Napaktivitás Megfigyelő Hálózat (SAMNET)

Kontakt: Prof. Erdélyi Róbert (SP2RC, Sheffieldi Egyetem)

Email: robertus[at]sheffield.ac.uk

 



Háttér

A napaktivitás és a Föld felső atmoszférájának kapcsolata számos komplex fizikai folyamaton keresztül zajlik, melyet közösen űridőjárásnak nevezünk. Központi csillagunk, a Nap, ezekben a folyamatokban kiemelkedő szerepet tölt be, hiszen a Nap légköre, a felszínén látható fotoszférától kezdődően egészen a Föld környezetéig kiterjed. A mindennapokban használt technológiák fokozottan ki vannak téve a Napunk felől érkező nagy sebességgel folyamatosan érkező részecske-áramnak, amely Napszél vagy Napkitörések formájában ölt formát. A fenti kép különböző, az űridőjárás témakörét tárgyaló cikkekből szemléltet néhányat. Például, a 2015 november 4.-én bekövetkezett kedvezőtlen űridőjárási körülményeket tárgyaló cikk, azt részletezi, hogy milyen súlyos zavarok keletkeztek a földi polgári repülést irányító rendszerben. A bal alsó kép-beillesztés egy napkitörés pillanatát szemlélteti, míg a jobb alsó kép a kitöréshez tartozó napfelszíní mágneses teret illusztrálja, melyet úgy isismerunk mint napfolt csoportok.

Az űridőjárás fogalmának születése, az úgynevezett Carrington-esemény bekövetkezésének köszönhető.

1859 szeptember 1.-én Carrington és R. Hodgson egy jelentős optikai kifénylésre figyeltek fel (fehér-fényű napkitörés) a napfelszín rutin észlelése közben. Közel 18 órával később Carrington egy addig nem észlelt mértékű geomágneses vihart regisztrált. A Föld alacsony szélességi körén (kb. a 20. szélességi kör körül, Mexikó és Kuba magasságában) egy addig nem látott eseményre figyeltek fel a lakók: sarki fény borította az éjjeli mexikói és kubai eget. A telegráf rendszerek hosszú vezetékein elektromos áramkisülések történtek, amelyek sajnálatos módon emberi életeket is követeltek.

Ha egy ilyen esemény ma következik be, sokkal nagyobb problémákkal kellene szembenéznünk. Az esemény ugyanis súlyos zavarokat okozna a földi és műholdas telekommunikációs rendszerekben és magasfeszültségű elektromos hálózatokban, amely kihatna például banki tranzakciós folyamatokra, repülőgép-irányításra és még további számos szolgáltatói alapiparágat bénítana meg. Ezek a katasztrofális következmények akár évekkel vetnék vissza civilizációnk műszaki fejlődését. A fenti baloldali képen egy a következményeket szemléltető vizualizáció látható, mindazokkal az elemekkel, amelyek kiemelten sérülékenyek és veszélyeztetettek az űridőjárás viszontagságainak köszönhetően.

Manapság a plazma-asztrofizika egyik alapkérdése az űridőjárás folyamatainak és okainak részletes megértése. A SAMNET (Solar Activity Magnetic Monitor Network - azaz Mágneses Napaktivitás Megfigyelő Hálózat) projekt legfőbb célja létrehozni egy megbízható űridőjárás-figyelő hálózatot, amely pontosan és hatékonyan előrejelezne minden rendkívüli napkitörés vagy korona-anyag kidobódás bekövetkeztét.

