold felszínén tevékenykedő személyzetet időben figyelmeztessék a szoláris-energikus részecskék veszélyes kitöréseire.

Az ARTEMIS adatainak megfelelő számítógépes szimuláció, amely megmutatja a napszél-lökéshullám beérkezését (narancssárga), a magnetoszféra összenyomódását (zöld-kék) és kitérését a Holdon keresztül (fekete pötty) Forrás: Q. Q. Shi, Shandong Egyetem

Amikor a kutatók 2012 márciusától elemezték az ARTEMIS észleléseit, felfedeztek egy nagy napszéllökést, amely egy bolygóközi lökéshullám volt.

Az eseményt megnövekedett napszélsűrűség és magasabb napszélsebesség jellemezte (800 km/s) – utóbbi az átlagos napszélsebesség értékének kétszerese. Ebben a különleges esetben a lökéshullám a Nap–Föld iránnyal jelentős szöget zárt be. Az erre a vonalra merőleges sebesség komponense 250 km/s volt (V_y, ahol y az y tengely a geocentrikus szoláris ekliptikus koordináta-rendszerben), ahol a tipikus merőleges napszélsebesség nullához közelít.
Az észlelési adatokat globális magnetohidrodinamikai szimulációkkal reprodukálták. Ehhez egy kínai és egy amerikai fejlesztésű kódot használtak, amelyek nagyon hasonló eredményeket adtak, és nagyban segítették a jelenség megértését. A magnetoszféra kitérése egy órán át tartott, a Holdat fél órán keresztül bombázták a napszél és a mágneses burok részecskéi.

Ez a nagy hajlásszögű lökéshullám egybeesett egy veszélyes, három napig tartó szoláris-energikus részecskekitöréssel. Ez utóbbi nem váratlan, ugyanis az energikus részecskék a lökéshullámokon tesznek szert nagy energiára a bolygóközi térben, a bolygók lökéshulláma előtt vagy a szupernóvává alakuló csillagok lökéshullámain. Tehát a magnetoszféra szélzsákszerű kitérése gyakran esik egybe erős szoláris-energikus részecskeeseményekkel, azaz megnövekedett intenzitású és energiájú részecskesugárzással. Az esemény részletesebb elemzést igényel, amelyről a kutatók egy további tanulmányban számolnak majd be.

Szeszélyes környezet

A Hold a Föld körül kötött keringést végez. Azaz pontosan annyi idő alatt fordul körbe a tengelye körül, mint a bolygónk megkerüléséhez szükséges idő, ezért mindig ugyanazt az oldalát látjuk. Holdunk Föld felőli oldala különösen fontos az emberes holdra szállások szempontjából, ugyanis a Hold ekkor a magnetoszférában tartózkodik, azaz a Föld védi a napszél hatásaitól. Az esetleges holdbázisok miatt is fontos ez az oldal, hiszen innen lehet átjátszó állomás nélkül, közvetlenül kapcsolatba lépni a Földdel.

A Hold felfedezését számos intenzív, nagy energiájú töltött részecskesugárzással kapcsolatos jelenség veszélyeztetheti. Az egyik ilyen jelenség a holdpor feltöltődése, mozgása és ionizációja. További problémát jelenthet, hogy az érzékelők kevésbé hatékonyan dolgoznak, ha túl zajos a környezet. A nagy energiájú sugárzás hatására hibásan működhetnek az érzékelők. A napelemek hatékonysága fokozott tempóban romlik, ha erős sugárzásnak van kitéve. A legintenzívebb szoláris-energikus részecskekitörések károsíthatják az űrhajók kritikus rendszereit, vagy rákot okozhatnak a felszínen tevékenykedő űrhajósok szervezetében.

A napszél hatása a felszínre különbözhet a holdi szélesség függvényében, és befolyással lehet a hosszú távú holdbázisok elhelyezésére, a bányászati tevékenységre és az űrséták időzítésére. A Holdon a víz a napszél protonjainak és a holdi talaj kölcsönhatásának eredményeképpen jön létre. Az eredmények segítenek kideríteni, hogy a víz, amit emberi fogyasztásra és üzemanyag előállítására lehet felhasználni, hol halmozódik fel kísérőnk felszínén. Igen sok kérdést kell még tisztázni, mielőtt az emberiség visszatér a Holdra. Nagyon fontos lenne jobban megérteni a Hold körüli térség fizikáját, és pontosabb módszereket kell kidolgozni e térség állapotának előrejelzésére is. A tervezés alatt álló és nemzetközi együttműködésben megépítendő Deep Space Gateway állomás egyik feladata pontosan ez lesz.

