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 Förutsättningarttningar Gigantiskt undersökningsomr kningsområde Naturen gör g r experimenten och det mesta kan vi inte förutsf rutsäga Många variationer är r oerhört rt snabba 22-årscykel och längre l cykler Resurskrävande Forskningsmetoder Observationer med markbaserade instrument Observatorieinstrument Andra markbaserade instrument Observationer i rymden (In-situ): Sondraketer och satelliter "Observatorieinstrument i rymden Teori, modellberäkningar, simuleringar Aktiva experiment Hypoteser och modeller kommer och går. g Värdet av goda mätningar består. Anders Celsius första f publikation om norrsken utgiven 1733 Vad finns det att mäta? m Ljusemissioner Magnetiska fältf Elektriska fältf Elektromagnetiska och elektrostatiska vågorv Elektriska strömmar Elektrontäthet thet Laddade och neutrala partiklar Stoft? (Det är r en konst att leta påp rätt sätt) s 1
Observatoriemätningar Långa tidsserier Standardiserade mätmetoder Likartade mätningar bedrivs på många platser Observatoriemätningar, IRF Firmamentkamera (All-sky camera) Magnetometer Riometer Magnetometrar Magnetfältsst ltsstörningar Elektriska strömmar Magnetometerdata Fluxgate (övre) och Proton (nedre) www.irf.se/mag Magnetiska pulsationer Dags- och årstidsvariationer hos det magnetiska fältet i Kiruna 2
K ochkp AU, AL, AE Dst aa Magnetiska indices Kp-index, 4 rotationer (planetärt störningsindex) 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
Relative ionospheric opacity meter Mäter absorptionen av kosmiskt brus vid 30 and 38 MHz Information om partiklar > 10 kev Riometer A (db)= 10 x log10 (Po / P) Avbildande riometer IRIS imaging riometer, Kilpisjärvi http://www.dcs.lancs.ac.uk/iono/iris/ Traditionell firmamentkamera, (All-sky camera) En bild per minut 4 s exponeringstid Färgfilm Synfält nära 180 grader 600 km på 100 km E N S W Digitala firmamentkameror Filter? Standardisering? Keogram www.irf.se/allsky Jonosond Infraljud Mäter elektrontäthet i jonosfären Mikrofoner, < 2 Hz Alstras av norrsken, industrier, explosioner,.. Kan utbreda sig över mycket långa avstånd i atmosfären 4
Datacentra WDC-C2 Kyoto Göttingen, GFZ Potsdam WDC Köpenhamn, Edinburgh NGDC, Boulder (SPIDR) http://www.irf.se/irfk/links.html Riktigt långa tidsserier och "Proxies" (ombud) Solfläckar C14, Be10 i borrkärnor från is Norrskensobservationer Trädringar Varviga sediment Borrkärnor, havsbotten Avbildande instrument Spektrallinjer Intensitet Intensitetskvoter Exakt våglv glängd, Dopplerförskjutning rskjutning Primärpartiklarnas energifördelning Energitillskott Mikrofysik i jonosfären All-sky camera IRF ALIS, U. Brändström 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, ALIS-FAST Tima Sergienko et al. et al. (2008) Ann. Geophys. FAST downward energy flux FAST 557.7 nm volume emission rate ALIS Abisko Nikkaluokta Silkkimuotka 557.7 nm column intensity FAST and ALIS http://alis.irf.se Rekonstruktion av norrskensbågar, Takehiko Aso, NIPR 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 Svalbard MIRACLE The Magnetometers - Ionospheric Radars- Allsky Cameras Large Experiment (MIRACLE) 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 Bild: Nikolai Østgaard, UiB Mäter konvektionen i jonosfären Radarekon från n irregulariteter Vinkelrätt mot det magnetiska fältetf Hokkaido radar http://superdarn.jhuapl.edu/ Konvektionsmönster i realtid Två konvektions- celler Typiskt för f IMF Bz<0 EISCAT Incoherent scatter radar Mäter "nästan allting" utom ljus Mottagarstationen i Kiruna 6
