Cluster műholdak a turbulencia kutatásának szolgálatában

Idén 10 éves a Cluster űrmisszió, amely számos, a gyakorlati életben is hasznosuló jelenség megfigyelésében vesz részt. A program kitüntetett célja a mágneses térrel átjárt töltött részecskék turbulens áramlásának vizsgálata.

Az Űrvilág júliusban megemlékezett a Cluster műholdak felbocsátásának és működésének 10. évfordulójáról. A programban négy, azonos felszereltséggel rendelkező hold szerepel, amelyek párhuzamos pályákon haladva Földünk űrkörnyezetének szinte minden régióját bejárják. Az egyes műholdak észlelései közötti különbségek vizsgálata egyedülálló lehetőséget jelent az űr térbeli folyamatainak (pl. hullámok terjedése, részecskék koherens áramlása, vagy turbulens dinamikai események) megfigyelése szempontjából. A működés során a holdak egymáshoz képesti elhelyezkedését és távolságát időről időre változtatják, alkalmazkodva a vizsgálat alá vont térrészek illetve jelenségek térbeli adottságaihoz.

A misszió által gyűjtött adatok feldolgozásában, illetve az adatokat tároló adatbázis kiépítésében és közzétételében a kezdetektől lényeges szerepet játszik az MTA KFKI RMKI Kozmikus Fizikai Főosztálya. Az adatok feldolgozásához a későbbiekben az Eötvös Loránd Geofizikai Intézet (ELGI) is csatlakozott a program egyik kiemelt kutatási célkitűzése, a turbulens mágneses jelenségek Föld körüli térségünkben való vizsgálata kapcsán. Miután a turbulencia alapvetően térbeli jelenség, megismerésében a négy párhuzamosan haladó műhold azonos idejű észleléseinek feldolgozása az egy műholdas missziókból nyert ismeretekhez képest lényegesen több információt adhat.

Három dimenziós turbulens örvények szimulációja. (Kép: W.C. Müller, S. Malapaka / IPP; R. Bruckschen / RZG)

A napszél, azaz a Nap felől folyamatosan áramló töltött részecskék számára a Földünk mágneses terét magában foglaló térrész, a magnetoszféra áthatolhatatlan akadályt jelent. Ez az akadály a napszél szuperszonikus sebességének drasztikus csökkenését idézi elő egy jól meghatározott felület, az ún. lökéshullámfront (LF) mentén. A turbulencia megjelenése leginkább ennél a felületnél, illetve ennek előterében érhető tetten. Kutatásainkban egy, a Cluster holdak mágneses észleléseiből képzett, turbulenciára jellemző paraméter térbeli változását vizsgáltuk hosszú idő átlagában, a lökéshullámfront előterében. A paraméter előállításában mind a négy műhold észleléseit felhasználtuk a turbulencia valós térbeli fluktuációinak jellemzésére. Az alábbi ábrán a turbulencia átlagos erősségének térbeli eloszlása látható az ekliptika síkjában. Az ábra jól mutatja a turbulens szerkezetek felerősödését a lökéshullámfronthoz közeledve. Megfigyelhető azonban a turbulencia erősödésének változása a front vonala mentén is, amiért a frontról visszaverődő részecskék és a napszél átlagos mágneses tere közötti kölcsönhatás erősségének irányfüggése a felelős.

A turbulencia erősségének térbeli változása a lökéshullámfront előterében, hosszú idő átlagában. (LF: lökséhullámfront, MP: a magnetoszférát határoló felület, a magnetopauza).

A kutatás szorosan kapcsolódik az intézetünk Tihanyi Geofizikai Obszervatóriumában zajló pulzációs észlelések tudományos vizsgálatához is. A pulzációk a mágneses regisztrátumokon megfigyelhető perc-közeli hullámhosszú, kis amplitúdójú periodikus változások, amelyek eredete szintén a lökéshullámfront előterében keresendő. Míg azonban ezek a jelenségek a napszélben, ún. hullám-részecske kölcsönhatás során kialakuló, adott periódusú hullámtevékenységhez kapcsolódnak, a turbulenciát a mágnesezett plazma széles frekvencia-tartományban megjelenő koherens örvénylése alakítja ki. A vizsgálatok alapján jelenleg úgy tűnik, hogy a két eltérő jelenség kialakulása egymással korrelációt mutat, tehát a turbulencia erősödése a felszínen megfigyelhető pulzációs aktivitás növekedésével is együtt jár.

A kutatást a Magyar Űrkutatási Iroda témapályázata is támogatja.

Kovács Péter
(ELGI)

Kapcsolódó cikkek:
Cluster: négy műhold, tíz év
Turbulencia a tejeskávéban és Föld körüli térségünkben - I. rész
Turbulencia a tejeskávéban és Föld körüli térségünkben - II. rész