7. Nap-Föld kölcsönhatások, bolygók plazmakörnyezete Kecskeméty Károly A Naprendszer fizikája 2016/7 1

űridőjárás fogalma flerek, CMEk és CIRek SEP események töltött részecskék gyorsítási mechanizmusai töltött részecskék terjedése bolygók mágneses tere (L héj) és ionoszférája geomágneses vihar, indexek, sarki fény sugárzási hatások missziók: Cluster és SOHO A Naprendszer fizikája 2016/7 2

Űridőjárás = Nap-Föld kölcsönhatás "Conditions on the Sun and in the solar wind, magnetosphere, ionosphere and thermosphere that can influence the performance and reliability of space-borne and ground-based technological systems and can endanger human life or health." (U.S. National Space Weather plan) A Naprendszer fizikája 2016/7 3

Űridőjárás A Naprendszer fizikája 2016/7 4 Nap bolygóközi tér Föld

Az űridőjárás forrása: a Nap eruptív jelenségek: flerek koronakitörések (coronal mass ejection, CME) szoláris energikus részecske (SEP) események bolygóközi mágneses tér - napszél interplanetáris CMEk (ICMEk) mágneses felhők (ICMEk részhalmaza) interplanetáris lökéshullámok, más diszkontinuitások együttforgó kölcsönhatási tartományok (corotating interaction region, CIR) koronalyukakból eredő gyors napszélnyalábok más források kozmikus sugárzás, por, meteorok, űrszemét, stb. A Naprendszer fizikája 2016/7 5

Flerek A Naprendszer fizikája 2016/7 6

Standard fler modell 7 T = 4*10 7 K térfogat (10 4 km) 3 sűrűség cm -3 gamma fotonok >100 MeV elektronok /s elektron energia >10 MeV proton energia >100 MeV összenergia max J A Naprendszer fizikája 2016/7

Koronakitörések (CME) A Naprendszer fizikája 2016/7 8

Interplanetáris CME 9 ICME alacsony T p, erős B nagy He fluxus szembeáramló elektronok A Naprendszer fizikája 2016/7

Mágneses felhő 10 űrszonda mérés: MC (magnetic cloud): a két szaggatott vonal között erős & forgó B alacsony T p alacsony proton  az ICMEk 30%-a MC A Naprendszer fizikája 2016/7

Együttforgó kölcsönhatási tartományok (CIR) domináns populáció gyenge naptevékenységnél részecskegyorsítás: egy mágneses fluxuscsőre közelítő megoldása A Naprendszer fizikája 2016/7 11 az Ekliptika síkjában

A Naprendszer fizikája 2016/7 impulzívgraduális elektron-gazdagproton-gazdag forrásfler-anyagnapszél időtartamnéhány óratöbb nap gyakoriság~1000/év~10/év CME (keskeny)CME p/He He/ 4 He~10,001 – 0,1 Fe/O1,20,1–0,2 Q(Fe)16-22 (500 keV)10 (500 keV) hőmérséklet 10 MK  2 MK  Szélesség kiterjedés < 30  ~ 180  SEP események fluxus időprofil: gyors felfutás, exponenciális lefutás 12

SEP események korai elképzelés: minden SEP flerekből ered 1990-es évek: impulzív (fler) graduális (CME) ma: folytonos spektrum CME – fler együtt A Naprendszer fizikája 2016/7 13

SEP események - energiaspektrum A Naprendszer fizikája 2016/7 14

Töltött részecskék a Helioszférában A Naprendszer fizikája 2016/7 termális: napszél – Maxwell (stabil) szupratermális: felkapott (pickup) ionok SEP 6-8 nagyságrend változás ESP lökéshullámon gyorsult CIR gyorsított anomális kozm. sug. (stabil) galaktikus kozm. sug. (stabil) energiaspektrum: E -   2 és 3 között 15

Szupratermális részecskék: gyorsítás elektromos tér kell gyorsítási mechanizmusok: reguláris gyorsítás shock drift gyorsítás (nem sztochasztikus) diffuzív shock gyorsítás (elsőrendű Fermi) sztochasztikus gyorsítás (másodrendű Fermi) A Naprendszer fizikája 2016/7 16

Ütközésmentes lökéshullám 17 A Naprendszer fizikája 2016/7

Lökéshullámok inteplanetáris shock CME shock CIR fejhullám (bow shock – bolygók, üstökösök) terminációs shock 18 A Naprendszer fizikája 2016/7 fontos paraméter:  = B és a shock normális szöge  ≈ 90 ◦ kvázi-merőleges  ≈ 0 kvázi-párhuzamos

