Misja Aditya-L1 ma na celu rozwiązanie zagadki pogody kosmicznej

W mroźną zimową noc 13 marca 1989 roku sieć energetyczna w Quebecu w Kanadzie wyłączyła się bez ostrzeżenia, pogrążając prowincję w ciemnościach. Metro w Montrealu całkowicie się zatrzymało, a działalność lotniska została zakłócona. Dalej na południe, w sąsiednich Stanach Zjednoczonych, noce rozświetlała piękna, jasna zorza polarna aż do Teksasu, który nie był przyzwyczajony do oglądania takich scen. Kilka czujników promu kosmicznego Discovery zaczęło działać nieprawidłowo. Radio Wolna Europa przestało nadawać w Rosji, budząc obawy przed zakłóceniami komunikacji.

Ponad trzydzieści lat później, w pierwszym tygodniu lutego 2022 r., prawie cała konstelacja nowo wystrzelonych satelitów komunikacyjnych Starlink niespodziewanie wypadła z orbity, jakby utonęła w burzy.

Chociaż zdarzenia te są różne na poszczególnych kontynentach, wszystkie mają wspólną przyczynę: złą pogodę kosmiczną.

Sun, poznaj Adityę

2 września tego roku Indyjska Organizacja Badań Kosmicznych (ISRO) wystrzeliła satelitę Aditya-L1, swoją pierwszą misję kosmiczną mającą na celu badanie aktywności Słońca. Po kilkukrotnym okrążeniu Ziemi po coraz odległych orbitach, statek kosmiczny zostanie wypchnięty w stronę punktu Lagrange’a L1 – strategicznego miejsca w przestrzeni kosmicznej oddalonego o około 1,5 miliona kilometrów od Ziemi. Stąd statek kosmiczny może w sposób ciągły monitorować Słońce i zmieniające się lokalne środowisko lub pogodę kosmiczną, zanim bezpośrednio dotknie Ziemię, zapewniając nam istotne ostrzeżenie z dziesiątkami minut wyprzedzeniem.

Słońce jest ogromną kulą ognistej plazmy. Energia jest wytwarzana w wyniku syntezy jądrowej w jego rdzeniu, gdzie temperatura sięga 15 milionów stopni Celsjusza, a gęstość jest ponad 20 razy większa od żelaza. Od środka do powierzchni Słońca temperatura spada, a energia przepływa na zewnątrz. Wewnątrz Słońca temperatura jest wystarczająco wysoka, aby rozdzielić atomy na ujemnie naładowane elektrony i dodatnio naładowane jony – stan materii zwany plazmą. Pod powierzchnią Słońca znajduje się strefa konwekcji, w której gorąca plazma unosi się i gdy dociera do powierzchni, wypromieniowuje swoją energię w postaci światła słonecznego. Docierające do nas światło słoneczne podtrzymuje życie i napędza procesy atmosferyczne rządzące klimatem Ziemi.

Po tym, jak plazma słoneczna wypromieniowuje swoją energię z powierzchni, ochładza się i ponownie opada, podobnie jak cyklonowa konwekcja w ziemskiej atmosferze. Ten skręcony i falujący ruch plazmy w Słońcu wytwarza ogromne prądy elektryczne, a jako produkt uboczny – potężne pola magnetyczne. Proces ten, znany jako dynamo słoneczne, generuje ciemne plamy wielkości Ziemi na powierzchni Słońca, zwane plamami słonecznymi, oraz pierścienie magnetyczne, które wznoszą się niczym gigantyczne łuki łączące zewnętrzną atmosferę gwiazdy, koronę.

Burza w kosmosie

Podczas gdy temperatura widocznej powierzchni Słońca, czyli fotosfery, wynosi zaledwie około 6000 stopni Celsjusza, temperatura w koronie słonecznej wzrasta do miliona stopni. Jak to się dzieje, że jest tak gorąco – co stoi w jawnej sprzeczności z prawami termodynamiki, które mówią, że energia cieplna może przepływać tylko z obszaru o wyższej temperaturze do obszaru o niższej temperaturze?

Wiemy, że w sercu nagrzewania koronalnego leżą inne nowe procesy, takie jak fale falujące wzdłuż gigantycznych koronowych pętli magnetycznych, strumienie super gorącej plazmy wznoszące się z powierzchni do warstw koronalnych oraz proces znany jako ponowne połączenie magnetyczne. Gorąca korona magnetyczna Słońca jest również odpowiedzialna za naddźwiękowy przepływ wiatrów plazmowych, które pochłaniają wszystkie planety Układu Słonecznego i stanowią tło dla pogody kosmicznej. Czasami to środowisko może zostać gwałtownie zakłócone.

Nogi pętli magnetycznych korony słonecznej są nieustannie popychane przez turbulentne podpowierzchniowe przepływy plazmy, gdzie są zakorzenione. Pierścienie te, zasilane wijącym się ruchem plazmy, utrzymują ogromne prądy elektryczne i czasami podczas szaleńczego tańca krzyżują się. Kiedy warunki są odpowiednie, wyzwala to zdarzenie ponownego połączenia magnetycznego, które niszczy pierścienie. Uwalniana przez nie energia magnetyczna jest wykorzystywana do wywołania najbardziej gwałtownego zdarzenia obserwowanego w naszej gwieździe: rozbłysku słonecznego, którego energia wyjściowa może przekroczyć energię 100 miliardów bomb nuklearnych.

