Utbildningsdepartementet 2011-11-28 103 33 STOCKHOLM Dnr 136-232/11 INNOVATIV RYMD- och ATMOSFÄRFYSIKFORSKNING för tidsperioden 2013-2016 Inspel till regeringens forsknings- och innovationspolitiska proposition från Institutet för rymdfysik, IRF Den forskning som bedrivs vid Institutet för rymdfysik, IRF, är viktig för förståelsen av grundläggande fysikaliska frågeställningar, ger ökad kunskap om vår närmiljö och de processer som påverkar klimatet samt fungerar som drivkraft till teknisk utveckling. Rymd- och atmosfärfysikforskning är global och i alla avseenden gränsöverskridande. I Skandinavien finns unika möjligheter att bedriva forskning inom dessa områden. Man kan dagligen göra direkta observationer av fenomen som är konsekvenser av fysikaliska processer i rymden och som påverkar atmosfären, t ex magnetiska störningar, norrsken samt molnbildning i den polara stratosfären och mesosfären. IRF har idag ett mycket omfattande nätverk och leder flera internationella samarbetsprojekt. IRF bidrar med unik kompetens till utbildningar på grundnivå, avancerad nivå och forskarnivå. IRF:s forskningsprojekt ger unika möjligheter att sprida kunskap om, och skapa intresse för, naturvetenskap och teknik i hela samhället. IRF vill ta ett större ansvar för nationell samordning inom rymdområdet samt få förstärkta resurser för att framställa nästa generations vetenskapliga instrument, bättre bidra till forskningen inom klimatområdet och i större utsträckning bidra till att forskningens innovativa idéer får genomslag inom näringsliv och utbildning. IRF ger här några förslag på verksamheter där Sverige har unika förutsättningar att stärka sin roll som framgångsrik rymd- och forskningsnation: IRF blir ett centrum för planetär utforskning: forskning om solsystemet och studier av processer kring dess planeter och månar i nära samverkan med rymdindustrin samt andra forskningsfält, t ex astrofysik, atmosfärvetenskap, astrobiologi och geologi. Förstärkt forskning kring processer i den polara atmosfären, genom observationer och analys av data med fokus på de polara områdena (Arktis och Antarktis). Stärkt rymdteknikutveckling: Sverige har lång erfarenhet av att utveckla avancerade, innovativa och världsledande forskningsinstrument och system. Förbättrad kunskap om rymdvädret och solstormar: svensk medverkan i ESA:s program Space Situational Awarness. Förbättrad och utökad tillgång till miljö- och rymddata, genom bevarande och framtagning av data som kan användas för att bl a studera miljö- och klimatförändringar nu och i framtiden. Nedan beskrivs dessa områden i mer detalj.
INLEDNING OCH BAKGRUND Grundforskning på internationell toppnivå kräver fortlöpande innovation och teknisk utveckling och ger samtidigt nytta för olika samhällssektorer. Forskningsresultat påverkar samhället direkt eller indirekt tekniskt, ekonomiskt och kulturellt. Vårt beroende av rymden ökar och vi använder alltmer elektronik som kan påverkas av rymdmiljön. Rymdteknik används i dag inom ett stort antal tillämpningar, t ex för telekommunikation, väderinformation, miljödata, räddning och navigation. Kunskap om rymdmiljön blir därför allt viktigare. Frågan om det finns liv på någon annan planet i universum har stor kulturell inverkan på samhället. Planetär utforskning ger information som kan öka insikten om hur vår egen planet utvecklas och har utvecklats, ett exempel är kunskap om processer som påverkar klimatet. IRF:s forskning om andra planeter ger värdefull kunskap om förhållanden i solsystemet av betydelse för att bland annat kunna avgöra möjligheter att ta tillvara resurser i rymden, utveckla och använda nya rymdtillämpningar eller för att kunna fastställa om det finns förutsättningar för liv under andra förhållanden än de som råder på jorden. IRF:s forskare har de senaste åren bidragit till att nya viktiga resultat har kunnat erhållas från satellit- och markbaserade forskningsinstrument. Antalet expertgranskade publikationer ligger på en mycket hög nivå. Artiklar i