Van Allen Probe

Video: Tämä on näkymätön alue Maan ympärillä, jonka avaruuskilpailun alku paljasti

Viime vuonna tuli kuluneeksi 60 vuotta ensimmäisen keinotekoisen satelliitin lähettämisestä. Se oli Neuvostoliiton Sputnik. Yhdysvallat tuli hieman perässä, ja laukaisi oman ensimmäisen satelliittinsa 31.1.1958 – se ei vain piipittänyt, vaan teki mullistavan löydön.


Kyseessä olivat maapalloa ympäröivät säteilyvyöt, jotka tunnetaan nyt Explorer-1 -satelliitin säteilymittarin suunnitelleen tutkijan James van Allenin mukaan Van Allenin säteilyvöinä.

Vyöt muodostuvat maapalloa kiertävistä, samoille seuduille magneettikentän keräämistä hiukkasista, ja niistä on suurta haittaa esimerkiksi satelliittien elektroniikalle ja aurinkopaneeleille. Säteily saa elektroniikan sekaisin ja heikentää nopeasti aurinkopaneelien hyötysuhdetta. 

Pieni pikasatelliitti, joka teki ison löydön

Yhdysvalloilla oli suuria ongelmia avaruusajan alussa pysyä Neuvostoliiton tahdissa. Amerikkalaiset kantoraketit räjähtelivät ja tilanne näytti varsin toivottomalta – sikäläisestä näkökulmasta – kun Sputnik lensi kiertoradalle lokakuussa 1957.

Lisäksi silloin jo USA:ssa tiedettiin, että Neuvostoliiton raketti R-7 voisi kuljettaa avaruuteen suuremmankin satelliitin, joten oli julkisuusmielessä tärkeää, että amerikkalaissatelliitti saataisiin taivaalle mahdollisimman nopeasti.

Siksipä Yhdysvalloissa päätettiin rakettina käyttää pientä Juno-ohjusta, mutta se ei kyennyt viemään avaruuteen kovin suurta lastia. Niinpä sitä varten kehitettiin nopeasti pieni satelliitti.

Explorer 1:n tekeminen annettiin armeijan tutkijoille. Kaliforniassa ollut ennen kaikkea rakettityöntövoimatekniikkaa kehittänyt armeijan osasto Jet Propulsion Laboratory suunnitteli ja rakensi satelliitin vain muutamassa kuukaudessa. Mukaan päätettiin laittaa kolme pientä tutkimuslaitetta, geigermittari kosmisten säteiden mittaukseen, lankaristikko ja mikrofoni, jolla oli aikomus havaita mikrometeoriitteja. 

Koelaitteet suunnitteli Iowan yliopiston tutkija James Van Allen, joka on alla olevassa kuvassa keskellä. 

Itse satelliitti on herrojen käsissään pitämän pötkylän oikeanpuoleinen osa, sillä vasemmalla on kantoraketin ylin rakettivaihe.

Nyttemmin Jet Propulsion Laboratory on kuuluisa planeettaluotaimistaan; Explorer 1 osaltaan sysäsi keskuksen avaruustutkimuksen pariin.

Explorer 1:n massa oli vain 14 kg. Se laukaistiin hyvin soikealle kiertoradalle Cape Canaveralin rakettikeskuksesta Floridasta 31.1.1958 klo 22:48 paikallista aikaa ja toimi akkuvoimalla toukokuuhun 1958 saakka.

 

Jo satelliitin laukaisun aikaan osattiin arvata, että maapallon magneettikenttä voisi vangita korkeaenergisiä hiukkasia. Kun Explorer 1 laite lensi näiden hiukkasten muodostamien vyöhykkeiden läpi, pystyttiin niiden olemassaolo todistamaan ja lisäksi niistä saatiin paljon havaintoja. Esimerkiksi niiden kahden sisäkkäisen donitsin tyylinen olemus saatiin selville.

Vöissä kiitävät ultranopeat elektronit voivat aiheuttaa vakavia häiriöitä satelliittien elektroniikkaan ja säteily myös ikäännyttää satelliitteja ja mittalaitteita. Siltä suojautumiseen tarvitaan kalliita säteilysuojattuja komponentteja, jotka nekään eivät aina kestä vaihtelevassa ympäristössä.

Explorerin jälkeen lukuisat satelliitit ovat tutkineet säteilyvöitä ja maapallon lähiavaruuden jännittävää hiukkasleikkiä.

Varsinkin Nasan vuonna 2012 laukaisemat kaksi Van Allen -luotainta ovat mullistaneet käsityksemme säteilyvöistä. Vöiden rakenne on paljon oletettua monimutkaisempi ja elektronien vyöt saattavat muuttua äkillisesti ja rajusti. Tietomme säteilyvöistä on kasvanut, mutta niiden dynamiikkaan liittyy vielä paljon avoimia kysymyksiä.

Yllä oleva video on Van Allen Probe -hankkeen tekemä ja siinä kerrotaan tarkemmin säteilyvöistä ja niiden tutkimuksesta.

