Viharok a világűrben – Gombosi Tamás külső tag székfoglaló előadása az MTA-n
17 perc olvasás
Foto: Space Weather Prediction Center – NOAA2017. április 26-n zajlott a Magyar Tudományos Akadémia székházában az Amerikában élő magyar kutató hazai székfoglaló előadása. UPDATED: 2017-05-03 16:57:37
Foto: Space Weather Prediction Center – NOAA2017. április 26-n zajlott a Magyar Tudományos Akadémia székházában az Amerikában élő magyar kutató hazai székfoglaló előadása. UPDATED: 2017-05-03 16:57:37
Az űrviharok a Nap felszíni mágneses terének átrendeződése által keltett hatalmas koronakitörések következményei. A mágneses erők hatására a kidobódó plazmafelhő egyre gyorsabban távolodik a Naptól, majd a Napot elhagyva bolygóközi mágneses felhővé válik. Amikor a koronakidobódás eléri a Földet, geomágneses vihar keletkezik. A modern technológiai rendszerek, a távközlési rendszer, benne a mobil telefonok, a GPS navigációs rendszer, valamint az elektromos hálózat is, nagyon érzékenyek a geomágneses viharokra: nagy űrviharok időtartama alatt használhatatlanná válhatnak. Az űrviharok fizikai alapú modellezése az űrkutatás új ága, ami az 1990-es években kezdődött. Az előadó Gombosi Tamás nagy szerepet játszott az elméleti alapok lerakásában és a háromdimenziós számítógépes modellek megalkotásában.
Megalapította a Michigani Egyetem (University of Michigan) Űrkörnyezet Modellező Központját. Ez a csoport fejlesztette ki az első globális űrkörnyezet-modellt. Megoldásához alkalmazkodó rácsot (adaptive grid) használnak, ezzel nagyságrendekkel csökkentve a szükséges számítógépes erőforrás-kapacitást. Eljárásukkal lehetővé vált a teljes Nap-Föld rendszer valósághű számítógépes modellezése. Az új módszeren alapuló Űridőjárás Modellezési keretrendszert (Space Weather Modeling Framework, SWMF) egyaránt használja a NASA és az USA állami űridőjárás előrejelző szolgálata (NOAA/SWPC).
Az előadó székfoglalójában közérthetően bevezette az űridőjárásra vonatkozó alapfogalmakat, bemutatta az űrviharok legfontosabb technológiai következményeit és a michigani modellrendszert.
Gombosi professzor szerint a kutató felteheti a kérdést: Mi a tanulsága a több mint 40 éves kutatói pályafutásnak?
Lehetünk bármilyen arrogánsak és okosak, a természet mindig okosabb nálunk, mindig kitalál valamit, amivel megszégyenít bennünket. A szerző a diákjainak szokta mondani; ha rajta múlna, betiltana minden űr-missziót, mert a mérések még megcáfolhatják legjobb elméleteit is…
Az űr-időjárás viszonylag új fogalom az űrkutatás területén. Az űr-környezet azon negatív hatását értjük alatta, melyet a technológiai rendszerre, vagy az ember egészségére, életére fejt ki. A mai értelemben vett űr-időjárás hatását először 1859-ben tapasztalta meg az emberiség, amikor a technológia legfejlettebb vívmányának a vezetékes telegráf (távíró) számított. Azon év augusztus végén az angol amatőr csillagász Richard Carrington nagy kifényesedéseket figyelt meg a Napon.
http://www.ng.hu/Magazin/magazincikk/1206/vigyazat_napkitores_
15-16 órával ezt követően a távíróhálózat az egész világon „megbolondult". A távírógépekből szikrák csaptak ki, a gépben lévő papír meggyulladt, a távírógépeket hiába kapcsolták ki, azok tápforrás nélkül is még órákig működtek. Az akkori sajtó híradása szerint; „mennyei erőforrásról működtek a távírógépek az egész világon, kb. 5-6 órán keresztül".