ledande tidskrifter som till exempel Science, Nature, Nature Physics och Physical Review Letters har rönt stor uppmärksamhet internationellt. En annan indikator på framgång är att IRF, i konkurrens med andra, fått förtroendet att leda ett flertal internationella projekt och mätkampanjer. IRF fokuserar på några utvalda experimentella metoder som behövs för att uppnå de vetenskapliga målen. En del metoder kräver små effektiva integrerade rymdinstrument. Dessa kan utvecklas i nära samarbete med rymdindustri. För att nå intressanta vetenskapliga resultat används metoder som kräver analys av data från många olika instrument. Experimentell rymdfysik kräver inte bara kunniga forskare utan också skickliga och erfarna ingenjörer, programmerare och ledare av internationella tekniska och vetenskapliga projekt. Rekrytering och utbildning av nästa generation forskare är viktiga komponenter för IRF. IRF ska de närmaste åren färdigställa mätinstrument till ett antal rymdprojekt som väntas ge viktig ny kunskap om rymdmiljön och förståelsen av grundläggande fysikaliska processer. Det gäller bland annat det europeisk-japanska projektet BepiColombo som består av två rymdsonder till Merkurius år 2014 och NASA:s Magnetospheric Multiscale Mission som innehåller fyra satelliter med planerad uppsändning 2014. Där bidrar IRF tillsammans med KTH med instrument för att mäta elektriska fält. Genom samarbete med kanadensisk rymdindustri deltar IRF i projektet Swarm inom ESA:s jordobservationsprogram. Swarm ska skickas upp 2012 och har som huvudsyfte att göra noggranna studier av jordens magnetfält. Bi- och multilaterala projekt är viktiga för att kunna genomföra avancerade forskningsprojekt. IRF har blivit inbjuden att delta i flera nya ryska och kinesiska rymdprojekt. Den medverkan som IRF hade i den indiska månsonden, Chandrayaan-1 (2008), var synnerligen framgångsrik ur ett forskningsperspektiv. Nya data om växelverkan mellan solvinden och månytan visade sig innehålla överraskningar som nu engagerar forskare och doktorander vid IRF och vid andra forskargrupper. Ryska, japanska och kinesiska forskargrupper visar ett stort intresse för IRF:s forskning och önskar vår medverkan i projekt för studier av förhållandet kring jorden, månen och framför allt planeten Mars. Sverige har med sitt nationella satellitprogram betraktats som ett föredöme. För att Sverige ska kunna vidmakthålla sin internationella spets krävs att man, på det nationella planet, kan erbjuda projekt som utgör en testbädd för mer avancerade projekt. IRF har också tagit initiativ 2 (7)
till en fördjupad samverkan med t ex Rymdstyrelsen, Polarforskningssekretariatet och MSB (Myndigheten för samhällsskydd och beredskap) för att bättre ta tillvara den kunskap och de resurser som finns för att bedriva forskning inom rymd- och miljöområdet. Ett konkret förslag har under 2011 lämnats till Rymdstyrelsen om etablering av ett centrum för planetär utforskning. IRF vill utveckla den forskningsinfrastruktur som drar nytta av närheten till de polara trakterna. Långa tidsserier är viktiga för att kunna förstå och förutsäga klimatförändringar. Lika viktigt är kunskap om de bakomliggande processer i atmosfären som styr vindar, turbulens, moln, förekomst av aerosoler, växthusgaser m. m. En större satsning på forskningen vid IRF är motiverad med hänsyn till det stora intresse som finns världen över för klimatrelaterade frågor. Forskningsrapporter har på senare tid påpekat att det är mycket viktigt att inkludera effekter också i stratosfären och mesosfären för att kunna förstå utvecklingen av jordens klimat. IRF fortsätter engagemanget inom flera EU-projekt. Dessa sker ofta i nära samarbete med ESA när det gäller rymdsatsningar och det blir en ökande andel projekt där rymdkompetens efterfrågas. Andra exempel på IRF:s medverkan i EU-projekt rör forskningsinfrastruktur för studier av jordens atmosfär och jonosfär med hjälp av avancerad markbaserad utrustning. FÖRSLAG TILL FÖRSTÄRKNING AV SVENSK RYMDVERKSAMHET