Ma már nem kérdés az, hogy egy ilyen Carrington-eseményhez hasonló kitörés be fog-e következni. Az igazi kérdés az, hogy mikor?A modern technologia-alapú tarsadalmaknak és gazdaságoknak fel kell készülnie egy ilyen potenciális vészhelyzet kezelésére. A legnagyobb tudományos és kutatási intézmények és projektek, mint például a NASA, NSF vagy a EU Horizon 2020, mind célul tűzték ki egy megbízható űridőjárás-előrejelző rendszer kiépítését, amely megjósolhatóvá tenné a kedvezőtlen űrbéli viszonyok létrejöttét, ezzel is segítve a jövőbeli űrutazásokat. A legnagyobb különbség a mai világ és Carrington, közel 160 évvel ezelötti világa között a technológiai fejlettség, pontosabban a technológiai fejlettségnek való társadalmi és gazdasági kiszolgáltatottság. Egész logisztikai iparágak épülnek a mára természetessé vált GPS-alapú technológiákra, amely pillanatok alatt teljesen leállna a katasztrófálisan kedvezőtlen űridőjárási viszonyok miatt. Még példaul 1989-ben csupán 15 telekommunikációs műhold keringett a Föld körül, addig napjainkban már több mint 500 műholdra tehető ez a szám. Mobiltelefonok, számítógépek, a banki szektor, repülőgép kommunikáció, internet, védelmi rendszerek, stb. közel pillanatnyi idő alatt bekövetkező leállása is milliárdos károkat okozna a gazdaságban, ezért ezeknek az iparágaknak a védelme alapvetően szükséges és sokszorosan megtérülő az űridőjárási rizikófaktorok csökkentésének irányába történő befektetések.



Társadalmi Hatások

A Nap, mint az űridőjárás alapköve és forrása, jelentős társadalmi és gazdasági hatással van mindennapi életünkre. Szolgáltatások és iparágak közvetlenül (elektromos vezetékek kisülése, űreszközök sérülése, műhold működésében észlelhető zavarok) és közvetetten (navigációs rendszerek irreguláris működése, olaj és gázcsövek sérülése) függnek az űridőjárástól.

A fenti kép egy nagyteljesítmányű elektromos transzformátor állomás leégését mutatja, amely Quebec, Kanada térségében okozott súlyos zavarokat. A tönkrement transzformátor órákig áram nélkül hagyta a közelben élő lakosokat, gyárakat és szolgáltatásokat, jelentős gazdasági károkat okozva ezzel. Egy nemrégiben történt példával élve, 2017 áprilisában egy nagyobb napkitörés számos elektromos rendszert rongált meg szerte az Egyesült Államok területén belül. San Francisco, New York, és Los Angeles, mind az alap-szolgáltatások hirtelen leállásától szenvedett órákig. A váratlan kedvezőtlen űridőjárás még a tömegközlekedést is megbénította, kritikus helyzetet kialakítva ezekben a városokban. Később, 2017 szeptemberében, a továbbra is rossz űridőjárási körülmények újabb zavarokat okoztak a rövidhullámon működő rádiós kommunikációs rendszerben, megakadályozva például az akkor éppen a Karib-térségben tomboló hurrikánról szóló figyelmeztetéseket.

A Lloyd’s Biztosító által kiadott 2013-as jelentés 2.6 trillió dolláros lehetséges kárról számol be, amely az űridőjárás viszontagságaira vezethető vissza (ez az összeg egy nagyságrenddel nagyobb mint az akkoriban tomboló hurrikánok és földrengések pusztításainak összessége). Az ily módon kieső bevétel következtében, a gazdaságnak 4 és 10 év közötti időszakra van szüksége a teljes felépülésre. Eastwood et al. [2017] tanulmánya figyelembe vette a globális kereskedő hálózatokban történt negatív hatásokat is, amely további 2.7 trillió dollár okozható anyagi kárt becsült. Kataoka [2013] tanulmánya 4-6 százalákos valószínűséget rendelt ahhoz, hogy egy ilyen katasztrofális esemény be fog következni a következő évtizedben. Ezzel szemben Riley [2012] ugyanerre a kérdésre körülbelül 12 százalékos előfordulási valószínűséget jósolt. Sajnálatos módon, azonban, nem szükséges egy Carrington-nagyságú eseménynek bekövetkezni ahhoz, hogy a gazdaság jelentős károkat szenvedjen. Az űridőjárás változékonysága évente 10 milliárd euró gazdasági kárt okoz (National Research Council report, 2008; Schrijver et al. 2014). Az potenciális károk nagysága állami szinten már több vezető nyugti országban elismert, például az Egyesült Királyság Kormányának Nemzeti Kockázati Nyilvántartását összefoglaló dokumentuma (továbbá US Dept. of Homeland Security’s National Space Weather Strategy Plan) az űridőjárást az egyik legmagasabb szintű és legveszélyesebb kockázatnak tartja számon, amely évtizedekig érezhető hatásokat produkálhat.



Mi lehetne a végső megoldás az űridőjárás hatékony előrejelzésére?