Reguláris (elektrosztatikus) gyorsítás nagy skálájú elektromos tér forgó erős mágneses tér (neutroncsillag) kettősréteg erővonal összekapcsolódás (rekonnekció) ellentétes irányú mágneses terek összeolvadnak E ~ LB nagyságú elektromos tér alakul ki (L a tartomány mérete) MHD sérül 19 A Naprendszer fizikája 2016/7

Shock drift gyorsítás upstream B erősebb  girorádiusz kisebb downstream B gyengébb girorádiusz nagyobb drift a shock mentén - gyorsítás kvázi-merőleges shock (>80 fok) pl. fejhullámnál 20 A Naprendszer fizikája 2016/7

Diffuzív shock gyorsítás hatékonyabb a sztochasztikus gyorsításnál u1u1 r g >> d u2u2 shock kompresszió R = u 1 / u 2 az impulzusnövekedés elsőrendű (Fermi 1) a shock rendszerében energiaspektrum J = J 0 E  a spektrális kitevő csak a kompressziótól függ 21 A Naprendszer fizikája 2016/7 ha R = 4 (nagy Mach-szám)

Sztochasztikus gyorsítás - másodrendű Fermi töltött részecske rugalmas ütközések random mozgó (nehéz) mágneses tükrök között head-on ütközés: energianövekedés v a részecskesebesség, V a tükör sebessége V/v < head-tail ütközés: energiacsökkenés head-on gyakoribb random walk (diffúzió) másodrendű gyorsítás nagyon lassú energiaspektrum: J = J 0 E  csak akkor működik, ha a veszteségi folyamatok lassúbbak flerekben, az asztrofizikai objektumoknál leggyakoribb 22 A Naprendszer fizikája 2016/7 kis skálájú elektromos tér

4 folyamat kombinációja: Parker transzport egyenlet diffúzió: szóródás a mágneses tér irregularitásain (turbulencia) a  ij diffúziós együttható B-vel párhuzamos része >> merőleges konvekció a kifelé áramló napszéllel vezetőközpont driftek energiaváltozás: a plazma expanziója v. kompressziója miatt Töltött részecskék terjedése a Helioszférában 23 A Naprendszer fizikája 2016/7

Diffúziós egyenlet ütközési szabad úthossz gömbszimmetrikus esetben megoldás konvekciós-diffúziós egyenlet megoldás A Naprendszer fizikája 2016/7 U részecskesűrűség 24

f(x,p,t) részecske eloszlás függvény (közel izotróp) konvekció diffúzió: irányszög szórás  = cos ,  irányszög (v és B bezárt szöge)  ij helyett  (  ) a diffúziós tag: átlagos szabad úthossz térbeli diffúzió adiabatikus lassulás grad és görb. drift impulzustérbeli diffúzió ha  nagy (~ 1 AU, SEP): fókuszált transzport egyenlet a girofázisra átlagolt f(v, ,r,t) eloszlásfüggvényre veszteség Parker egyenlet forrás 25 A Naprendszer fizikája 2016/7

A Föld mágneses tere analitikus leírás első rendű, dipólus közelítés: a magnetoszféra zárt erővonalú tartományában centrális axiális, vagy pl. Föld esetében ~11,5  -al elforgatott mágneses erővonal polárkoordinátás egyenlete L-héj: McIlwain- vagy mágneses héjparaméter 26 A Naprendszer fizikája 2016/7

hengerszimmetrikus mágneses tér skalárpotenciálja m mágneses momentum, θ pólustávolság ennek gradiense 27 A Naprendszer fizikája 2016/7 A Föld mágneses tere

Geomágneses levágás mágneses merevség (rigidity) R = Bρ = p/q 28 A Naprendszer fizikája 2016/7

saját mágneses térrel és légkörrel bíró bolygó plazmakörnyezete lökéshullám mágneses burok magnetopauza tölcsér uszály semleges réteg plazmalepel ionoszféra plazmaszféra napszél Magnetoszféra 29

Napszél – magnetoszféra kölcsönhatás A Naprendszer fizikája 2016/7 Cassini űrszonda aug. 18 áthaladása a magnetoszférán CLUSTER 30

Geomágneses vihar 31 A Naprendszer fizikája 2016/7

A mágneses tér zavarai: indexek A mágneses tér globális háborgatottsági indexei: Kp, Ap, Dst 32 A Naprendszer fizikája 2016/7 intenzív geomágneses viharok: 49% MC/ICME 36% non-MC/ICME 19% CIR Kp: a mágneses tér fluktuációinak logaritmusa