A Föld mágneses terét ekkoriban már mérni tudták, ez volt a geofizikai mérések csúcspontja. Carrington kifényesedési megfigyeléseit 15-16 órával követően, London mellett és Bombay (ma: Mumbai) mellett olyan óriási mágneses kilengést mértek, amilyet azóta sem. Hatalmas mágneses vihar volt ez, a jelenséget követő napon sarki fényt figyeltek meg csaknem az egész Földön, Rómában, Miamiban, Bombayban, mélyen déli szélességi fokokon is, ami nagyon ritkán fordul elő.
Carrington volt az, aki először hozta kapcsolatba a távírógépeket, a sarki fényt és a Nap kifényesedését. Így ezt az eseményt tekintjük a mai értelemben vett űr-időjárás első megnyilvánulásának.
Több mint 100 évvel később, a hidegháború legrosszabb időszakában, 1967-ben zajlott a párizsi diáklázadás, a hatnapos izraeli-arab háború, nagyon feszült volt az egész világon a helyzet. Május 23-án, este 8 óra tájban az egész amerikai légierőt riasztották. Ez időtájt már működtek a rakéta-előrejelző radarrendszerek, úgy a Szovjetunióban, mint az Egyesült Államokban. Két északi elhelyezkedésű amerikai radarállomást valami ismeretlen rádióforrás olyan mértékben zavart, hogy azok használhatatlanná váltak. Ebben az időben egy ilyesfajta radar-zavarás csak egyet jelenthetett; az ellenség rakéta-támadásra készül az Egyesült Államok ellen. Ezért az amerikai légierőt teljes harci készültségbe helyezték, a B-52-es bombázógépek felszálltak az atombombákkal, s várták a további parancsot. Szerencsére, ez egy évvel az után történt, hogy az amerikaiak már megalapították űr-időjárás előrejelző szolgálatukat, aminek mai utódszervezete a NOAA. https://hu.wikipedia.org/wiki/Nemzeti_Éghajlati_Adatközpont , http://www.noaa.gov
Ez a szolgálat jelezte a légierőnek és a katonai főparancsnokságnak, hogy május 18. óta a Napon nagyon szokatlan jelenségek zajlanak; négy önálló aktív zóna egymásba olvad és ennek során hatalmas napkitörések keletkeztek, amelyek többek között sarki-fény jelenségeket okoztak Új-Mexikóban, Alabamában, Washingtonban, de az európai kontinensen is, egészen Rómáig terjedően. (Budapesten is tapasztalták.) Néhány órás vacillálás után az amerikai hadvezetés arra jutott, hogy a radarokat nem a Szovjetunió zavarta, hanem a Nap, így eltekintett további hadmozdulatoktól. Utólag azért kiderült, hogy a világ komoly veszélyben, a harmadik világháború szélén állt.
A Nap viszonylag nyugodtnak látszó felszíne alatt hatalmas, fényes anyagtömegek örvénylenek. Fényes ívek mutatkoznak felszíntől-felszínig rajzolódó görbékben, ezek mutatják a Nap mágnese erővonalainak rajzolatát. A problémákat a Nap mágnese erőtere okozza. Amikor egy ilyen aktív régió kitörést produkál a Napon, akkor a felszíntől felszínig záródó ívek kinyílnak és hatalmas mennyiségű nap-anyag, plazma lökődik ki a világűrbe, indul el a Naptól távolodva.
Esetenként a kitörés iránya a Föld felé mutat, s a plazma-halmaz el is érheti a Földet. Ilyenkor kölcsönhatásba kerül a Föld mágneses terével, ill. azzal a régióval, amelyben a Föld mágnese tere érvényesül. Ezt a régiót hívjuk magnetoszférának. Amikor a földi magnetoszféra és ez a napkitöréses mágnesezett anyag kölcsönhatásba kerül, komoly áramok indukálódnak, amelyek a sarkok területén akadály nélkül behatolhatnak a földi légkörbe, s létrehozzák a jól ismert sarki fényt.
