Sensorteknik FOTON: DAGMAR ZITKOVA Norrskensforskaren Urban Brändström visar hur solaktiviteten orsakar norrsken och olika typer av störningar i magnetosfären, jonosfären och på jorden vilket i sin tur kan påverka olika tekniska system. Fotosensorer avbildar norrsken, jordens eget fönster mot rymden Norrskensforskningen hjälper oss att förutspå solstormar som skadar teknik Urban Brändström från Institutet för rymdfysik, irf, i Kiruna är optisk norrskensforskare. Han har varit med och byggt upp mätsystemet Alis (Auroral Large Imaging System)med vars hjälp han samlar in optiska data om norrskenet. Fotobaserade mätstationer Mätsystemet är uppbyggt kring sex mätstationer med kameror som fotograferar norrsken med överlappande synfält från olika platser på en och samma gång. På detta sätt kan man få tredimensionella bilder genom att använda sig av tomografiliknande analysmetoder. Studier av fenomenet norrsken är viktiga. Norrsken kan betraktas som vårt fönster mot osynliga processer i den nära rymden. Det ger oss viktig kunskap om vad som händer i jordens närmaste omgivning. Komplicerade processer Norrskenet uppstår när solvinden växelverkar med jordens magnetosfär i komplicerade plasmaprocesser. Urban Brändströms arbete är huvudsakligen grundforskning, som sett ur ett större perspektiv ger oss nya kunskaper om plasmafysik och rymdväder. Och rymdvädret i sin tur hänger tätt ihop med solens aktiviteter och de soleruptioner som leder till störningar i jordens magnetfält. Sammanfattat x Mätsystemet Alis (Auroral Large Imaging System) samlar in optiska data om norrskenet. x Studier av norrsken är viktiga. Det ger oss kunskap om vad som händer i jordens närmaste omgivning och hjälper oss att förutspå solstormar som skadar teknik. x Incidenter med utbrända transformatorstationer och långvariga strömavbrott över stora områden har inträffat. 18
På irf-institutets tak finns flera kupoler genom vilka ett antal kameror tittar ut för att fotografera Norrsken. Under den stora kupolen finns emccd-kamera med smalbandiga filter som kan ta upp till 100 bilder i sekunden av norrskensemissioner. Under den lilla kupolen finns firmamentkameran. I Kiruna tar den en bild av hela himlen varje minut då det är mörkt ute. Två av de högkänsliga kamerorna med ccd-sensorn som monteras i mätstationernas kupoler. Mätdata kan både tas ut som vanliga fotobilder och som numeriska data för bearbetning och sammanställning. Dagens högteknologiska samhälle blir allt känsligare för dessa störningar, därför behöver man veta allt mer om rymdvädret. Man vill kunna förstå hur störningarna uppstår och man vill framför allt kunna förutsäga när de ska inträffa. Orsakar strömavbrott Det har redan inträffat allvarliga incidenter med till exempel utbrända transformatorstationer och långvariga strömavbrott över stora områden som följd. Det är mest kraftledningsnätet som kan påverkas, men även gpsutrustning och liknande. Strålningsutbrott på solen kan störa våra radiokommunikationer. Högenergetiska partiklar kan slå ut eller till och med förstöra satelliter. Störningar i jordens magnetfält leder till geomagnetiskt inducerade strömmar som hotar vår elförsörjning och kan även orsaka bränder i oljeledningar, säger Urban Brändström. Sårbar utrustning Sårbar utrustning finns i allt fler kritiska tekniksystem. Ett av många exempel på allvarliga störningar och haverier som tidigare inträffat är den så kallade Halloween-stormen, en intensiv rymdstorm som inträffade i slutet av oktober 2003 då norrsken observerades ända ner i Tyskland. Ungefär samtidigt blev 50 000 hushåll i Malmö utan el 19
Sensorteknik FOTON: DAGMAR ZITKOVA En Alis-station utanför Kiruna. Det är viktigt att det är tillräckligt varmt i kupolerna för att snön snabbt ska tina bort från dem. Norrskensbilder och realtidsdata från Alis kan laddas ned gratis. Kameran finns på denna adress: www.irf.se// Observatory/?link=Allsky_sp_camera Kameran är monterad i ett fjärrstyrt positioneringssystem omedelbart under kupolen. Alis fjärrstyrs över Internet och kan till och med köras från en mobiltelefon. vilket orsakades av detta utbrott. Institutet för rymdfysik har därför fått finansiering från bland annat Myndigheten för samhällsskydd och beredskap för forskning som syftar till att förbättra de svenska varningssystemen för solstormar. Obemannade mätstationer Alis består av sex obemannade mätstationer placerade med ungefär 50 km mellanrum. Varje station är försedd med en mycket ljuskänslig vetenskaplig kamera (ccd eller emccd) som är monterad i ett positioneringssystem så att