Norrskensforskning
Innehåll- tisdag 3/2-2
•
•
•
•
Norrskensforskning
Lite om elektron- och joninstrument
Rymdväder
Tips för norrskensskådare
2009-02-03 Introduktion till rymdteknik
IIngrid Sandahl, Institutet för rymdfysik, Kiruna
Förutsättningar
Gigantiskt undersö
undersökningsområ
kningsområde
Naturen gö
gör experimenten och
det mesta kan vi inte fö
förutsä
rutsäga
Många variationer är oerhö
oerhört
snabba
2222-årscykel och lä
längre cykler
Resurskrä
Resurskrävande
Hypoteser och modeller
kommer och gå
går.
Värdet av goda
mätningar bestå
består.
Anders Celsius fö
första
publikation om norrsken
utgiven 1733
Forskningsmetoder
Observationer med markbaserade instrument
– Observatorieinstrument
– Andra markbaserade instrument
Observationer i rymden (In(In-situ):
– Sondraketer och satelliter
– "Observatorieinstrument i rymden
Teori, modellberä
modellberäkningar, simuleringar
Aktiva experiment
Vad finns det att mäta?
Ljusemissioner
Magnetiska fä
fält
Elektriska fä
fält
Elektromagnetiska och elektrostatiska vå
vågor
Elektriska strö
strömmar
Elektrontä
Elektrontäthet
Laddade och neutrala partiklar
Stoft
? (Det är en konst att leta på
på rätt sä
sätt)
1
Observatoriemätningar
• Långa tidsserier
• Standardiserade mätmetoder
• Likartade mätningar bedrivs på många
platser
Magnetometrar
Magnetfä
Magnetfältsstö
ltsstörningar
Elektriska strö
strömmar
Observatoriemätningar, IRF
Magnetometer
Firmamentkamera
(All-sky camera)
Riometer
Magnetometerdata
Fluxgate (övre) och Proton (nedre)
www.irf.se/mag
Magnetiska pulsationer
Dags- och årstidsvariationer hos
det magnetiska fältet i Kiruna
2
Magnetiska indices
•
•
•
•
Kp-index, 4 rotationer
(planetärt störningsindex)
K och Kp
AU, AL, AE
Dst
aa
http://www-app3.gfz-potsdam.de/kp_index/definitive.html
AE-stationer
AE, AU, AL 2002/12/01
Abisko
http://swdcwww.kugi.kyoto-u.ac.jp/ae_realtime/index.html
Dst nov 2003 och januari 2009
(ringströmmens intensitet)
http://swdcwww.kugi.kyoto-u.ac.jp/dst_realtime/index.html
3
Avbildande riometer
IRIS imaging riometer, Kilpisjärvi
Riometer
• Relative
ionospheric
opacity meter
• Mäter
absorptionen av
kosmiskt brus vid
30 and 38 MHz
• Information om
partiklar > 10 keV
A (dB)= 10 x log10 (Po / P)
http://www.dcs.lancs.ac.uk/iono/iris/
N
Digitala
firmamentkameror
Traditionell firmamentkamera,
(All-sky camera)
E
•
•
•
•
En bild per minut
4 s exponeringstid
Färgfilm
Synfält nära 180
grader
• 600 km på 100 km
W
• Filter?
• Standardisering?
S
• Keogram
• www.irf.se/allsky
Jonosond
Mäter
elektrontäthet i
jonosfären
Infraljud
• Mikrofoner, < 2 Hz
• Alstras av norrsken, industrier,
explosioner,..
• Kan utbreda sig över mycket långa
avstånd i atmosfären
4
Riktigt långa tidsserier och
"Proxies" (ombud)
Datacentra
•
•
•
•
•
WDC-C2 Kyoto
Göttingen, GFZ Potsdam
WDC Köpenhamn, Edinburgh
NGDC, Boulder (SPIDR)
http://www.irf.se/irfk/links.html
Avbildande instrument
All-sky camera IRF
ALIS, U. Brändström
•
•
•
•
•
•
Solfläckar
C14, Be10 i borrkärnor från is
Norrskensobservationer
Trädringar
Varviga sediment
Borrkärnor, havsbotten
Spektrallinjer
Intensitet
Intensitetskvoter
Exakt vå
våglä
glängd,
Dopplerfö
Dopplerförskjutning
Primärpartiklarnas
energifördelning
Energitillskott
Mikrofysik i
jonosfären
Odin imager,
M. Blixt, U of Tromsø
ASK, H. Dahlgren et al. 2006, KTH
ALIS (Auroral Large Imaging System)
• Spektroskopiskt avbildande system
• 6 CCD-kameror
• Tomografi
Fine structure of diffuse aurora, ALISALIS-FAST
Tima Sergienko et al. et al. (2008) Ann. Geophys.