Az általunk javasolt Mágneses Napaktivitás Megfigyelő Hálózat (SAMNet) a legmodernebb Magneto-Optikai Szűrőt (MOF) alkalmazza (lásd a MOF sematikus ábráját a bal oldalon), amely segítségével olyan kockázatok csökkenthetőek, amelyek a űridőjárás kedvezőtlen alakulásának köszönhetőek. Egy olyan földi észleléseket végző hálózat kialakítását javasoljuk, amely folyamatosan, a nap 24 órájában precízen és hatékonyan megfigyeli és feldolgozza a Nap mágneses terének változásait. A hálózat az észleléseket a Központba küldené, amelynek szerepét a Gyulai Bay Zoltán Napfizikai Obszervatórium (GNO) látja el. Az obszervatóriumot SAMNet konzorcium keretében a Magyar Napfizika Alapítvány működteti (http://hspf.eu). A folyamatosan beérkező adatmennyiséget valós időben tervezzünk kiértékelni. A feldolgozott adatok alapján az aktuális űridőjárási körülményeknek megfelelően veszély-jelzéseket publikálnánk órás felbontásban mely információt megosztunk a nemzeti és nemzetközi meteorológiai és katasztrofa-védelmi szolgálatokkal igény szerint.

Magyar, olasz és angol cégek és vállalkozások (például, Astrotech Instruments Kft, Andor, Dal Sasso slr és PES Ltd) fogják kivenni részüket a teljes hálózat megalkotásában. A elsődleges központi megfigyelőállomás mellett (GNO), több mint 12 állomás létrehozását tervezzük a Földet körülölelő időzónákban. Továbbá, az ipari partnereink segítségével megvizsgáljuk egy Európai (ideálisan Olaszország/Egyesült Királyság) működésű MOF cellák gyártására szakosodott céliparág létrehozásának lehetőségét. Az általunk javasolt társadalmi-gazdasági áttörés íigy majd megalkotja az alapjait egy űridőjárás előrejelző rendszernek, amelynek segítségével jelentősen csökkenthető a kedvezőtlen űridőjárás által okozott károk bekövetkezte.







Miért mi, a Gyulai Bay Zoltán Napfizikai Obszervatórium (GSO)?

Hasonló űridőjárást előrejelző rendszerek létesítésének ötlete nem egyedülálló. Létező rendszerek online elérhetőek, például a https://www.swpc.noaa.gov/ vagy http://www.spaceweather.gc.ca/index-en.php weboldalak által. Ennek ellenére egyik létező rendszer sem tud megbízható jóslásokat biztosítani akár napokkal az adott esemény előtt. Ez egy igen súlyos hátrány! Az érdekelt nagyobb cégeknek vagy szervezeteknek (például Pentagon, Airbus, UK Maritime, külömböző biztosítási szektorok, stb.) legalább 2 nappal (optimális esetben akár 5 nappal) az esemény bekövetkezte előtti előrejelzésre van szükségük. Viszont az 5 napos értesítési időt, legjobb tudásunk szerint, csak és kizárólag egy olyan műhold-rendszer létesítése tudná előteremteni, amelynek létrehozása becslések szerint kb. 500 millió euróba kerülne. Továbbá, a járulékos költsége (pld. üzemeltetés) ennek az infrastruktúrának nem lenne elhanyagolható még abban az esetben sem ha a rendszer már teljesen kiépített. Továbbá, a műholdak fokozottan ki vannak téve számos potenciális veszélynek. Például, egy jelentősebb napkitörés vagy bolygókörőli törmelékkel való ütközés által károsított műhold javítása vagy leváltása további óriási összegeket és időt emésztene fel.

A jelenleg használt műholdak ugyan alkalmasak értékes napfizikai adatok biztosítására, amelyek jelenleg is hasznos adalékai az űridőjárás monitorozásának. Viszont, a napjainkban használt szatelitek nem alkalmasak valós idejű előrejelző szolgáltatásokat nyújtani az űridőjárás témakörében, leginkább a rövidre tervezett működési időnek köszönhetően ami tipikusan csak pár év egy műhold esetében. Fontos továbbá hangsúlyozni, hogy a kommunikációs telemetriai rendszerek limitált sebessége is problémákat jelent a műholdak által észlelt adatok földi továbbítására, amelynek áthidalására sajnos jelenleg még nincs kielégítő megoldás.