den kan riktas mot valfri punkt på himlen, förklarar Urban Brändström. Ett filterhjul med sex positioner för smalbandiga interferensfilter gör att man kan sortera fram specifika våglängder (färger) i norrskenets spektra. Öppningsvinkeln på kamerorna är cirka 60-90 grader och meningen är att synfälten från de olika stationerna skall överlappa. Då kan norrskenets höjdfördelning rekonstrueras med tomografiliknande metoder, säger Urban Brändström. Med hjälp av kamerapositioneringssystem kan kamerorna riktas så att de avbildar bara en önskad del av himlen. Stationerna kan vid behov utrustas även med andra vetenskapliga instrument, till exempel med pulsationsmagnetometrar. Det är bland annat norrskenets färger som kan ge information om bland annat energin hos de infallande partiklarna. Norrskenets höjdfördelning och olika strukturer bidrar också med relevant information för förståelsen av plasmaprocesser i den nära rymdmiljön. Jorden omges av atmosfären som är ett tunt gashölje. I rymden utanför den rör sig snabba, laddade partiklar, främst elektroner och protoner. Det är ur dessa norrsken uppkommer. Några av dem hamnar i atmosfären och krockar med dess atomer och molekyler. Vid dessa krockar bildas ljus, norrsken. Styrs mot polerna Partiklarna som skapar norrsken kommer från den del av övre atmosfären som kallas jonosfären. Partiklarna har fått en enorm 20
Annonssida
Sensorteknik Lars-Göran Vanhainen är platschef för Eiscat-radarn i Kiruna. Här tas data från Eiscat-radarn emot, lagras och bearbetas. Rackarna innehåller utrustning för att ta emot den mycket svaga radarsignalen, digitalisera och lagra den samt för att styra och övervaka antennen. hastighet med hjälp av energi från solvinden. Partiklarna fångas in av jordens magnetfält och styrs mot jordens poler. När en partikel har nått atmosfären krockar den med någon av de många atomer som finns där och tar över lite av den energi som fått partikeln att röra sig. Partikeln fortsätter att röra sig, men nu lite långsammare eftersom den blivit av med lite energi. Snart krockar den med en ny atom. Atomen som tagit över energin från partikeln från rymden har nu lite för mycket energi, därför släpper den iväg energin i form av en foton (ljuspartikel). Nästa atom som krockar med partikeln tar också åt sig en del av rörelseenergin och bromsar partikeln ytterligare. Även den nya atomen släpper ifrån sig energin i form av ljus. Partikeln rör sig längre ner genom atmosfären där atomerna ligger allt tätare, därför krockar partikeln allt oftare. Vid krockar bildas ljus Vid varje krock bildas nytt ljus. Genom ett antal krockar har partikeln förlorat så myck- 22
et av sin rörelseenergi att den har tappat all fart och står helt still. Detta brukar ske ungefär 100 kilometer ovanför jordens yta. Många krockande partiklar skapar det synliga ljuset som kallas norrsken. Även andra planeter i vårt solsystem har polarsken, men då måste ett antal villkor vara uppfyllda. Planeten måste ha en atmosfär på vilken polarsken projiceras. Det är atmosfärens molekyler som gör att partiklarna har något att krocka med. För det andra måste det finnas laddade partiklar, det vill säga plasma. Och det tredje villkoret är att det finns ett magnetiskt fält som styr plasmapartiklarna mot planeten, annars skulle de försvinna ut i rymden. Energikälla Dessutom behöver partiklarna en energikälla. Ljuset frigörs vid krockarna. Och för att de laddade partiklarna ska hamna vid planeten, krävs det en solvind. Solvinden ser till att solens energi hamnar hos partiklarna och färdas mot planeten. En del av forskningen kring inflödet av FOTON: DAGMAR ZITKOVA All mjukvara bygger på öppen källkod i Linuxmiljö som ger mycket hög tillförlitlighet och få driftstörningar. 23
Sensorteknik Aktivt norrsken över Kiruna den 19 oktober 2012, 40 minuter över klockan 21. Bilden är tagen med frimamentkameran i Kiruna. Kameran tar en bild av hela himlavalvet per minut under dygnets mörka timmar. Norr är uppåt och öster till vänster. Norrsken Norrskenet uppstår när solvinden växelverkar med jordens magnetosfär, vilket medför att partiklar, främst elektroner, accelereras in mot polarområdena längs de magnetiska fältlinjerna. Förr eller senare kolliderar de med en atom eller molekyl som "exciteras" och därefter sänder ut en foton av en viss våglängd. Det är det ljuset vi ser som norrsken. rymdstoft till jordens atmosfär görs även i samarbete mellan Alis och den stora Eiscatradarn. Eiscat består av tre radaranläggningar; en i Tromsö i Norge som omfattar både sändare och mottagare, en mottagare i