A keletkező hatalmas áramok komoly figyelmet érdemelnek, mert maguk is további, másodlagos áramokat hoznak létre a Föld felszínében, annak anyagában. Ezek a másodlagos áramok azok, amelyek teljesen tönkre tehetik az elektromos elosztó hálózatot. Mindenütt, ahol sarki fényt látunk, ott a földön komoly áramok keletkeznek. Egész Észak-Amerika és Európa erősáramú hálózatát komolyan befolyásolhatják ezek a gerjesztett áramok. Időnként teljes rövidzárlatot is okozhatnak. A GPS pozícionáló rendszer teljesen összezavarodhat, s kontinensek borulhatnak teljes sötétségbe.
Melyek tehát a napkitörések legfontosabb következményei?
A rádiós tájékozódó rendszerek jelei teljesen eltorzulhatnak, így azok használhatatlanná válnak. A Napból eredő kozmikus részecskék olyan sűrűn ütköznek a mérőberendezések felfogó-érzékelőibe, hogy azok „megvakulnak".
A polgári repülést is befolyásolják, különös óvatossággal kell kezelni azokat a járatokat, amelyek a sarkok felett repülnek. Az Egyesült Államokban a legtöbb légitársaság nem enged várandós utaskísérőt sarki járatokon repülni, mivel nagyobb radioaktív dóziséri a személyzetet és az utasokat is. Ilyen űr-időjárási esemény kapcsán égett le egy New-Jerseyben üzemeltetett nagy áramelosztó állomás transzformátora is. A vonatkozó transzformátorok drága berendezésnek számítanak, egyenként 20-50 millió dollárba kerül előállításuk. Gondot jelent, hogy ezek nem egyen-készülékek, hanem egyedi tervezésűek, így minden egyes tervezés külön költséget, összegezve komoly tételt jelent. Sok transzformátor egyidejű leégése után több hónapba is telhet azok pótlása, az elektromos hálózat, szolgáltatás újraélesztése.
A Nap és a Föld közötti kapcsolatot vizsgálva azt is számításba kell venni, hogy a világűr nem üres. A Nap atmoszférájának legkülsőbb rétege teljesen kitölti a Naptól mért 100 csillagászati egységnyi táv teljes terét. https://hu.wikipedia.org/wiki/Csillagászati_egység
A Nap légkörének felső része, az un. korona nem kapcsolódik gravitációsan a Naphoz, hanem ez a plazma nagy sebességgel kiáramlik a világűrbe, s un. napszélként kitölti az egész Naprendszert. A napszelet az 1950-es években fedezték fel, amikor Ludwig Biermann német csillagász megfigyelte, hogy az üstökösöknek két csóvája van, s az egyik mindig a Nappal ellentétes irányba mutat. Elsőként feltételezte, hogy ez a csóva azért mutat erre, mert a Napból nagy sebességű részecske áramlás érkezik, s ez magával ragadja az üstökös-gázokat.
https://hu.wikipedia.org/wiki/Napszél
https://en.wikipedia.org/wiki/Ludwig_Biermann
Űrviharról tehát akkor beszélünk, amikor a Napból ezek az említett ívek kinyúlnak és hatalmas mennyiségű tömeg lökődik ki a bolygóközi térbe. Ennek a tömegnek a nagysága elérheti a 1012 – 1016 kilogrammot, ami egy jól megtermett üstökös tömegének, vagy egy Jupiter hold tömegének felel meg. Ezek a nagy tömegek 2-3 ezer kilométeres sebességgel hagyják el a Napot. A Nap mágneses tere az oka mindennek. Ez a mágneses tér úgy jön létre, hogy a Nap felső rétegei un. differenciális forgást végeznek. http://www.mimi.hu/csillagaszat/differencialis_rotacio.html
Az egyenlítői réteg gyorsabba forog mint a sarki réteg, ezért a felszín alatti mágneses erővonalak teljesen „feltekerednek" a Nap felszínére. Ezek a feltekeredett erővonalak kis helyi hurkokat is képesek okozni, s ezek a helyi hurkok okozzák tulajdonképpen a napkitöréseket. A helyi hurok ilyenkor áttöri a troposzférát, a Nap látható felszínét, s ahol ez az áttörés létrejön, ott a felszín jobban tud hűlni, mint a környezete, s ezt a hűvösebb felszíni foltot látjuk mi napfoltnak. A napfoltok tehát rendszerint egy aktív területet jeleznek, s azt is, hogy itt a mágneses tér erősebb, s mágneses íveket alkot.