Energia uwolniona podczas takiej burzy słonecznej jeszcze bardziej podgrzewa atmosferę słoneczną, generując intensywne promieniowanie rentgenowskie i przyspieszając naładowane cząstki do znacznego ułamka prędkości światła. Bardziej energetyczne zdarzenia mogą wyrzucić namagnesowaną plazmę koronową w przestrzeń kosmiczną z prędkością przekraczającą kilka milionów kilometrów na godzinę, tworząc koronalny wyrzut masy — burzę kosmiczną, która skierowana w stronę Ziemi poważnie zakłóca nasze środowisko kosmiczne.

Nowe poleganie na infrastrukturze

Ekstremalna pogoda kosmiczna może powodować burze geomagnetyczne, które tworzą piękne zorze polarne, powodują awarie sieci energetycznych w regionach na dużych szerokościach geograficznych, zakłócają sieci komunikacyjne i nawigacyjne GPS, wpływają na ruch lotniczy na trasach polarnych i zakłócają sygnały radarowe nad biegunem północnym. ostatni. Mogą spalić wrażliwą elektronikę satelitów, a czasami przyspieszyć katastrofalny spadek orbity, jak w przypadku utraty satelitów Starlink w 2022 roku.

Wraz z rosnącą zależnością od infrastruktury kosmicznej katastrofalna burza słoneczna może spowodować negatywne skutki gospodarcze o wartości 1 biliona dolarów. Jednak nie mamy jeszcze środków, aby dokładnie przewidzieć surową pogodę kosmiczną.

Misja Aditya-L1 ISRO będzie badać, w jaki sposób pola magnetyczne prowadzą do zmian w promieniowaniu ultrafioletowym Słońca, które odgrywa kluczową rolę w kontrolowaniu ziemskiej atmosfery i dynamiki klimatu. Będzie monitorować przepływ energii w zewnętrznej atmosferze Słońca, aby przetestować konkurencyjne teorie ogrzewania korony słonecznej. Analizując promienie rentgenowskie, będzie starał się zrozumieć, jak rodzą się gwałtowne burze słoneczne. Aditya-L1 będzie także śledzić wczesny ruch burz magnetycznych w pobliżu Słońca i monitorować lokalne środowisko kosmiczne w jego pobliżu w punkcie Lagrange’a L1, czyli środowisko, które ostatecznie wpływa na Ziemię.

Współpraca narodowa

Aditya-L1 została pierwotnie pomyślana jako misja o charakterze czysto naukowym. W 2020 r. ISRO utworzyła komitet w celu zbadania, w jaki sposób można wykorzystać dane z misji do wyodrębnienia informacji istotnych dla monitorowania i prognozowania pogody kosmicznej. Przewodniczyłem tej komisji. Sformułowano zestaw szczegółowych zaleceń dotyczących inteligencji pokładowej na potrzeby alertów o pogodzie kosmicznej oraz wspierania inicjatyw w zakresie analizy danych i modelowania obliczeniowego w celu tworzenia wiedzy o pogodzie kosmicznej o wartości dodanej.

W ćwiczeniu tym wzięło udział ponad 60 naukowców z prawie 20 organizacji akademickich, a wielu naukowców, inżynierów i studentów również wniosło swój wkład w misję, co stanowi przykład ogólnokrajowego wspólnego wysiłku, który pozwolił na wyprodukowanie Aditya-L1.

Jeżeli misja zakończy się sukcesem, będzie to głośna demonstracja indyjskich inwestycji w badania z zakresu nauk o przestrzeni kosmicznej, które z jednej strony mogą pobudzić badania podstawowe nad naszym światem, a z drugiej strony wygenerować wiedzę o dużym znaczeniu społecznym. Dzisiaj budzimy się z prognozą pogody. Niedaleki jest dzień, w którym się obudzimy przestrzeń prognoza pogody. Od czasu wystrzelenia naszej pierwszej rakiety nad odległą plażą w Thumba mieszkańcy Indii nie byli tak entuzjastycznie nastawieni do kosmosu.

Dr Dibyendu Nandy jest profesorem fizyki i dyrektorem Indyjskiego Centrum Doskonałości w Naukach o Kosmosie w IISER Kalkuta. Specjalizuje się w rozumieniu i przewidywaniu pogody kosmicznej.

• Indyjska Organizacja Badań Kosmicznych (ISRO) wystrzeliła satelitę Aditya-L1, swoją pierwszą misję kosmiczną mającą na celu badanie aktywności Słońca. Po kilkukrotnym okrążeniu Ziemi po coraz odległych orbitach, statek kosmiczny zostanie wypchnięty w stronę punktu Lagrange’a L1 – strategicznego miejsca w przestrzeni kosmicznej oddalonego o około 1,5 miliona kilometrów od Ziemi.

• Misja Aditya-L1 ISRO będzie badać, w jaki sposób pola magnetyczne prowadzą do zmian w promieniowaniu ultrafioletowym Słońca, które odgrywa kluczową rolę w kontrolowaniu ziemskiej atmosfery i dynamiki klimatu. Będzie monitorować przepływ energii w zewnętrznej atmosferze Słońca, aby przetestować konkurencyjne teorie ogrzewania korony słonecznej.

• Jeżeli misja zakończy się sukcesem, będzie to głośna demonstracja indyjskich inwestycji w badania z zakresu nauk o przestrzeni kosmicznej, które z jednej strony mogą pobudzić badania podstawowe nad naszym światem, a z drugiej strony wygenerować wiedzę o dużym znaczeniu społecznym.