Centrum för planetär utforskning Mänskligheten har alltid haft ett stort intresse för hur livet uppstått på jorden och förutsättningar för liv på andra ställen i vårt solsystem eller i Universum. Forskningen karakteriseras av dels ett ökat intresse att studera områden allt längre bort från jorden, dels ett ökat djup i förståelsen av fundamentala fysikaliska processer i den nära rymden. De senaste åren har det varit mycket fokus internationellt kring upptäckter av planeter kring andra stjärnor än vår egen sol. Vi kan inte erhålla detaljerade mätningar på plats från dessa planetsystem. Därför behöver vi förstå de processer som påverkar planeter i andra stjärnsystem utifrån studier av vårt eget solsystem. Studier av jätteplaneterna och deras månar, som närmast är att likna vid små planetsystem, är exempel på hur vi kan generalisera vår förståelse för hur en planet och dess atmosfär påverkas av den rymdmiljö den befinner sig i. Några forskningsområden där Sverige (IRF) har lång erfarenhet är t ex studier av: a) fundamentala plasmaprocesser, i rymden runt jorden, runt andra planeter, i solvinden och runt solen. I samarbete med andra forskningsområden kan dessa framsteg också ge förståelse för processer som normalt studeras inom astrofysiken, och inom laboratorieplasma- och fusionsforskningen. En mycket stor del av det universum som kan observeras består av plasma vilket gör att forskningen kring dessa frågor är viktig. b) solsystemets fysik, ursprung och utveckling. Forskning relaterad till de stora planeterna (Jupiter, Saturnus, Uranus och Neptunus) och deras månar bidrar till framsteg. Ett exempel där IRF medverkar är rymdsonden Cassini som fortsätter att ge viktig kunskap om Saturnus och dess månar. Jämförande observationer av Venus, Mars och månen Titans atmosfärer bidrar till en ökad insikt om vår egen planet samt om förutsättningar för liv utanför jorden. IRF har sedan flera år tillbaka mätinstrument i bana runt tre planeter (Mars, Venus och Saturnus) förutom jorden. Behovet av kunskaperna om stoft i solsystemet och dess påverkan på bland annat jordens atmosfär kommer också att öka. Den samlade kunskapen från studier av de jordlika planeterna och jätteplaneterna och deras månar måste byggas upp till en koherent bild som ger oss möjlighet att uttala oss med rimlig säkerhet även om situationen i andra planetsystem. Detta kräver koordinering och långsiktighet för den planetära forskningen. Därför finns mycket att vinna på att inrätta ett centrum för 3 (7)
planetär utforskning. Med centrum menar vi i första hand att IRF tillförs resurser för att kunna ha en koordinerande roll mellan olika aktörer inom forskarvärlden, näringslivet och det övriga samhället samt att centret tar ett ökat ansvar för gemensam utveckling av den forskningsinfrastruktur som krävs för en framgångsrik planetär utforskning. Samverkan med andra discipliner är mycket viktig för att kunna göra framsteg inom forskningen. Grundläggande plasmafysik är av stor betydelse för delar av den planetära utforskningen. Det finns ett stort behov av mer resurser till utbyte mellan forskare som gör observationer i rymden och de som sysslar med teori, simuleringar och laboratorieförsök. En annan viktig samverkan är mellan rymdfysiker och forskare från astrofysik, astrobiologi, geologi och andra vetenskapsområden. Medverkan i utbildning samt genomförande och deltagande i internationella vetenskapliga konferenser är andra viktiga komponenter där ett centrum för planetär utforskning kan bidra på ett betydande sätt. Sammanfattningsvis så täcker förslaget bland annat följande områden: astrobiologi och liv i universum, planetologi, rymd- och atmosfärfysik, planetär astronomi, exoplaneter, rymdteknik för planetär utforskning, och konkreta aktiviteter: koordinera grundforskning i Sverige relaterad till solsystem och exoplaneter, förbättra idéutbyte mellan olika grupper nationellt och internationellt, arrangera konferenser och workshops, ansöka om att få arrangera ISU:s (internationella