A NAPRENDSZER FIZIKÁJA 2016 őszi félév Prof. Szegő Károly et al. Wigner Fizikai Kutatóközpont Űrfizikai és Űrtechnológiai Osztály szego.karoly@wigner.mta.hu http://www.rmki.kfki.hu/~opitz/NF2016AS.html

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

A Naprendszer fizikája 2016/7 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

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

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

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

A Naprendszer fizikája 2016/7 Flerek A Naprendszer fizikája 2016/7

A Naprendszer fizikája 2016/7 Standard fler modell T = 4*107 K térfogat (104 km)3 sűrűség 1010 cm-3 gamma fotonok >100 MeV elektronok 1010 /s elektron energia >10 MeV proton energia >100 MeV összenergia max. 1025 J trigger: filament (hideg gáz csavart fluxuscsőben) erupciója - rekonnekció megnyílik a mágneses tér A Naprendszer fizikája 2016/7

Koronakitörések (CME) A Naprendszer fizikája 2016/7

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

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

Együttforgó kölcsönhatási tartományok (Corotating Interaction Regions) az Ekliptika síkjában ez a domináns populáció gyenge naptevékenységnél részecskegyorsítás: egy mágneses fluxuscsőben (Parker, Fisk-Lee) nagy v: megoldás R kompresszióarány A Naprendszer fizikája 2016/7

SEP (Solar energetic particle) események   impulzív graduális elektron-gazdag proton-gazdag forrás fler-anyag napszél időtartam néhány óra több nap gyakoriság ~1000/év ~10/év CME (keskeny) CME p/He 10 100 3He/4He ~1 0,001 – 0,1 Fe/O 1,2 0,1–0,2 Q(Fe) 16-22 (500 keV) 10 (500 keV) hőmérséklet 10 MK 2 MK Szélesség kiterjedés < 30 ~ 180 fluxus időprofil: gyors felfutás, exponenciális lefutás A Naprendszer fizikája 2016/7

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

SEP események - energiaspektrum A Naprendszer fizikája 2016/7

Töltött részecskék a Helioszférában 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-g 2 < g < 3 A Naprendszer fizikája 2016/7

Töltött részecskék detektálása (szupratermális)

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

Ütközésmentes lökéshullám A Naprendszer fizikája 2016/7

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

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 A Naprendszer fizikája 2016/7

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 A Naprendszer fizikája 2016/7

Sztochasztikus gyorsítás - másodrendű Fermi kis skálájú elektromos tér töltött részecske rugalmas ütközések random mozgó (nehéz) mágneses tükrök között head-on ütközés: energianövekedés v a részecskesebesség, V a tükör sebessége V/v < 10-4 head-tail ütközés: energiacsökkenés head-on gyakoribb random walk (diffúzió) másodrendű gyorsítás nagyon lassú energiaspektrum: J = J0 E-g csak akkor működik, ha a veszteségi folyamatok lassúbbak flerekben, az asztrofizikai objektumoknál leggyakoribb A Naprendszer fizikája 2016/7

Diffuzív shock gyorsítás hatékonyabb a sztochasztikus gyorsításnál rg >> d u2 u1 shock kompresszió R = u1 / u2 az impulzusnövekedés elsőrendű Fermi energiaspektrum J = J0 E-g a spektrális kitevő csak az R kompresszióaránytól függ ha R = 4 (nagy Mach-szám) a shock rendszerében A Naprendszer fizikája 2016/7

Töltött részecske mozgása mágneses térben leírható egy vezetőközpont (guiding center) körüli gyors körmozgás és a központ lassú mozgása (drift) szuperpozíciójaként driftek inhomogén mágneses térben grad-B drift görbületi drift görbületi sugár

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

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

A Naprendszer fizikája 2016/7 Parker transzport egyenlet f(x,p,t) részecske eloszlásfüggvény (közel izotróp) konvekció térbeli diffúzió gradiens és görb. drift adiabatikus lassulás impulzustérbeli diffúzió forrás veszteség diffúzió: irányszög szórás m = cos a, a irányszög (v és B bezárt szöge) kij helyett k(m) megkapható, ha δB/B kicsi – kvázilineáris közelítés a mágneses térrel párhuzamos transzport (diff, konv, adiab) térbeli diffúzió A Naprendszer fizikája 2016/7

A Naprendszer fizikája 2016/7 átlagos párhuzamos szabad úthossz merőleges diffúzió: k << k erővonal keveredés (random walk) ha l nagy (~ 1 AU, SEP): fókuszált transzport egyenlet a girofázisra átlagolt f(v,m,r,t) eloszlásfüggvényre A Naprendszer fizikája 2016/7

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 A Naprendszer fizikája 2016/7

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

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

saját mágneses térrel és légkörrel bíró bolygó plazmakörnyezete Magnetoszféra saját mágneses térrel és légkörrel bíró bolygó plazmakörnyezete lökéshullám mágneses burok magnetopauza tölcsér uszály semleges réteg plazmalepel ionoszféra plazmaszféra napszél A Naprendszer fizikája 2016/7

Napszél – magnetoszféra kölcsönhatás Cassini űrszonda 1999. aug. 18 áthaladása a magnetoszférán plazmasűrűség mérés CLUSTER A Naprendszer fizikája 2016/7

A Naprendszer fizikája 2016/7 Geomágneses vihar A Naprendszer fizikája 2016/7

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

Numerikus szimulációk A Naprendszer fizikája 2016/7

A Naprendszer fizikája 2016/7 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 A Naprendszer fizikája 2016/7

A Naprendszer fizikája 2016/7 Sugárzási övek 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 A Naprendszer fizikája 2016/7

A Naprendszer fizikája 2016/7 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. geomágneses vihar: megváltozik a rádióhullámok terjedési útja az ionoszférában A Naprendszer fizikája 2016/7

Sarki fény (aurora borealis) 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 A Naprendszer fizikája 2016/7

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) A Naprendszer fizikája 2016/7

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

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

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

SOHO - Solar Heliospheric Observatory Fellövés 1995. 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 A Naprendszer fizikája 2016/7

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 A Naprendszer fizikája 2016/7

A Naprendszer fizikája 2016 A 25. napciklus A Naprendszer fizikája 2016

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?