A Föld mágnese tere nagyon hasonlít egy dipólushoz, s amikor egy szuperszónikus gáz, a Napból a Föld felé áramló napszél kölcsönhatásba kerül ezzel a dipólussal, akkor a Föld mágneses tere összenyomódik, a Nap felőli oldala olyan képet mutat, mint egy golyó előtt létrejövő lökéshullám, a hátsó része pedig üstökös-szerű csóvát alkotva kinyúlik.
A legfontosabb fizikai jelenség az un. mágneses átrendeződés. Lényege; a mágneses erővonalak egy viszonylag kis területen megváltoztatják az alakjukat, ez egy kisebb energiájú állapotot hoz létre, s az energia-különbség részecske-mozgássá alakul, ez okozza azokat az áramlásokat, s energiával teli plazma-tömegeket, amelyek kiáramolva a Napból elindulnak a Föld felé.
http://alfahir.hu/ujjaepitette_magat_a_nap
http://real-d.mtak.hu/131/4/1_resz.pdf
Az űr-időjárás modellezése nagyon nehéz feladat, még nehezebb, mint a földi időjárás előrejelzése. A gond; nagyon sok, egymástól különböző jelenséggel kell számolni, amelyek idő-, és távolság-skálája 228 -szoros nagyságrendben változhat (=3×108), azaz 300 millió-szorosan. Ugyanez igaz az időskálára is, ami másodperctől több évig terjedhet. Egyetlenegy programmal, vagy számítógépes szoftverrel ezt nem lehet leírni, mert nem csak a skálák változnak, hanem a fizika is más-más a különböző rétegekben.
Az utóbbi negyed században a Michigani Egyetemen arra összpontosítottak, hogy a világ élenjáró számítógépes modell-rendszerét fejlesszék ki az űr-időjárás leírására. 25 év alatt 50 millió dollárt költöttek ezen program kifejlesztésére. Sok amerikai ügynökség támogatta őket anyagilag, s mintegy 150 ember-évnyi munka van benne. A munkacsoport nemzetiségi összetétele tipikusan amerikai; két magyar, két orosz, egy holland és két amerikai. Emellett sok diák és más kutató is részt vesz a munkában.
A 25 év alatt kifejlesztett szoftver-keretrendszerük több mint egy tucat összetevőből áll, mindegyik bizonyos fizikai folyamatokat ír le. Például, van külön napkorona-modell, bolygóközi tér-modell, Nap-kozmikus sugárzás modell, magnetoszféra-modell, stb. A skálák fent-említett nagymértékű változékonysága miatt nem próbálnak mindent egy programmal leírni, hanem különböző programokat kötnek össze, amelyek jól meghatározható fizikai tereket, vagy fizikai folyamatokat írnak le.
