Budoucnost výzkumu sluneční soustavy kosmickými sondami VIII – zaostřeno na Zemi

Pod zkratkou RBSP se skrývá mise dvou identických sond Radiation Belt Storm Probes, které hodlá vypustit organizace NASA ve spolupráci s The Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (JHUAPL).

Obr. 1: Van Allenovy radiační pásy [2]

Obr. 2: Schéma sond RBSP [7]

Jak napovídá již název, půjde o výzkum Van Allenových radiačních pásů, které byly objeveny Jamesem Van Allenem pomocí dat získaných první americkou umělou družicí Explorer 1 [1]. Než přejdeme k samotným sondám a jejich úkolům, podívejme se, co to radiační pásy jsou a proč by nás měly zajímat.

Budiž řečeno, že radiační pásy existují dva: vnitřní a vnější. Vnitřní pás se nachází ve výšce 1,1- 3,3 zemských poloměrů (RZ) a vzniká jako vedlejší efekt kosmického záření, které je tvořeno především kladně nabitými ionty o energiích nad 100 MeV a z částic slunečního větru (viz dále). Tyto částice jsou zachyceny zemským magnetickým polem. V tomto poli mohou vykonávat několik druhů pohybu [2]:

1. částice obíhá siločáru řádově v mikro- nebo mili- sekundách
2. částice klouže podél siločár po spirále, pohyb je brzděn až se zastaví v bodě zvaném magnetické zrcadlo a začne se pohybovat zpět nahoru
3. částice se pohybují kolmo k rovině magnetického poledníku, přičemž protony se pohybují k západu, elektrony k východu (vzniká tak tzv. prstencový proud)

Dále se předpokládá, že protony o energiích nad 50 MeV vznikají beta rozpadem neutronů a zdrojem protonů o nižších energiích je pravděpodobně difuse protonů závisející na změnách v magnetickém poli během geomagnetických bouří (viz dále) [3,4].

Vnější pásy, u nichž není jasné, zda byly objeveny americkou družicí Explorer 4 nebo sovětskou sondou Sputnik 2/3, jsou tvořeny především elektrony (o energii 0,1 – 10 MeV) a plazma (tvořené především protony, alfa částicemi a ionty O+) zachycené zemskou magnetosférou. Vnější pás je rozsáhlejší (nachází se ve výšce 3 – 10 RZ, nejvyšší intenzita 4 – 5 RZ) a fluktuace populace částic je zde větší. Radiace zde může silně vzrůst v důsledku geomagnetických bouří (jde o dočasné porušení zemské magnetosféry způsobené koronálními výtrysky hmoty ze Slunce (CME – coronal mass ejection), slunečními erupcemi atd., samotná bouře je způsobena rázovou vlnou slunečního větru (proud nabitých částic), která dosáhne zemské magnetosféry 24 až 36 hodin po události na Slunci [5]) [3].

Zajímavostí je, že během geomagnetických bouří mohou dočasně vznikat další radiační pásy. Vysokoenergetické protony ze Slunce totiž mohou „naočkovat“ jejich vznik. Jak je tedy vidět, ačkoliv jednu dobu se vědci domnívali, že procesy probíhající v pásech jsou poměrně dobře známy, data posbíraná během posledních deseti let dala povstat mnoha zcela základním otázkám ohledně fyzikálních procesů, které v pásech probíhají.

Geomagnetické bouře mohou „nabít“ radiační pásy, což zvyšuje intenzitu vysokoenergetických elektronů, které mohou poškodit elektroniku satelitů (velký počet komunikačních družic totiž obíhá v blízkosti radiačních pásů a jsou tak vystaveny množství vysokoenergetických částic) a také způsobovat zdravotní problémy astronautů jak na Mezinárodní kosmické stanici, tak i při případných letech na Měsíc, kdy kosmická loď musí pásy projít. Pochopení radiačních pásů a jejich proměnlivosti je tedy velmi důležité pro provozování družic, jejich návrh, plánování pilotovaných misí a v neposlední řadě také pro bezpečnost astronautů.

Dvojice sond Radiation Belt Storm Probes je součástí programu NASA „Living with the star“ [6], který je zaměřen na výzkum základních procesů probíhajících v celé sluneční soustavě se zaměřením na ty jevy, které mohou způsobovat nebezpečné projevy „vesmírného počasí“ v okolí Země a ztěžovat výzkum. Tolik tedy oficiální definice. Podívejme se, jaké tedy jsou konkrétní cíle této mise a jakými přístroji budou „dvojčata“ vybavena.

Hlavními třemi cíli tedy jsou:

• prozkoumat, které procesy (ať už jednotlivě nebo v kombinaci) urychlují a přenášejí elektrony a ionty z radiačních pásů a za jakých podmínek
• kvantifikovat únik elektronů a určit bilanci mezi konkurujícími si vlivy (urychlování, únik..)
• pochopit, jak se radiační pásy mění během geomagnetických bouří

Ke splnění těchto cílů je zapotřebí sledovat radiační pásy a jejich okolí v širokém rozměrovém i časovém rozsahu, což je důvod, proč jsou sondy dvě a proč jsou identické.

Vzhledem k tomu, že sondy budou po celou dobu své životnosti fungovat uvnitř radiačních pásů a vzhledem k jejich určení je nelze, na rozdíl od ostatních sond, během geomagnetických bouří převést do tzv. bezpečného módu (kdy je podstatná část přístrojů vypnuta, aby nedošlo k jejich poškození). Proto musí inženýři a konstruktéři sondu i její zařízení navrhnout velmi odolné tj. musí tyto tvrdé podmínky snášet bez poškození.

Jak již bylo zmíněno výše, sondy jsou identické a ponesou stejné přístrojové vybavení:

• Energetic Particle, Composition, and Thermal Plasma Suite (ECT) – balíček tří přístrojů, jejichž účelem je přímé měření radiace v okolí Země. Tato měření mají vést k lepšímu pochopení fyzikálních pochodů, které řídí distribuci, urychlování a proměnlivost v rozložení elektronů a iontů
• Electric and Magnetic Field Instrument Suite and Integrated Science (EMFISIS) – zaměří se na studium role, kterou hrají magnetické pole a rázové vlny na proces urychlování a ztráty elektronů a iontů z pásů
• Electric Field and Waves Suite (EFW) – bude studovat elektrické pole v blízkém okolí Země, které „nabíjí“ částice a mění strukturu vnitřní magnetosféry
• Radiation Belt Storm Probes Ion Composition Experiment (RBSPICE) – má určit, jak vesmírné počasí přispívá k tvorbě prstencového proudu
• Relativistic Proton Spectrometer (RPS) – bude měřit energii a její spektrum u protonů s energií 50 MeV-2 GeV ve vnitřním radiačním pásu. V současnosti je intenzita protonů s energií vyšší než 150 MeV nedostatečně prozkoumána a předpokládá se, že v současných modelech je podceněna. Právě tyto protony však představují značné riziko pro astronauty i automatické družice as sondy. Tomuto projektu tak byla udělena vysoká priorita od vědců a techniků. Konečným cílem má být vyvinutí standardního modelu pásů, který má pomoci při navrhování vesmírných lodí a sond. Zájemce o hlubší studium výbavy sondy odkazuji na [7].

Na konec zmiňuji, že start sond je naplánován na rok 2011 a počítá se s hlavní misí v trvání dvou let.