Facskó Gábor, az MTA CSFK kutatójának egyéves szimulációja segítheti a Földet körülvevő magnetoszféra jobb megismerését, és szerepet játszhat új műholdak tervezésénél is. Az eredményekre a NASA Goddard Űrközpontja is felfigyelt.

Földünk magnetoszférájának alapos megismerése – a tudományos kíváncsiságon túl – létfontosságú az űreszközök és a földfelszíni elektromos rendszerek biztonsága miatt. A műszeres mérések mellett, hasonlóan az időjárás-előrejelzéshez, e kutatásokban nagy szerepet kapnak a magnetoszféra viselkedését leíró, ún. magneto-hidrodinamikai modellek.

sarki fényMagnetoszféra nélkül nem létezne sarki fény  – fotó: pixabay.com

A globális magneto-hidrodinamikai szimulációk a legköltséghatékonyabb modellező és előre jelző módszerek az űrfizikában, azonban korántsem tökéletesek. Ezt jól mutatja, hogy az e célra kifejlesztett programok azonos egyenleteket oldanak meg szinte azonos módszerekkel, gyakorta mégis eltérő eredményeket adnak. Ezért a programok által adott eredmények összehasonlítása egymással és a valós, fizikai mérésekkel külön szakterület, amit validációnak hívnak. Ehhez különböző időtartamot felölelő szimulációkat futtatnak valódi és mesterséges bemeneti adatokkal.

Facskó Gábor, az MTA CSFK Geodéziai és Geofizikai Intézetének tudományos munkatársa 2016 májusában publikálta tanulmányát egy rendkívül hosszú, egyéves globális magneto-hidrodinamikai szimulációról. A szimuláció újdonságát a hossza adja, mivel jobbára csak pár órás intervallumokat szoktak modellezni, és a leghosszabb, validációra használható szimuláció is mindössze két hónapot ölelt fel.

Eredményei nyomán egy tervezett hosszabb távú együttműködés első lépéseként a Goddard Űrközpont vendégkutató-programja keretében négy hónapos tartózkodásra meghívta az intézménybe a magyar űrfizikust. Az ott töltött idő új irányt szabott az MTA CSFK GGI-ben folyó űrfizikai kutatásoknak, és semmihez sem hasonlítható munkatapasztalatot jelentett a kutató számára.

A Goddard Űrközpont a NASA legnagyobb telephelye Washington D.C.-től nagyjából 20 km-re található, több űrfizikai kutatócsoportot működtető egyetem és a Johns Hopkins Egyetem Alkalmazott Fizikai Laboratóriuma (JHUAPL) közelében, ahol a NASA magnetoszferikus misszióihoz szükséges műszerek többségét építették. Az űrközpontban is párhuzamosan zajlik a tudományos kutatás és a műszerépítés.

A telephelyen jelentős számban dolgoznak a magnetoszféra különféle részeivel foglalkozó szakértők. A Goddard Űrközpont ad otthont továbbá egy nyilvános, bárki által elérhető és használható szuperszámítógép-központnak (Community Coordinated Modelling Center, CCMC), amelynek speciális, egyebek mellett a magnetoszférát modellező szimulácós programjait kérésre bárki futtathatja.

Az eredményekről dióhéjban

  • Az egy év hosszúságú szimuláció segítségével tesztelték az európai szimulációs programot (Grand Unified Magnetosphere–Ionosphere Coupling Simulation, GUMICS-4) a látogatás alatt megjelent publikációban.
  • Ugyanezeket az eredményeket a szimulált és a mért ionoszféra összevetésére is felhasználták egy másik, más szerzőkkel írt korábbi cikkben, annak megállapítására, hogy a szimuláció mennyire alkalmas a földi ionoszféra folyamatainak megértésére.
  • Egy harmadik kutatócsoporttal a napszél paramétereinek változását vizsgálták a Hold pályája mentén a Föld geomágneses csóvájában. Azt a meglepő eredményt kapták, hogy a napszél sebessége és mágneses tere alig változik, de a sűrűsége és a hőmérséklete jelentősen módosul. “Emiatt nem lehet a Hold-szimulációnak zavartalan napszélméréseket adni bemeneti adatként” – számolt be kutatásaikról az űrfizikus.

Facskó Gábor eredményei felkeltették az űrközpont munkatársainak közreműködésével tervezett CuPID (Cusp Plasma Imaging Detector) mikroműhold fejlesztőcsoportjának érdeklődését is. A csoport a földi magnetoszférát lágy röntgentartományban észlelő szondát épít, és számításokat végez a várható eredmények előrejelzésére.

A NASA Goddard Űrközpont – fotó: nasa.gov

A szonda működésének alapját egy ismert jelenség adja. Ha egy ion semleges atommal lép kölcsönhatásba, töltéscsere jöhet létre, így a Naprendszerben a napszél áramló plazmája és az üstökösöket, holdakat és bolygókat körülvevő, sűrű, semleges atomokból álló környezete között is. A napszél többszörösen ionizált nehéz ionjai töltést cserélnek a bolygó exoszférájának semleges atomjaival. A töltéscsere során létrejövő gerjesztett elektronok később alapállapotba kerülnek ami egyes reakcióknál lágy röntgensugárzást kelt. Ezt a sugárzást méri majd a szonda, és a kapott adatok a töltéscserés reakciók gyakorisága miatt lényegében kirajzolják a Föld magnetoszféráját.

Amerikából Európába

A Goddard Űrközpont támogatásával a Facskó Gábor 2016. júniusában részt vehetett az Egyesült Államok második legnagyobb nemzeti űrfizikai konferenciáján, az új-mexikóbeli Santa Fében megrendezett GEM Summer Workshopon, ahol fogalmat alkothatott a földi kozmikus környezet kutatásának jelenlegi állapotáról, és a kozmikus környezet kutatására tervezett programokról (lásd alábbi keretes írásunkat). A konferencia egyben a különféle globális magneto-hidrodinamikai szimulációs iskolák találkozóhelye, ahol a kódokat validálják, azaz a szimulációk eredményeit összevetik a mérésekkel és egymással.

A workshopon tett látogatás adta az ötletet, hogy az Európai Földtudományi Unió (European Geosciences Union, EGU) Bécsben 2017. április 23–28. között rendezendő éves konferenciáján nemzetközi együttműködésben egy modellvalidációs szekciót szervezzenek. A szekció előadásai az ionoszféra- és magnetoszféra-modellek fejlesztésének európai eredményeit ismertetik majd meg a résztvevőkkel.