ALSA nevű Nap-légkör modelljük egy alkalmazkodó (adaptív) számítógépes rácson működik, amelyen a rácsfelbontás nagyon nagy ott, ahol a megoldás gyorsan változik, és kicsi ott, ahol a megoldás lassan változik.
https://www.nasa.gov/multimedia/imagegallery/image_feature_2404.html
A napkitörést már nagyon jól le tudják írni, a részleteket és a fluktuációt még nem. A Nap ibolyántúli sugárzásának szimulációját is kidolgozták különböző hullámhosszakra, ez jól egybevág a fizikai megfigyelésekkel. A Nap mágneses állapotának 3D ábrázolását kitörés esetén is megoldotta a csoport. Szimulálni tudják a napkitörés 3D mágneses erővonalait kétdimenziós metszetekben, különböző csillagászati egységekkel skálázva. 16 felbontási szintet tudnak eközben alkalmazni. Néhány évvel ezelőtt az amerikai időjárás-előrejelző szolgálat (NOAA) modellversenyt rendezett, amelyben az űr-időjárás modelleket független laboratóriumok értékelték. A megjelölt cél; az országos űr-időjárás szolgálat fizikai alapokon működő
modellt tudjon alkalmazni az előrejelző rendszerben. A NOAA és a NASA tudományos kutatói előírtak bizonyos paramétereket, amelyeket modellezni kellett. A modell-fejlesztőktől teljesen függetlenül kiértékelték a modelleket. Mindkét michigani modellt, a fizikai és az egyenletmegoldó megoldást is kétféle felállásban elemezték, s ezek kiválóan teljesítettek, versenytársaik gyengébben szerepeltek. Az eredmények alapján a NOAAA úgy döntött, a michigeni modellt állítja be űr-időjárás előrejelzési szolgálatába. A michigani modellel a szolgálatnál nem csak azt tudják megmondani, hogy holnap lesz egy űrvihar a Földön, hanem azt is, hogy Svédországban lesz ilyen holnap, ami nem érinti Amerikát. Regionális előrejelzést csinálnak, teljesen újszerű megoldásként.
Legújabb eredményük az un. MHZ ETI. A különböző módszerek között található a kinetikus, amely az összes kölcsönhatást részleteit egyedileg leírja, a másik, a folyadék-módszer egyszerűen átlagot képez, és sok nagyságrenddel gyorsabb számítógéppel működtetve. A kinetikus módszer viszont jobb fizikailag. Az egyetemen sikerült ezt a kettőt vegyíteni; a magnetoszféra legérdekesebb részén kinetikus módszert használnak, a többin
pedig folyadék módszert. Ily módon egy egyperces űr-időjárást kb. 18 ezer processzor órával tudnak szimulálni. (Mintha 18 ezer egyedi számítógép menne egy órát az egypercnyi szimuláció elvégzésére.) Modern szuperszámítógépeken ez már elfogadható. A michigeni módszer nélkül a világ legnagyobb számítógépei több százezer évig számolnának egyetlen percnyi űr-időjárást a kinetikus módszerrel.
Jelenleg a kutatók legnagyobb gondja, hogy még nem tudják előre jelezni, mikor fog kitörni a Nap, és mikor nem. Ebben a vonatkozásban a legújabb technológia, az un. deep learning segít. https://en.wikipedia.org/wiki/Deep_learning
Ez a mesterséges intelligencia egyik legújabb ága, amely megpróbálja a számítógépet emberi gondolkodásmódra szoktatni.
Remények szerint, 10 év múlva ezzel tudják jelezni a napkitöréseket. A téma kutatói számára már az is nagy eredményt jelentene, ha elérnék a földi időjárás-előrejelzés pontosságát. Az előadó köszönetét fejezte ki mentorainak; többek között Somogyi Antalnak (KFKI), Pavel E. Elyaszberg és Konstantin I. Gringauz szovjet űrkutatóknak, és Nagy Andrásnak.Az Euroastra kérdésére Gombosi professzor elmondta; a Nap felszínén mutatkozó újszerű jelenségek kutatásuk tematikáját nem befolyásolják, a michigani módszerek marsi viszonyokra való alkalmazása pedig már folyamatban van.