FAST downward energy flux
557.7 nm volume emission rate
FAST
ALIS
Abisko
Nikkaluokta
Silkkimuotka
http://alis.irf.se
Rekonstruktion av norrskensbågar , Takehiko Aso, NIPR
557.7 nm column intensity
FAST and ALIS
What is the mechanism responsible for the fine structure?
Electron cyclotron harmonic waves and/or whistler mode
waves?
5
Kameranätverk
THEMIS all-sky imager array
MIRACLE
The Magnetometers - Ionospheric
Radars- Allsky Cameras Large
Experiment (MIRACLE)
Svalbard
Automatic Geophysical Observatory (AGO) stations
ALIS
Norrsken och
sydsken längs
samma fältlinje
SuperDARN
Super Dual Auroral Radar Network
Reference: Sato et al.,
GRL 2005
Current programs: IPY core project: ICESTAR/IHY:
Interhemispheric relationships in the electrodynamics of the
Earth’s magnetosphere and ionosphere
Hokkaido radar
Mäter konvektionen i jonosfä
jonosfären
Radarekon frå
från irregulariteter
Vinkelrä
Vinkelrätt mot det magnetiska fä
fältet
Bild: Nikolai Østgaard, UiB
KonvektionsKonvektionsmönster i
realtid
Två
Två
konvektionskonvektionsceller
Typiskt fö
för
IMF Bz<0
http://superdarn.jhuapl.edu/
EISCAT
Incoherent scatter radar
Mäter "nä
"nästan allting"
utom ljus
Mottagarstationen i Kiruna
6
EISCAT
EISCAT Svalbard Radar
Elektrontä
Elektrontäthet
Elektrontemperatur
Jontemperatur
Jondriftens hastighet
Rå elektrontä
elektrontäthet
Svalbard är vä
världsbä
rldsbäst fö
för studier av
dagsidans norrsken
Unik samling av markbaserade instrument
Ingemar Häggström
EISCAT_3D
Nästa generation Europeisk inkoherent spridningsradar
3-dimensionella mä
mätningar med mycket hö
hög upplö
upplösning
Gruppantenner (Phased array)
På ESFRI roadmap (European Strategy Forum on
Research Infrastructure
Investering: 6060-250 miljoner Euro
”Det bästa sättet att få avgörande
information om norrskenspartiklarna kan vara att sända
högflygande raketer direkt upp i
norrskenet, ett experimet som det
kan vara möjligt att göra nu.”
Carl Störmer i ”The polar aurora”, 1955
Elektronspektrum
ovanför en
norrskensbåge
Testantenn i Kiruna
Tänkbar placering av
antenner
Antennfält
Arcas
Kronogård
Sondraket
Detaljerade mä
mätningar i
utvalt norrsken
7
Sondraketer
Svalrak
Andø
Andøya
Esrange
• Fördelar
– Detaljerade mätningar
– Goda möjligheter att samordna med andra
mätningar, t. ex. optiska mätningar från marken
– Man väljer tillfälle
• Nackdelar
– Kort mättid/arbetsinsats och kostnad
– Bara en chans
Typisk instrumentuppsä
instrumentuppsättning på
på
en satellit fö
för norrskensstudier
Satelliter
• Fördelar
– Möjlighet att nå mycket längre ut i rymden
– Lång mättid
– Laddade
– Neutrala
• Nackdelar
– Lägre upplösning
– Ofta på ”fel ställe”
Avbildande
instrument
Viking
Svenska satellitprojekt
Viking, 1986
Elektriska fält
Magnetiska fält
Vågor
Partiklar
– UV
– Synligt ljus
– Röntgen
Norrsken 2006-12-20 från
DMSP-satellit
Freja, 1992
Munin, 2000
Astrid 1, 1995
Astrid 2, 1998
8
En substorm ger samtidig intensifiering
av norrskenet och sydskenet
Passage genom polartratten
• Men varför blir det
asymmetriskt?
• Substorm onset location
Bildunderlag: Nikolai Østgaard, UiB
Passage över nattsidans oval
Cluster,
Cluster, 4 satelliter i formation
RumsRums- och tidsvariationer, 3D
Bild: ESA
9
Observatoriemätningar i rymden
IMP-8
Interplanetary monitoring platform
• Solvinden
– IMP-8
– WIND
– SOHO
– ACE
• Geostationära
– GOES
– LANL Series
• Polära
– DMSP
•1973
•Cirkulär bana 35 Re
•12 dagar
SOHO
Solar and heliospheric observatory
WIND
EIT 171
LASCO C3
MDI continuum
MDI
magnetogram
ACE
Advanced composition explorer
GOES
NOAA Geostationary Operational Environmental Satellite
Space Environment Monitor
Mission
Even though the weather pictures from
GOES are seen nightly in our living
rooms via the local weather broadcast,
few people know that GOES also
monitors space weather via its onboard
Space Environment Monitor (SEM)
system. The three main components of
space weather monitored by GOES at
35,000 Km altitude are: X-rays,
energetic particles, and magnetic field.