Ez a tanulmány megerősíti a magnetoszféra kitérésére gyakran használt szélzsák-analógiát. Minél nagyobb az oldalszél szöge, annál nagyobb lesz hatására a magnetoszféra szélzsákszerű kitérése. Az ARTEMIS adatait a dinamikus magnetoszféra-modellek javítására fogják felhasználni, a különféle szögben érkező napszél hatásait is belefoglalva az újabb modellekbe.
A magnetoszféra kitérése lökéshullám nélkül is lehetséges, így ennek a jelenségnek az előfordulási gyakoriságát vélhetően erősen alábecsülték. Több bolygóközi lökéshullám-katalógus készült, azonban azokat az eseteket, amikor a napszél sebességének nagy y (esetleg z) irányú összetevője van, nem számolta össze és katalogizálta senki, hiszen eddig nem számítottak tanulmányozásra érdemes jelenségnek. A továbbfejlesztett modelleket az L1 Lagrange-pontban található napszél-monitorozó szondák (mint az ACE vagy a DSCOVR) adataival kombinálva a holdi asztronautákat maximum fél órával a különlegesen veszélyes események beérkezése előtt figyelmeztethetik.

Az 1997-ben felbocsátott Advanced Composition Explorer (ACE) egy napszél-monitorozó szonda, amely librációs pályán kering a Nap–Föld rendszer L1 instabil Lagrange-pontja körül a Földtől 1,5 millió km-re a Nap irányában. Műszereivel folyamatosan méri a bolygóközi mágneses teret, a napszél sebességét és irányát, sűrűségét, hőmérsékletét, továbbá az energikus részecskéket. Ezek az adatok minimális késéssel feldolgozva folyamatosan rendelkezésre állnak, ugyanis ezek az összes űridőjárás-előrejelző modell bemeneti adatai. Vélhetően 2024-ig szolgálatban marad a Kaliforniai Egyetem (Berkeley) Űrtudományi Laboratóriuma irányítása alatt álló eszköz.

Az ARTEMIS két ikerszondából álló misszió, amely a Hold elektromágneses tulajdonságait és a napszéllel való kölcsönhatását tanulmányozza. A sarki fény és a Föld mágneses tere tanulmányozásának szentelt eredeti THEMIS misszió öt azonos szondából állt, és 2007-ben kezdődött. Az eredeti program teljesítése után, 2011-ben két THEMIS szondát átirányítottak Hold körüli pályára, és átkeresztelték őket ARTEMIS-nek. Ez az új pálya ideális az űridőjárás tanulmányozására a távoli magnetoszférában, a Hold körül és a napszélben. A THEMIS és az ARTEMIS missziókat a Kaliforniai Egyetem (Los Angeles) és a Kalifornia Egyetem (Berkeley) Űrtudományi Laboratóriuma együtt irányítja és vezérli.

A Deep Space Climate Observatory (DSCOVR) az ACE szonda leváltására a Nap–Föld rendszer L1 Lagrange-pontja körüli pályára 2015-ben küldött űreszköz. Szintén napszél-monitorozó operációs műhold, amelyet egy korábbi, fel nem bocsátott eszköz felhasználásával készítettek. Folyamatosan méri a napszél mágneses térerővektorát, a napszél sebességét és irányát. Ezek az adatok szintén csaknem azonnal hozzáférhetőek. A DSCOVR misszió egyik vezető kutatója a NASA Goddard Space Flight Centerben (GSFC) dolgozó, magyar származású Szabó Ádám. A szondát a National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) irányítja.

A Deep Space Gateway egy nemzetközi együttműködésben tervezett, a Hold körül hétnapos periódussal, majdnem egyenes vonalú ellipszispályán keringő űrállomás. A pálya perilunáris pontján az állomás 3000 km-re közelíti meg a Hold északi pólusát, az apolunáris pont pedig 70 000 km-re helyezkedik majd el a déli pólustól. A pálya nagyban segíti az emberes és műszeres Hold-programok indítását. Ezenkívül tanulmányozható vele a Hold környezete, a napszél–Hold kölcsönhatás, a Föld távoli magnetoszférája és mágneses burka, továbbá a mély űr (azaz a bolygóközi tér) is.

A geocentrikus szoláris ekliptikus koordináta-rendszer (Geocentric Solar Ecliptic System, GSE) x tengelye a Földtől a Nap irányába mutat, y tengelye az Ekliptika síkjában az alkonyati irányba mutat, z tengelye pedig jobb sodrású rendszert alkot a x és y tengelyekkel, azaz párhuzamos az Ekliptika pólusával.

A WIND szondát 1994-ben bocsátották fel. Működésének első célja a földi magnetoszféra vizsgálata volt. 2004-ben átirányították a Nap–Föld rendszer L1 Lagrange-pontja körüli halópályára. Azóta a zavartalan napszél tulajdonságait méri. Elsősorban tudományos célú műhold, mely ugyanazokat a napszélparamétereket méri, mint a WIND vagy a DSCOVR műholdak, de az adatai sokkal lassabban válnak hozzáférhetővé. A WIND misszió egyik vezető kutatója a már említett Szabó Ádám. A szondát a NASA GSFC működteti és irányítja.

Irodalom

Shang, W. S., Tang, B. B., Shi, Q. Q., Tian, A. M., Zhou, X.‐Y., Yao, Z. H., Degeling, A. W., Rae, I .J., Fu, S. Y., Lu, J. Y., Pu, Z. Y., Fazakerley, A. N., Dunlop, M. W., Facskó, G., Liu, J., Wang, M. (2020): Unusual location of the geotail magnetopause near lunar orbit: A case study. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 125, e2019JA027401.
https://doi.org/10.1029/2019JA027401