Gombosi Tamás 1947-ben született Budapesten. Egyetemi tanulmányait az ELTE-n (Eötvös Lóránd Tudományegyetem) folytatta 1965-1970 között, 1970-ben szerzett fizikus oklevelet. Az egyetemet követően a KFKI (Központi Fizikai Kutatóintézet, megszűnt) kozmikus sugárzást kutató osztályának munkatársa lett. Munkahelyén abban az időben már kutatások folytak a szovjet Interkozmosz műholdak megfigyelésével, G.T. is ehhez a témához csatlakozott, doktori értekezésének témájaként is ezt választotta, amivel doktori címét is megszerezte. Rövid időre Moszkvába került, ahol első külföldiként lehetett a Konstantin I. Gringauz által vezetett Űrkutatási Intézet (IKI) kutatója. Ebben az időben kezdett foglalkozni a Venyera űrholdak plazma-méréseinek kiértékelésével. Ez a két szonda a Vénusz körüli ionoszférát vizsgálta, a vonatkozó kutatási eredmények nagy jelentőséggel bírtak a Vénusz bolygó éjszakai ionoszférájának kutatásában. Ezen munkája alapján lett 1979-ben az űrtudományok kandidátusa.
1979-80. között az amerikai Ann Arborban, a Michigani Egyetemen a Vénusz körüli kutatásoknál témavezetőként dolgozott, az
amerikai Pioneer Venus program vezetőjének, Nagy Andrásnak a meghívására.
Magyarországra való visszatérése után a nemzetközi VEGA misszió tervezésében, megvalósításában játszott aktív szerepet.
Üstökös környezet-vizsgálata volt a téma, az elméleti munka mellett az űrbeli plazma-állapotot vizsgáló műszerek megtervezésében is közreműködött. Ebből a témából lett 1983-ban a fizikai tudományok doktora.
Következő michigani időszaka 1987-ben indult; egyetemi tanári, kiemelt űrprofesszori állást kapott az University of Michigan Légkör és Űrkutatási Tanszékén, ahol ma is tevékenykedik, betöltve többek között az Űrkörnyezet Kutató Intézet igazgatói tisztjét is.
2016-ban a Magyar Tudományos Akadémia külső tagjává választották.
Kiterjedt elméleti munkássága során a Nap-rendszer plazmáját vizsgálta, ehhez 3-D szimulációs programot szerkesztett.
A vizsgálatok célja; képesek legyünk megjósolni a hatások érvényesülését, a Nap-Föld rendszerben a kozmikus környezet változását, amelyek hatnak az űrbe telepített berendezésekre, s nem utolsó sorban a Földön az emberek környezetére, egészségére is hatást gyakorolnak.
G.T. több mint 300 cikk szerzője, kiemelkedő számú (több mint 16 ezer) hivatkozása van, két tankönyvet írt, 18 főnyi, PhD fokozatot szerzett diákja volt eddig. Csoportja több mint 40, különböző díjat kapott, a Nemzetközi Asztronautikai Akadémia levelező, majd rendes tagjává választotta, 2013-ban pedig az űridőjárás kutatásáért végzett tevékenysége, egy hatékony modellező-előrejelző eszköz kidolgozása révén kapott amerikai elismerést.
A magyarországi fizikusokkal való kapcsolata külföldre való távozása után is töretlen, több mint 40 cikk írásában működött közre,
így az elmúlt évi közgyűlésen az Akadémia külső tagjává választotta Gombosi Tamást.
Érdeklődési területének kiemelt része az űr-időjárási szimuláció, erről szólt székfoglalójában is.
https://hu.wikipedia.org/wiki/Gombosi_Tamás
http://www-personal.umich.edu/~tamas
http://clasp.engin.umich.edu/people/tamas/FACULTY
https://rosetta.jpl.nasa.gov/gallery/multimedia/meet-scientists/tamas-gombosi
http://mta.hu/koztestuleti_tagok?PersonId=10048606&nomination=1
A témához kapcsolódó hírek:
Harmat Lajos