Sodankylä i Finland samt mottagaren i Kiruna. Radaranläggningen arbetar inom vhf och uhf bandet. Sändaren har en maximal teoretisk effekt på 2 MW. Fördelen med tre mottagare är att man kan bestämma rymdplasmats rörelser i jonosfären i tre dimensioner, så på det sättet är Eiscats anläggning världsunik. Uppträder i cykler Det har varit många norrskenskvällar under den senaste tiden eftersom solens aktiviteter närmar sig maximum. Solfläcksaktiviteter med kraftiga eruptioner och solvindar som slungar ut laddade partiklar mot Jorden uppträder i cykler. En solcykel är den tidsperiod som går mellan ett tillfälle då antalet solfläckar når sitt maximum och nästa gång det inträffar. Det brukar var cirka elva år. Antalet solfläckar varierar kraftigt inom en och samma cykel. Stora mängder av mycket intressanta data har man nyligen kunna samlat in med hjälp av 24
Alis. Data som kommer att göra det lättare att förstå grundläggande fysikaliska processer i jonosfären. Till exempel när det gäller förståelse av det diffusa norrskenet, som förmodligen dominerar vid energiinflödet till jonosfären. Den troligtvis viktigaste observationen med Alis gjordes i oktober 2012 samt flera gånger under 2013. Oväntade artificiella ljusfenomen observerades under en så kallad jonosfärsvärmningskampanj i samarbete med bland annat Eiscat samt ryska och finska forskare. Vissa av ljusfenomenen var dessutom ovanligt kraftiga. Jonosfären används som labb Vid dessa experiment använder man en mycket kraftig radiosändare inom kortvågsbandet (Eiscat Heating facility i Tromsö) för att "värma" upp en liten bit av jonosfären. Effekterna av denna uppvärmning kan studeras med Eiscats radaranläggningar samt optiskt med Alis. Därmed kan man använda jonosfären som plasmafysiklaboratorium och genomföra olika experiment. Dagmar Zitkova FOTO: DAGMAR ZITKOVA Parabolen i Kiruna är 32 meter i diameter. Strålningsutbrott på solen kan störa radiokommunikationer. Högenergetiska partiklar kan slå ut eller till och med förstöra satelliter och störningar i jordens magnetfält leder till geomagnetiskt inducerade strömmar som hotar vår elförsörjning". Institutet för rymdfysik, IRF Institutet för rymdfysik, irf, är ett statligt forskningsinstitut med ca 100 anställda. irf bedriver grundforskning och forskarutbildning i rymdfysik, rymdteknik och atmosfärfysik. Huvudkontoret finns i Kiruna och verksamheten bedrivs även i Umeå, Uppsala och Lund. Forskningsresultaten från irf bygger på analys av data från såväl markbaserade som satellitburna mätinstrument, modellering och teoretiska studier. Huvuddelen av forskningen är grundforskning men det finns även inslag av mer direkta tillämpningar. Ett exempel är rymdvädrets inverkan på satelliter och kraftsystem på jorden. Andra exempel är instrument för olika typer av rymdrelaterade tillämpningar och avancerade analysmetoder. irf bedriver sin forskning inom tre huvudområden: atmosfärfysik rymdfysik och rymdteknik. Atmosfärfysik fokuserar på dynamiska och kemiska processer i atmosfären vid höga latituder och deras samband med klimatet och klimatförändringar. Rymdfysik som innefattar främst processer i jordens övre atmosfär och magnetosfär, plasmafysik samt hur solvinden växelverkar med andra himlakroppar men även forskningsfrågor som rör solaktivitet, solkoronan och rymdvädereffekter. Inom rymdteknik utvecklar irf avancerade mätinstrument för att samla in data för att kunna skapa allmänna fysikaliska modeller för de processer som studeras. Inom programmet Solär-terrester fysik studerar irf hur vår närmiljö i rymden fungerar och vilka effekter variationer på solen och i solkoronan har på jorden. Solvinden, joniserad gas från solkoronan, påverkar jorden, speciellt jonosfären och magnetosfären (de joniserade övre luftlagren och det plasmaområde nära jorden som kontrolleras av jordens magnetfält). Långsiktiga vetenskapliga frågeställningar: Vad är det som gör att solstormar uppkommer och hur kan man förklara deras styrka? Hur sker cirkulationen av joner i jordens magnetosfär? Hur uppkommer olika typer av norrskensstrukturer? vetenskapliga mål med Alis Norrskenstomografi (rekonstruktion av norrskenet i 3d ). Studier av norrskenets dynamik och morfologi. Studier av pulserande 'svart' och diffust norrsken. Erhållande av karakteristisk energi för partiklarna från spektroskopiska kvoter. Studier av förhållandet mellan termosfärens neutralvind och norrskenet. Studier av förhållandet mellan elektron och proton norrsken. Optiska emissioner vid aktiva experiment med till exempel jonosfärsvärmaren i Tromsö. 25