Suomessa on paljon lähiavaruuden olosuhteiden osaamista ja suomalaistutkijat ovat osallistuneet paitsi teoreettiseen työhön niiden selvittämiseksi, niin myös moniin avaruushankkeisiin, missä niitä on tutkittu.

Myös ensimmäinen suomalaissatelliitti Aalto-1 mittaa Maan ympärillä olevaa säteilyä mittarillaan ja tuleva Suomi 100 -satelliitti tekee radiotutkimuslaitteella epäsuorasti havaintoja maapallon lähiavaruuden plasmailmiöistä.

Myös tuore Suomen Akatemian huippuyksikkö, Kestävän avaruustieteen ja -tekniikan huippuyksikkö pureutuu tutkimuksessaan avaruussäteilyyn.  Huippuyksikkö aikoo myös rakentaa ja lähettää piensatelliitteja säteilyvöitä tutkimaan – satelliittien tekemisestä vastaa Aalto-1:n takana oleva Aalto-yliopisto.

Nämä FORESAIL-nanosatelliitit ovat parhaillaan suunnitteluvaiheessa ja niistä tulee pienestä koostaan huolimatta erinomaisia: ne voivat tutkia säteilyvöitä nykyistä huomattavasti paremmalla aika- ja paikkaresoluutiolla, mikä vie niiden tutkimusta suuren harppauksen eteenpäin.

Jutun pohjana on Helsingin yliopiston tiedotuksen tekemä uutinen.

Video: Japani lähetti avaruuteen revontulivakoojan

Japanin avaruustutkimusvirasto JAXA aikoo lähettää tänään tiistaina avaruuteen ERG-niminen satelliitin, jonka tehtävänä on tutkia suomalaisittainkin hyvin kiinnostavia asioita: Maan säteilyvyöhykkeiden suurenergisiä hiukkasia ja niiden käyttäytymistä magneettisten myrskyjen aikana. 

Suomi on mukana lennolla muutenkin kuin vain aiheen puolesta: Sodankylän geofysiikan observatorio vastaa tutkimuksessa maanpintamittauksista pohjoisen Skandinavian alueella sekä satelliittihavaintoihin liittyvien ilmakehävaikutusten mallinnuksesta. Tutkimukseen liittyen japanilainen Nagoyan yliopisto ja SGO ovat sijoittaneet Sodankylään uuden 100 kuvaa sekunnissa kuvaavan  revontulikameran tutkimuksia varten. Tutkimuksessa on mukana myös Ilmatieteen laitos.

SGO:n ja japanilaisen Nagoyan yliopiston tutkijat ovat todenneet tuoreessa tutkimuksessaan, että sykkiviin revontuliin liittyvät, ilmakehään iskeytyvät suurienergiset hiukkaset voivat mahdollisesti aiheuttaa merkittävää otsonituhoa yläilmakehässä.. ERG:n havainnoista sekä SGO:n mallinnuksista saatetaan saada tästäkin lisätietoa.

350-kiloisen revontulitutkijan lyhennenimi tulee sanoista Energization and Radiation in Geospace, eli "geoavaruuden energiaatio ja säteily", ja se tulee kiertämään maapalloa radalla, joka vie sen planeettaamme suojaavien säteilyvöiden (van Allenin säteilyvöiden) läpi.

Rata on hyvin soikea, sillä lähimmillään luotain tulee olemaan vain 219 kilometrin päässä Maan pinnasta, mutta kaukaisimmillaan se on 33 200 kilometrin etäisyydellä. Radan kaltevuus päiväntasaajan suhteen on 31,4°.

Erityisesti tutkijat haluavat ERG:n avulla selvittää prosessia, miten aurinkomyrskyjen aikaan hiukkaset hivuttautuvat päiväntasaajan luota kohti maapallon napa-alueita ja saavat siellä aikaan muun muassa revontulia.

Satelliitissa on neljä aurinkopaneelia ja sen rungosta ulospäin työntyviä antenneja, jotka avataan luonnollisesti vasta avaruudessa; raketin nokassa ollessaan satelliitti, sen aurinkopaneelit ja antennit ovat tiukasti pakattuina.

nokkakartio ja sisusta
Raketti nousee
ERG laukaistiin onnistuneesti (kuva ja tieto laukaisusta lisätty klo 16:20).

Se, että ERG tulee lentämään radallaan koko ajan säteilyvöiden läpi, tuo lentoon lisäjännitystä, koska näiden alueiden voimakas säteily voi vaurioittaa satelliittia ja haitata yhteydenpitoa siihen. Joka tapauksessa säteily tulee heikentämään nopeasti aurinkopaneelien sähköntuotantokykyä, joten satelliitista ei odoteta kovin pitkäikäistä; sen lasketaan kestävän vuoden päivät.

Jo nyt avaruudessa on kaksi NASAn vastaavanlaista satellititia, kaksi vuonna 2012 laukaista Van Allen -luotainta, joiden lisäksi kuvaa maapallon magneettisesta lähiavaruudesta täydentävät Euroopan avaruusjärestön neljä Cluster-satelliittia.