rymduniversitetet) sommarskola med fokus på planetär utforskning, arrangera träffar och populärvetenskapliga lektioner för allmänheten och för att inspirera unga samt öka intresset för forskning, vidareutveckla och bygga större testanläggningar, bidra till en utveckling av Esrange Space Center som en bas för att kunna genomföra tester relevanta för planetär utforskning, utreda alternativa användningsområden för EISCAT-antennen i Kiruna relaterade till planetär utforskning, t ex möjligheten till kommunikation med planetära rymdsonder, initiera ett nordiskt samarbete inom området. Förstärkt forskning kring processer i den polara atmosfären Atmosfärfysikforskningen kommer de närmaste åren att drivas av behovet att bättre förstå de processer som styr klimatet nu och i framtiden. Dynamik och sammansättning i atmosfären påverkas av människan och förändras på grund av naturliga faktorer. IRF fortsätter att analysera data från internationella satellitprojekt och globalt fördelade markbaserade mätinstrument, utveckla egna forskningsinstrument samt göra jämförelser mellan förhållanden i Arktis och Antarktis. En hörnpelare i institutets nuvarande polara atmosfärsforskning är studier av atmosfärens dynamik med hjälp av radar och andra marbaserade instrument. Vi genomför interkalibrerade mätningar i både Arktis och Antarktis som visar om det finns asymmetrier mellan norra och södra hemisfären. De är väl etablerade och förstådda i stratosfären (där de bland annat ger 4 (7)
upphov till ozonhålet över Antarktis) men ger även upphov till skillnader i mesosfären, ett övre luftskikt som sträcker sig upp till ungefär 90 km höjd. Med långsiktiga mätningar av spårgaser studerar vi dynamiska och kemiska processer i atmosfären vid höga latituder och deras samband med klimatet och klimatförändringar. IRF bedriver även radarstudier av troposfärsdynamik, främst relaterat till luft som passerar över, och påverkas av, den skandinaviska bergskedjan. Dessa studier kan i längden bland annat ge förbättrade lokala väderprognoser och klimatmodeller. IRF har ett nära samarbete med Indien som länge varit starkt inom atmosfärsområdet. Detta sker främst genom en satsning på atmosfärsradar. Om några år planeras de mätningar som IRF nu gör på den norska stationen Troll på Antarktis att flyttas till den indiska stationen Maitri. Det är viktigt att i dessa sammanhang ha resurser för att kunna göra kontinuerliga mätningar och ha resurser till dataanalys och att kunna förbättra de modeller som finns. Institutet kan ytterligare bidra till forskning av hög och direkt samhällsrelevans genom en förstärkt satsning på studier av atmosfärens dynamik, modellering med hjälp av internationella modeller för regional modellering, samt långsiktig mätning av spårgaser. Den polara atmosfären är unik, och en viktig faktor i klimatförändringar, då de flesta klimatmodeller förutspår att klimatförändringar blir särskilt kraftiga i Arktis. Stärkt rymdteknikutveckling Grundforskning kräver innovation och nya tekniska lösningar som ofta också leder till effekter av olika slag inom andra samhällssektorer. Forskningsresultat utgör ofta ett viktigt underlag för beslutsfattare och kan få stora effekter på samhällsutvecklingen. Det är därför mycket viktigt att de är väl underbyggda och validerade genom olika typer av mätningar och analyser. Forskningen vid IRF är i huvudsak experimentell. IRF har mer än 45-års erfarenhet av att utveckla och ta ansvar för mätinstrument i stora internationella rymdforskningsprojekt. IRF har en mycket erfaren och kompetent teknisk personal och en infrastruktur som på ett bra sätt stödjer forskningsprojekten. IRF använder sina testanläggningar, kalibreringsutrustningar, mekanisk verkstad och renrum flitigt för test och integrering av rymdinstrument, men en uppgradering skulle göra anläggningarna tillgängliga i större utsträckning också till andra aktörer än IRF. IRF leder experiment i stora internationella rymdprojekt, projekt som ofta är resurskrävande