Elektormágneses hullámok kutatása Ferencz Csaba Elektormágneses hullámok kutatása A Magyar Tudományos Akadémia Műszaki Tudományok Osztálya és Fizikai Tudományok Osztálya 50 ÉVES A MAGYAR ŰRKUTATÁS tudományos osztályülése, Budapest, 2007. november 20. Eötvös Lóránd Tudományegyetem Geofizikai és Űrtudományi Tanszék, Űrkutató Csoportja H-1117 Budapest, Pázmány P. sétány 1/A. Hungary spacerg@sas.elte.hu

Az e.m. jelenségek vizsgálatának fontossága A) A vizsgálatok lehetőségei általában: A jelek természetes vagy mesterséges eredetűek, kvázi-monokromatikusak illetve tetszőleges alakúak (ultraszélessávúak, azaz UWB jelek). Alkalmazások fő területei: az űreszköz illetve mozgása, pályája vizsgálata; a jelforrás, például egy adott bolygó elektromágneses aktivitásának illetve elektromágneses környezetének kutatása, monitorozása (pl. űridőjárás); az átjárt közeg tanulmányozása (pl. magnetoszféra kutatás). Feltételei: pontos jelalak mérések, időben folyamatosan és automatikus feldolgozással és értékeléssel; egzakt elméleti leírás inhomogén, mozgó stb. közegekben és tetszőleges alakú jelekre.

Az e.m. jelenségek vizsgálatának fontossága A kutatás kezdetei itthon – 1965: Az első rádiós műhold-követés és Doppler-mérés.

Az e.m. jelenségek vizsgálatának fontossága A kutatás kezdetei itthon – 1966-68: Az első távérzékelt adat („felhő-kép”) vétele, majd transzóceáni URH kapcsolat. A ferenchegyi állomás négyes-helix követő antennája.

Az e.m. jelenségek vizsgálatának fontossága B) Az ULF-VLF-RF tartomány fontossága: A Föld, a földszerű és nagy bolygók illetve a Nap és a bolygóközi tér paraméterei ezt a tartományt definiálják. Alkalmazások fő területei: a Föld működésének kutatása és állapotának monitorozása; a bolygók elektromágneses környezetének megismerése (pl. Vénusz); a Naprendszer működésének megismerése. Eszközei: in situ mérések az űrben (pl. SAS-műszerekkel); földi bázisú mérések a Földön és más bolygókon (AWDA-rendszer); az űreszköz-Föld terjedési út vizsgálata (pl. okkultációs mérések). A kulcs a Maxwell-egyenletek valóban egzakt megoldása!

Az e.m. jelenségek vizsgálatának fontossága A kulcs a Maxwell-egyenletek valóban egzakt megoldása:

A fő területek ma (bővül!) módszer és eredmények: legfontosabb terület ma: érvényesség: I. UWB jelek előmágnesezett plazmában II. UWB jelek hullámvezető struktúrákban III. Monokromatikus és UWB jelek inhomogén közegekben IV. Monokromatikus és UWB jelek mozgó, inhomogén közegekben V. Monokromatikus és UWB jelek inhomogén távvezetéken űrkutatás és alkalmazások  általános  űrkutatás és alkalmazások általános  általános általános előmágnesezett plazma (az űrben)  általános  általános általános

Ami még biztosan előttünk áll (most többet nem esik szó ezekről) Az eredmények alkalmazása más területeken (pl. akusztika, szeizmikus kutatás és alkalmazás stb). Gyakorlati kérdések pontos megválaszolása inhomogén távvezetékeken a tapasztalattal összhangban. Az eljárás alkalmazása időben változó közegekre. UWB jelek terjedése homogén, nemlineáris közegekben. Terjedés inhomogén, nemlineáris közegekben. Terjedés görbült terekben (pontos jelalak leírás UWB esetben is). A „lehetetlen” alakú jelek interpretálása. ... ? ...

Ami még biztosan előttünk áll (most többet nem esik szó ezekről) „Lehetetlen” alakú jelek dinamikus spektruma. A DEMETER műhold adatai, a misszió fut. – A misszió tudományos munkájában meghívásra résztveszünk.