Numerikus szimulációk 33 A Naprendszer fizikája 2016/7

34 Plazmaszféra belső magnetoszféra, az ionoszféra fölött levő, hideg plazmájú tartomány nem teljesen forog együtt a Földdel külső határa a plazmapauza leárnyékolja a nagyenergiájú killer elektronokat

35 Sugárzási övek A Naprendszer fizikája 2016/7 befogott protonok és elektronok, ütközésmentes mozgás 3 öv (a 3. tranziens) belső 0,2-2 RE, e 100 KeV p > 100 MeV külső 3-10 RE e 0,1-10 MeV

Ionoszféra A Nap EUV-X sugárzása ionizálja a légkör atomjait/molekuláit. A légkör sűrűsége csökken a magassággal, az elnyelődő sugárzás együtt ionizált réteget alakít ki a felsőlégkörben: ez az ionoszféra. A Naprendszer fizikája 2016/7 36 geomágneses vihar: megváltozik a rádióhullámok terjedési útja az ionoszférában

Sarki fény (aurora borealis) A Naprendszer fizikája 2016/7 37 geomágneses vihar idején a mágneses pólusok környékén az erővonalak mentén a légkörbe bejutó ionok gerjesztik az atomokat (N, O), azok alapállapotba jutva sugároznak oxigén: zöld, vörös nitrogén: ibolya

Az űridőjárás földi hatásai elektronika - sugárzási károsodás: egyes esemény kumulatív műholdak - elektrosztatikus kisülés: felületi feltöltődés deep dielectric charging (elektron felszaporodás és kisülés)  fantom parancsok kommunikáció, navigáció elektromos vezetékek túlterhelése áramok olajvezetékekben, földben biológiai: sejtkárosodás (DNS) űrhajósok (űrséta) rák kockázat (Mars utazás) 38 A Naprendszer fizikája 2016/7

Űridőjárás előrejelzése nagyenergiájú (MeV) elektronok 39 A Naprendszer fizikája 2016/7

numerikus szimulációk: ENLIL, BATSRUS 40 Űridőjárás előrejelzése A Naprendszer fizikája 2016/7

űrszondák Nap Helioszféra Bolygómagnetoszférák Yohkoh Voyager 1-2 Cluster, Geotail, Polar, Themis (5) SOHO Ulysses Mars Express TRACE WIND Venus Express RHessi ACE – kozmikus sug. Cassini - Szaturnusz Hinode Rosetta – üstökös STEREO A,B Messenger- Merkur SDO BepiColombo - Merkur Solar Orbiter New Horizons – Pluto Solar Probe Plus Dawn – kisbolygók JUICE - Jupiter A Naprendszer fizikája 2016/7 41

SOHO - Solar Heliospheric Observatory Fellövés dec. L1 Lagrange pont körüli pálya GOLF – globális oszcillációk VIRGO – irradiancia MDI – Doppler SUMER – UV CDS – korona diagnosztika EIT – extrém UV UVCS – UV koronográf LASCO – koronográf SWAN – napszél CELIAS – töltés-elem-izotópok COSTEP – szupratermális ERNE – energikus részecskék 42 A Naprendszer fizikája 2016/7

CLUSTER Fellövés 2000 júl.-aug. 4 szonda változó tetraéder alakzatban 11 műszer Magnetométer Elektromos tér-és hullám mérő Plazmahullám-detektor Digitális hullám processzor Alacsony és közepes energiájú részecskespektrométerek Ion-spektroszkópia Elektron drift mérő Elektrosztatikus potenciál szabályozó 43 A Naprendszer fizikája 2016/7

A 25. napciklus A Naprendszer fizikája

Kérdések Mik a fontos űridőjárási jelenségek a Napon, a bolygóközi térben és a Földnél? Mik a koronakitörések (CMEk) és az ICMEk/mágneses felhők jellemző tulajdonságai? Hogyan alakulnak ki és mik a SEP események fő tulajdonságai? Mik a legfontosabb részecskegyorsítási mechanizmusok? Egyet elemezzen részletesebben. Milyen a földi magnetoszféra szerkezete, milyen határfelületek vannak? Milyen fizikai folyamatokat írnak le a Parker-féle transzport egyenlet egyes tagjai? Hogyan alakul ki az ionoszféra? Hogyan alakul ki a sarki fény? 45

A NAPRENDSZER FIZIKÁJA 2016 Prof. Szegő Károly et al. Wigner Fizikai Kutatóközpont Űrfizikai és Űrtechnológiai Osztály 46