10
LANL
DMSP
Los Alamos National Laboratories
At least three satellites in operation simultaneously
The SOPA Instrument
* Flown on satellites launched from 1989 and onwards
* Measures electrons from 50 keV to 26 MeV in 16
energy channels
* Measures protons from 50 keV to >50 MeV in 15 energy
channels
* Measures heavy ions in 10 channels, 7 mass groups, at
energies >0.5 MeV
Defence meteorological satellite program
OLS visible data record visible
and near-IR emissions from
the sun or the moon reflected
off clouds and other features.
Ground-based sources such
as fires and upper
atmospheric sources like the
northern lights are also seen.
Auroral electrons and ions
Magnetometer
Simulering av substorm
NASA
Exempel på aktiva experiment
• Jonosfärsupphettning med
radiovågor - RIOE (Radio
Induced Optical
Emissions).
• Injektion av joner för
studier av elektriska fält.
• Injektion av gas för studier
av kritisk
jonisationshastighet.
Tomografi av RIOE
Björn Gustavsson, UiT
11
Kanalmultiplikator
Hur man sorterar partiklar
Centrifugalkraft
F=
mv 2
r
Kraft på laddad partikel i
elektriska och magnetiska fält
F = q (E + v × B )
Elektroninstrument
Jonmasspektrometer
Fc
FE
FE
Fc
FB
FE
Three-dimensional Ion Composition
Spectrometer, TICS, på Freja
Elektrostatisk
analysator
(Spherical top hat)
Magneter
Framtiden
•
•
•
•
•
Flerpunktsmätningar
Mätningar med hög upplösning
Små satelliter, små instrument
Artificiell intelligens
Observatoriemätningar
Mikrokanalplattor
Sektoriserad anod
12
Den
horisontella
strömmen i en
norrskensbåge
kan uppgå till
106 A
Rymdväder påverkan på tekniska
och biologiska system
Satellitanomalier orsakade av
rymdväder
SEP (Single event
phenomena)
Solprotoner > 100 MeV
Uppladdningseffekter
Degradering av solceller
Elektroner i det yttre
stålningsbältet, 100 keV
Norrskenselektroner 10 keV
Protoner > 0.1 keV
Uppbromsning ->
Höjdförlust
Upphettning ->
Expanderande atmosfär
I 1Volt
Stört
Lugnt
Potential längs en gasrörledning
Examensarbete, C. Harde och C. Johansson, 1996
GOES-13 SXI CCD Anomaly
GOES-13 SXI experienced a CCD anomaly during the X9 solar x-ray event on December 5th 2006.
A preliminary flare report based on GOES-12 XRS data indicates that the flare in question began at 10:18 UT, peaked at
10:35 UT, and ended at 10:45 UT.
The first GOES-13 image to show a faint indication of the anomaly was taken at 10:40:15.
10:40:15 UTC
10:40:55 UTC
10:41:15 UTC
10:41:55 UTC
10:42:15 UTC
10:44:55 UTC
Solaktivitet och klimat
Eigil Friis-Christensen
13
Solfläckar, kosmisk strålning,
låghöjdsmoln
Kosmisk strålning
Solfläckar
Gupta et al, 2005
Kosmisk strålning
Låghöjdsmoln
http://www.space.
dtu.dk
Solaktivitet och livslängd
Tips för norrskensskådare
Bege dig norrut!
Hitta en riktigt mö
mörk plats
Mörkeradaptera
Titta ofta (å
(åtminstone var 15e minut)
Intensiva norrsken vanligast fö
före
midnatt
Juckett and Rosenberg, 1993
DMSP-bild
www.darksky.org
International Dark-Sky
Association
Photo: Rolf Gustafsson
Förutsägelser
• www.gedds.alaska.edu/AuroraForecast/
• www.spaceweather.com
norrskensovalen
14
SOHO och Hinode kollar solen
Magnetisk
aktivitet och
norrsken
brukar
återkomma
efter 27 dagar
Jorden
Koronahål
www.gedds.alaska.edu
/AuroraForecast/
Solens magnetfält
Solfläckar
Solen roterar ett varv på 27 dagar
Data i realtid
Magnetfält
www.irf.se/mag
Norrsken
www.irf.se/allsky
Norrskensstatistik
Kiruna
Fotografera norrsken
•
•
•
•
Exponeringstid 20 s
400 ASA
Vidvinkel
Stativ
Tack för att ni
lyssnat!
15