The supposed form of the solution A megoldás útja (1) A Maxwell-egyenletek megoldásának általános menete: Ez minden esetben a Self Consistent Field (SCF) eljárással lehetséges csak a specifikus feladattól függetlenül. Observer Theory: Result: form of propa- gating signal Propagation situation * CHECK-POINT Solution of the Maxwell’s equations for the given signal form and for the given medium structure Medium  signal interaction START: Medium parameters The supposed form of the solution Comparison of signal form “Physical concept” “Objective reality” Preconception of the model

A megoldás útja (2) Lehetséges jel-formák (mai tudásunk): monokromatikus jellegű, egy- vagy több-módusú, terjedő; UWB (általános alakú), egy- vagy több-módusú, terjedő; soliton jellegű, mozgó; ... ? ... A közeg jellege: homogén, inhomogén, mozgó stb. szabad térben, hullámvezetőben (peremfeltételek) stb. vákuum, izotróp, anizotróp, lineáris, nemlineáris stb.

A probléma lényege HA a kiinduló feltételezésünk (prekoncepció) rossz, pl. rossz jelszerkezet, rossz közeg-leírás, ... stb. AKKOR az eredmény is biztosan rossz lesz. A manapság elfelejtett utolsó lépés: ellenőrízni, hogy feltételezett és végül kapott jel-forma, jelszerkezet egyezik-e. Emlékezzünk: "Any serious consideration of a physical theory must take into account the distinction between the objective reality, which is independent of any theory, and the physical concept with which the theory operates." (A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen - 1935)

Fontos elvi eredmények (példaként) 1. UWB jelek: az "objektív realitás" az a tény, hogy a jel indító „éle” (pillanata) előtt nincs semmiféle energia jelen; ezért pl. a Fourier-elmélet ellentmondásban van az "objektív realitással". 2. Inhomogén (lineáris) közegek: az eredet (forrás) jel és a reflektált (szórt stb.) energia- részek mindig csak együtt léteznek; ezért biztos, hogy az eredeti (forrás) és reflektált (szórt) energia-részek együtt a Maxwell-egyenletek megoldásai. Az az ötlet, hogy ezek a részek külön-külön is a Maxwell-egyenletek megoldásai ennek az adott esetben lineáris differenciál-egyenlet rendszernek, téves, minden matematikai alapot nélkülöz.

Fontos elvi eredmények (példaként) A kulcs a Maxwell-egyenletek valóban egzakt megoldása: A korábbi, a Fourier-elméletet használó monokro- matikus-tipusú whistler-modellhez képest mutat- kozó ún. fekvő-S futási idő reziduál mind a mért whistlereken, mind az egzakt UWB megoldáson.

SAS-ok az űrben – és a földön A SAS (Signal Analyser and Sampler) család: 1989-től Feladata: 1~6 komponensű, pontos e.m. jelalak mérés az űrben, illetve a földön is, a keresett jelek felismerése, kiválasztása, szimultán mérések indítása. A SAS az IK-24-en, 1989~1992

SAS-ok az űrben – és a földön A SAS2 a Compass-2 fedélzetén: 2006-2007 Feladata: a plazmaszféra, az űridőjárás és a szeizmikus eredetű jelek kutatása, a műhold-család technológiai próbája, amelyet a Canopus-Volcano sorozat követ.

SAS-ok az űrben – és a földön A SAS2 a Compass-2 fedélzetén: 2006-2007 Feladata: a plazmaszféra, az űridőjárás és a szeizmikus eredetű jelek kutatása, a műhold-család technológiai próbája, amelyet a Canopus-Volcano sorozat követ.

SAS-ok az űrben – és a földön A földi AWDA hálózat: a ‘90-es évek óta épül ki globálisan, először VR1-kel, majd minőségváltás most a VR2-kel, a SAS2-k földi testvérével Feladata: a műholdas mérésekkel szimultán, folyamatos (!) földi mérések végzése, a Föld VLF e.m. tevékenységének teljes felmérése és folyamatos monitorozása, valódi statisztikák felvétele, a globális változások monitorozása.