EISCAT EISCAT Svalbard Radar Elektrontäthet thet Elektrontemperatur Jontemperatur Jondriftens hastighet Rå elektrontäthet thet Ingemar Häggström Svalbard är r världsbv rldsbäst st för f r studier av dagsidans norrsken Unik samling av markbaserade instrument EISCAT_3D Nästa generation Europeisk inkoherent spridningsradar 3-dimensionella mätningar m med mycket hög h g upplösning Gruppantenner (Phased array) På ESFRI roadmap (European Strategy Forum on Research Infrastructure Investering: 60-250 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 mätningar m i utvalt norrsken 7
Sondraketer Svalrak 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 Satelliter Typisk instrumentuppsättning ttning påp en satellit för f r norrskensstudier Fördelar Möjlighet att nå mycket längre ut i rymden Lång mättid Nackdelar Lägre upplösning Ofta på fel ställe Viking Elektriska fält Magnetiska fält Vågor Partiklar Laddade Neutrala Avbildande instrument UV Synligt ljus Röntgen Svenska satellitprojekt Norrsken 2006-12 12-2020 från DMSP-satellit Viking, 1986 Freja, 1992 Munin, 2000 Astrid 1, 1995 Astrid 2, 1998 8
En substorm ger samtidig intensifiering av norrskenet och sydskenet Men varför blir det asymmetriskt? Passage genom polartratten Substorm onset location Bildunderlag: Nikolai Østgaard, UiB Passage över nattsidans oval Cluster,, 4 satelliter i formation Rums- och tidsvariationer, 3D Bild: ESA 9
Observatoriemätningar i rymden Solvinden IMP-8 WIND SOHO ACE Geostationära GOES LANL Series Polära DMSP IMP-8 Interplanetary monitoring platform 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 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 DMSP 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 2 mv F = r Kraft på laddad partikel i elektriska och magnetiska fält ( E + v B ) F = q Elektroninstrument Jonmasspektrometer F c F c F E F E F B F E Three-dimensional Ion Composition Spectrometer, TICS, på Freja Elektrostatisk analysator (Spherical top hat) Magneter Mikrokanalplattor Sektoriserad anod Framtiden Flerpunktsmätningar Mätningar med hög upplösning Små satelliter, små instrument Artificiell intelligens Observatoriemätningar 12
Rymdväder - påverkan på tekniska och biologiska system Den horisontella strömmen i en norrskensbåge kan uppgå till 10 6 A Potential längs en gasrörledning Stört Lugnt I 1Volt Satellitanomalier orsakade av rymdväder SEP (Single event phenomena) Uppladdningseffekter Degradering av solceller Uppbromsning -> Höjdförlust Solprotoner > 100 MeV Elektroner i det yttre stålningsbältet, 100 kev Norrskenselektroner 10 kev Protoner > 0.1 kev Upphettning -> Expanderande atmosfär 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 5 th 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. Solaktivitet och klimat 10:40:15 UTC 10:40:55 UTC 10:41:15 UTC 10:41:55 UTC 10:42:15 UTC 10:44:55 UTC 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 f r norrskensskådare Bege dig norrut! Hitta en riktigt mörk m plats Mörkeradaptera Titta ofta (åtminstone( var 15e minut) Intensiva norrsken vanligast före f midnatt Juckett and Rosenberg, 1993 Photo: Rolf Gustafsson DMSP-bild www.darksky.org International Dark-Sky Association Förutsägelser www.gedds.alaska.edu/auroraforecast/ www.spaceweather.com norrskensovalen 14
SOHO och Hinode kollar solen Koronahål Jorden Magnetisk aktivitet och norrsken brukar återkomma efter 27 dagar Solfläckar Solens magnetfält Solen roterar ett varv på 27 dagar www.gedds.alaska.edu /AuroraForecast/ Data i realtid Magnetfält Norrsken www.irf.se/mag www.irf.se/allsky Norrskensstatistik Kiruna Fotografera norrsken Exponeringstid 20 s 400 ASA Vidvinkel Stativ Tack för att ni lyssnat! 15