Van Allenin vyöt

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

Kaasupallolla kolmeenkymmeneen kilometriin

Ke, 07/29/2015 - 09:16 Markus Hotakainen

Päivän kuva

Päivän kuva liittyy aiempaan uutiseemme uudenlaisesta instrumentista, jolla voidaan tarkkailla aurinkotuulen ja Maan magneettikentän vuorovaikutusta. 

BARREL (Balloon Array for Radiation belt Relativistic Electron Losses) on kaasupallon varassa yli 30 kilometrin korkeuteen kohoava mittalaitteisto, jolla tutkitaan Maan lähiavaruudesta ilmakehään syöksyviä elektroneja. Niiden törmäily kaasuatomien ja -molekyylien kanssa synnyttää röntgensäteilyä.

Lähes valonnopeudella liikkuvat elektronit ovat peräisin Maata ympäröivistä Van Allenin säteilyvöistä, jotka ovat syntyneet Maan magneettikentän vangitessa energisiä hiukkasia. Elektronit voivat aiheuttaa otsonikatoa ja vaurioittaa Maata kiertäviä satelliitteja. 

Etelämantereelta lähetettävien kaasupallojen avulla saatuja tietoja täydentävät kaksi Van Allen Probe -satelliittia, jotka laukaistiin vuonna 2012. Ne kiertävät Maata soikeilla radoilla, jotka vievät ne säteilyvöiden läpi.

Kuva: Robyn Millan