Új jelenségek (1) – SpW A „tüskés whistler” – Spiky Whistler (SpW) – a Föld-ionoszféra hullámvezetőben terjedés után indul el a műhold fele: új UWB megoldások és fedélzeti mérések, Demeter és Compass-2. Mért és számított SpW jelek, a műholdas adatok DEMETER adatok. Compass-2 SAS2 SpW jelek:

Új jelenségek (2) – STW A „fecskefarkú whistler” – swallow-tailed whistler (STW) – ma még ismeretlen módon keletkezik: új jelenségek, pl. Demeter adatokon. Európa felett mért STW-k, a műholdas adatok DEMETER adatok.

Új jelenségek (3) – a „trapéz-jel” A „trapéz-jel” a műholdhoz ferdén, azaz nem a mágneses erővonalak mentén érkezik, két úton, amely azonban a geomágneses szélesség szerint kötött értékű: új jelenség, több műhold adatain. A kilépési-terjedési út kötöttségének oka ma még nem ismert, mintahogy a megjelenés és megszűnés oka sem. Illusztráció DEMETER adatokkal., s az új terjedési modellt használó számítási eredményekkel.

Új jelenségek (4) – kereszteződő jelek A „kereszteződő jelek” a műholdhoz két úton érkező „normál whistler” és egy SpW módus együtteséből alakulnak ki: új jelenség. Illusztráció DEMETER adatokkal., s az új terjedési modellt használó számítási eredményekkel. Ionosphere Waveguide

Új jelenségek (5) – a duct-okban terjedés A duct-okban vezetett módusok alakulnak ki, amelyek a régi (kvázi-monokromatikus, Fourier-elméletet haasználó, sugárkövetési stb.) leírásokkal nem kezelhetők: új jelenség. Csak ezt a speciális jelalakot mutató jelek terjedtek duct-ban, a többi nem! Illusztráció DEMETER és Compass-2 SAS2 adatokkal., s az új terjedési modellt használó számítási eredményekkel.

Új jelenségek (5) – a duct-okban terjedés A duct-okban vezetett módusok alakulnak ki, amelyek a régi (kvázi-monokromatikus, Fourier-elméletet haasználó, sugárkövetési stb.) leírásokkal nem kezelhetők: új jelenség. Csak ezt a speciális jelalakot mutató jelek terjedtek duct-ban, a többi nem! X=30 000 km; m= 1,2,3 ; wb=900 krad/2; wp=2,5 Mrad/s; a=6 000 m; (b= inf., n=0 )

Kitekintés A közeli jövő további előrelépést hoz, s további elméleti fejlesztést tesz szükségessé mind az inhomogén, mind a nemlineáris, mind a mozgó közegek terén. A fő missziók: - A Compass-2-t követő Canopus-Volcano sorozat SAS2-kel. - Az Obsztanovka-SAS3 misszió az ISS-re. - A Chibis mikroműhold szintén SAS3-mal. - A BepiColombo misszió a Merkúrhoz. - Az új javaslatok következményei: EVE Vénusz-ballon kísérlet stb. A hullámtani áttörés megtörtént. Kellett hozzá egyrészt 40 év, másrészt az, hogy a jelenlegi ELTE Űrkutató Csoport 25 éve folyamatosan tudott (eddig?) dolgozni.

Köszönöm a figyelmüket! A kiemelendő résztvevők az Űrkutató Csoport egyébként egységesen jól teljesítő kutató és az együttműködő fejlesztők közül: Hullámtan: E. dr. Ferencz Orsolya AWDA: dr. Lichtenberger János Mért adatok értékelése: dr. Steibach Péter dr. Hamar Dániel SAS és VR fejlesztés: Bodnár László (BL Electronics) Programfejlesztés: Erhardt Zoltán (Porion Digital Kft.) De fontos tudni, hogy a teljes csapat kell ahhoz, hogy mindez megszülessen és folytatódjon, nemcsak a név szerint is kiemeltek.