med tidsskalor som kan vara tiotals år från projektstart till mätresultat. Ett exempel är rymdsonden Rosetta som 2004 började en 10 års resa till kometen 67P/Churyumov- Gerasimenko. Förutom deltagande i flera ESA- och NASA-projekt så utgör bi- och multilaterala projekt en betydande del av IRF:s verksamhet. Mångårigt framgångsrikt samarbete med det ryska rymdforskningsinstitutet, IKI, är ett exempel på de möjligheter som detta kan ge när det gäller att bedriva rymdforskning. IRF har idag också ett nära samarbete med flera universitet runt om i världen, med ISAS/JAXA i Japan, samt med rymdorganisationer i Kina och Indien. Dessa länder ökar sitt engagemang inom rymdområdet. ESA:s forskningsprogram Cosmic Vision, som gäller tidsperioden 2015-2025, skapar nya möjligheter för framtiden. IRF deltar aktivt i det planeringsarbete som bedrivs inom Europa och med forskargrupper i andra delar av världen. Många mätningar av fundamentala plasmaprocesser kan bara göras i rymden. En satellit med en komplett uppsättning instrument kan befinna sig inne i en småskalig process, eftersom processer i rymden sker i förhållandevis stora områden. I ett plasma i ett laboratorium kan många mätinstrument inte byggas tillräckligt små för att på plats kunna mäta vad som sker i processen. Ett exempel på mätningar av grundläggande processer som först gjorts av IRF:s forskare är överföring, på 5 (7)
små skalor, av energi från magnetfält till partiklar i ett turbulent plasma i rymden. Dessa mätningar har gjorts med hjälp av ESA:s fyra Clustersatelliter som formationsflyger runt jorden. Avancerade och minatyriserade system samt nästa generations vetenskapliga instrument behöver utvecklas för att klara dagens och morgondagens forskningsfrågor. Förbättrad kunskap om rymdvädret och solstormar Sverige kan bidra till ESA-programmet Space Situational Awareness, SSA, med lång erfarenhet, respekterad kompetens och utmärkta anläggningar. En ökad användning av rymdteknik och avancerad teknisk utrustning i olika tillämpningar på marken ökar behovet av en rymdlägesbild och möjligheter till prognoser av rymdväder. IRF vill initiera en ökad samordning av nationella intressen inom rymdväderområdet och fortsätta medverka till det internationella arbete som pågår. En bas finns i det regionala rymdvädercenter, RWC (Regional Warning Center), som drivs av IRF inom ISES (International Space Environment Service). Det är nödvändigt att öka förståelsen av rymdvädret och dess inverkan på system i rymden och på jorden. Vi är nu på väg mot ett nytt solaktivitetsmaximum, 11-års-cykeln har för inte så länge sedan passerat minimum, så effekterna av rymdväder förväntas att öka. Rymdvädrets inverkan på teknologiska system studeras av IRF i samarbete med bl a kraftindustrin och MSB. IRF samlar kunskap om och fortsätter att utveckla metoder för att bättre förstå och förutsäga rymdvädret. IRF:s kunskaper och forskning kommer att öka i praktisk betydelse för samhälle och industri. Sverige har genom IRF medverkat i många av de rymdväderprojekt som genomförts, eller som pågår, inom ESA och EU. Projekten genomförs ofta i nära samarbete med användare inom näringslivet. Sverige kan fylla en viktig funktion inom SSA när det gäller kontroll av satelliter i bana runt jorden och de effekter som rymdmiljön har på dem. EISCAT och miljöövervakning med infraljudstationer kan medverka genom att registrera asteroider, meteoroider mm som kan utgöra hot mot oss. Svensk rymdindustri och forskare kan bidra med markbaserade och rymdburna mätinstrument och rymdplattformar för rymdmiljöobservationer. FOI och Försvarsmakten har visat ett stort intresse för rymdväder. Bemannade rymdfärder och rymdturism är ett annat område där kunskap om rymdmiljön är viktig. Vi ser en positiv utveckling i Sverige genom etableringen av Spaceport Sweden AB i Kiruna. Det blir därmed mer betydelsefullt att kunna mer om rymdmiljön för att förstå dess påverkan på oss människor. Rymdmiljö bör vara ett naturligt ämne inom många utbildningar