ERG on tarkoitus laukaista maan eteläkärjessä olevalla Kiushu-saarella sijaitsevasta Uchinouran avaruuskeskuksesta klo 13 Suomen aikaa.

Päivitys klo 12.30: Lisätty tieto SGO:n osallistumista hankkeeseen. Klo 16:40 lisätty tietoa Oulun yliopiston julkaisemasta tiedotteesta.

Kuvat: JAXA

Maapallon ympäriltä havaitaan outoa suhinaa

To, 11/05/2015 - 18:01 Jari Mäkinen
van Allenin vyöt

Ääni ei kuulu tyhjässä avaruudessa, mutta radiovastaanottimen avulla voidaan muuttaa sähkömagneettisia aaltoja kuultavaan muotoon. Itse asiassa perinteinen radio perustuu juuri tähän: radiolähetystä moduloidaan, eli muokataan lähettimessä siten, että ääni siirtyy sen mukana ja voidaan muuttaa helposti vastaanottimessa kuunneltavaan muotoon.

Luonnossa oleviin radioaaltoihin ei ole tietoisesti moduloitu signaalia, mutta erilaiset fysikaaliset ilmiöt jättävät kukin omanlaisensa sähkömagneettisen jäljen.

Esimerkiksi Maan ympärillä säteilyvöissä (otsikkokuva) olevat varatut hiukkaset synnyttävät radioaaltoja, joita voi kuunnella jopa tavallisella perinteisellä ULA-radiovastaanottimella. Kun elektronit pyörivät, resonoivat ja parveilevat, on tuloksena kuin sademetsässä olevan apinalauman rääkymistä. 

Salaman synnyttämä ääni on vinkunaa ja revontulimyrsky kuulostaa samalta kuin lintuparvi.

Ääniä voi kuunnella mm. täällä.

Näiden äänien kuuntelu on paitsi hauskaa hupia (vastaanottimen voi tehdä myös itse tai ostaa netistä), niin radioaaltojen muuntaminen kuultavaan muotoon tarkoilla vastaanottimilla on myös tapa tehdä “vakavaa” tutkimusta.

Suomessakin on mm. Sodankylän geofysiikan observatoriossa tehty samankaltaista kuuntelemista varsin pitkään, tosin kotiradiovastaanottimien käyttämiä pitemmillä aallonpituuksilla. Työ jatkuu mm. uudella AARDDVARK-laitteistolla VLF-alueella (3 -30 kHz).

Syöksyviä päiväntasaajaelektroneja?

Viime vuonna tutkijat kertoivat löytäneensä aivan uudenlaisen äänen, joka on peräisin maapallon magneettikentässä vankina olevista sähköisesti varatuista hiukkasista.

Tämä ääni on suhinaa, jota vielä nyt halloweenin jälkimainingeissa voisi kutsua myös kummitusmaiseksi kohinaksi. Tarkemmin sanottuna sen on ääntä, jonka aallonpituus vaihtelee 100 Hertzin ja usean kilohetrzin välillä. 

Animaation elektroneistaJo aiemmin on ymmärretty, että samantyyppinen suhinamainen ääni liittyy siihen, että Maata ympäröivistä säteilyvöistä sinkoaa elektroneja alas ilmakehään (kuva oikealla).

Mutta miten ja miksi?

Tämä suhina vaikutti tasaisen satunnaiselta kohinalta aina siihen saakka, kunnes tutkijat löysivät NASAn Van Allen Probe -satelliittien vuonna 2013 rekisteröimistä havainnoista spektrianalysaattorilla erilaisia, säännönmukaisia osia: äänessä oli hyvin heikkoa alirakennetta keski-C -nuotin aallonpituusalueella  ja noin kaksi oktaavia sen alapuolella.

Sen jälkeen kun löydöstä kerrottiin alun perin viime vuonna Journal of Geophysical Research -julkaisussa olleessa artikkelissa, ovat tukijat kehittäneet tarkemmin mallia, joka voisi selittää suhinan.

Tuore NASAn Earth and Space Science News -lehti kertookin jutussaan, että suhinan omituisuudelle olisi löytynyt nyt kaksi selitystä.

Yhden mukaan "ääni" tulisi suoraan maapallon päiväntasaajan päällä pyörivistä elektroneista. Toisen oletuksen mukaan se olisikin itse asiassa kauempaa Maan magnetosfäärin hännästä tulevien aaltojen sekoittumista toisiinsa. Voisi siis sanoa, että se on joko kohti Maata syösyvien elektronien kiljuntaa tai kaukana maapallon varjpuolella olevien elektronien jutustelun kaikuja.

Toivottavasti ilmiöstä saadaan piakkoin vielä tätä enemmän irti, sillä Van Allen -satelliitit ovat edelleen toiminnassa Maata kiertämässä ja ne tekevät koko ajan uusia mittauksia planeettamme säteilyvöistä sekä sähkömagneettisesta aktiivisuudesta ympärillämme lähiavaruudessa.