eftersom rymden på ett alltmer påtagligt sätt tas i anspråk för olika typer av tillämpningar och för att vi blir alltmer beroende av högteknologiska system i rymden och på marken. Detta gäller idag för den utbildning på forskarnivå som IRF medverkar till och som utgör en god bas för anställning inom näringsliv och förvaltning. Grundforskning vid ett fristående forskningsinstitut, med möjlighet att leda internationella projekt, integreras på ett naturligt sätt i utbildningen vid ett flertal lärosäten i Sverige. Miljö- och rymddata Sverige har, på grund av bland annat närheten till norrskensovalen för studier inom rymdfysik och polarvirveln för klimatrelaterade studier, unika möjligheter till att bedriva forskning och datainsamling om för samhällsutvecklingen viktiga processer. För att den forskningsinfrastruktur som finns i norra Sverige ska kunna ingå i globala samarbeten krävs att den ständigt hålls uppgraderad och att data kan göras tillgängliga i internationella databaser. Viktigt är också att säkerställa att redan insamlade data behandlas så att de möter forskares 6 (7)
och andra användares behov. Historiska data behöver i många fall digitaliseras för att på ett smidigare sätt kunna jämföras med dagens data. Sverige bör i ett internationellt perspektiv aktivt använda de unika förutsättningar som finns för rymd- och miljöverksamhet i det arktiska området och gärna i ett förstärkt nordiskt samarbete. Förutom norrsken och polarvirvel så finns också, för forskningssyften, fördelar med relativt glesbefolkade områden och att vi under delar av året befinner oss på läsidan av en bergskedja. En aktivitet som pågår för att förstärka forskningsinfrastrukturen är det förberedande arbete som pågår inom ett EU-projekt för att ta fram nästa generation av radaranläggning, EISCAT_3D, för observationer av den polara atmosfären och jonosfären. EISCAT_3D har tagits med i ESFRI roadmap på förslag av Vetenskapsrådet i Sverige. Svensk medverkan är givetvis önskvärd inte bara i planeringsfasen utan också när det gäller uppbyggnaden av EISCAT_3D och de supportinstrument som kan göra systemet till en tillgång för global förståelse av vår nära rymd och känsliga atmosfär. Kontinuerliga registreringar som visar tillståndet i jordens nära omgivning är ovärderliga. Ett exempel är markbundna mätningar av ozon i stratosfären. IRF fungerar sedan länge som värdinstitution för mätinstrument från internationella institutioner i Tyskland, Nya Zeeland och Japan. Genom dessa samarbeten fortsätter också IRF att bidra till det internationella nätverket NDACC (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change). IRF undersöker möjligheter till att förstärka med nya observationer som kan vara av framtida intresse. SAMMANFATTNING IRF:S FORSKINGSOMRÅDE Rymd- och atmosfärfysikforskning innefattar olika aspekter expeditioner nya horisonter, grundläggande forskning hur naturen fungerar, kulturellt förstå vår plats i universum, livskvalité och hållbarhet medvetenhet och lösningar. Rymd- och atmosfärfysikforskning bidrar till kunskap om vår närmiljö i atmosfären och den nära rymden, grundläggande fysik inklusive användning av rymden som ett plasmalaboratorium, effekter på teknologiska system i rymden och på jorden, förutsättningar för liv på jorden och utanför, klimatförändringar, Rymdforskningen har dessutom gett väsentliga bidrag till teknikutveckling. IRF är med i hela forskningsprocessen och samverkar med övriga samhället ger förslag till nya forskningsprojekt, utformar nya instrument, utvecklar nya mätmetoder, samlar in data, analyserar data, presenterar och publicerar vetenskapliga rapporter, föreslår nya kommersiella tillämpningar. IRF vill ta ett större nationellt ansvar för de områden som nämnts ovan. Fördel rymd är ett inspel till en rymdagenda för Sverige och har tagits fram med bred medverkan av rymdintressenter; många av de nyttor och förutsättningar som beskrivits i dokumentet får ett förbättrat underlag genom det arbete som IRF utför. 7 (7)