Másrészről, azonban, egy kiépített földi hálózat, például napfizikai észleléseket végző obszervatóriumok összessége, képes folyamatos látóirányú mágneses-tér észleléseket produkálni akár egyperces időbeli felbontással. Egy ilyen halózat, ahol a tagokállomások a Föld minden jelentősebb időzónájában szét vannak szórva, nem szenvedne telemetriai problémák miatt, nem kellene költséges javításokat és karbantartási munkálatokat finanszírozni. A teljes hálózati kiépítés és a működéshez szükséges járulékos költségek csupán egy töredék összeget emésztene fel a szatellita rendszer költségeihez viszonyítva.



Miért a GSO modellünk?

Számos remek tudományos megközelítés létezik, amely céljául tűzi ki a napkitörések és koronaanyag kidobódás bekövetkeztét megjósolni, viszont egyik sem képes a közeljövőre vonatkozóan megbízható előrejelzéseket tenni. A módszerek többségek a mágneses tér mérésének számos aspektusán alapul és képesek 6-10 órával az esemény bekövetkezte előtt jóslásokat tenni többnyire közepes megbízhatósági rátával.

Az általunk javasolt modell, viszont, olyan újdonságot képvisel amit az eddig bejáratott megközelítések nem tudnak nyújtani:

  • Az általunk használt mágneses tér észlelések nem csak a nap felszínéről (fotoszféra) adnak információt. A bemutatott MOF-alapú technológia képes a látóirány mágneses tér észlelésére az alsó naplégkör különböző magasságaiban is.
  • Alkalmazni fogunk magas időbeli felbontású látóirányú mágneses tér észleléseket, a fotoszférától egészen az u.n. alsó kromoszféráig, ami körülbelül 2-3000 kilométerrel a napfelszín felett található.

Ez egy forradalmi előrelépés, hiszen az adatfolyam lehetővé teszi az előrejelzési idő kitolását legalább egy napra, amely a következő tudományos cikkekben van hitelesen alátámasztva: Korsós et al. 2015, 2016, 2018a,b,c. Az általunk alkalmazott technikák akár 48 órás előrejelzési idő elérésére is alkalmasak, aminek jelentős piaci értéke lehet, mivel számos üridőjárásüelőrejelzésben érintett iparágnak, cégnek és intézménynek (például GPS és banki szektor) erre az időkeretre van szüksége. A koncepció részletei a következő tudományos szekcióban vannak röviden kifejtve.



A projekt vázlata

A SAMNet egy nemzetközi napfizikai megfigyelőállomásokból álló hálózat, amelyet a központi anya-állomáson talaható SAMM (Solar Activity Magnetic Monitor) modulra alapulva tervezünk létrehozni. A bal oldali kép egy SAMM modul műszert mutat be, amely egy valódi teleszkóp design. A teleszkóp két, 23 centiméter apertúrájú optikával rendelkező műszer. Mind a két optika egy MOF szenzort alkalmazva észleli a látóirányú mágneses teret a naplégkör különböző magasságaiban, ezáltal egy meglehetősen precíz valós idejű információt képes nyújtani a Nap légkörében lévő mágneses tér aktuális struktúrájáról, elsődlegesen fókuszálva azokra a régiókra amelyek a napkitörésekért tehetők felelőssé.

Az előrejelző módszerünket WG_M módszernek nevezzik a tudományos szakirodalomban, amely a SAMNet által nyújtott adatokon alapulva alkalmas lesz eddig nem látott napkitörés előrejelzést nyújtani kítűnő pontosággal napokkal az esemény bekövetkezte előtt.

Az egyes megfigyelő-állomásokat a Föld számos pontjára tervezünk telepíteni (lásd az alábbi térképet, ahol a kék csillagok jelölik a lehetséges pozícióját az adott állomásoknak). Ez a térbeli elrendezés további előnyöket jelent az előrejelezhetőségi idő növelésében, attól függően, hogy mennyi az időbeli eltérés két adott távoli állomás között. Például, Európa esetében az előrejelezhetőségi idő 18 órával nő ha valós idejű kolumbiai vagy hawai-i adatok feldolgozását vesszük. Ez egy teljesen új és forradalmi koncepció!

A nemzetközi konzorcium jelenleg 22 akadémiai és ipari partnert foglal magában, amely azért alakult, hogy kifejlesszen

  1. egy teljesen automata robot napfizika távcsövet MOF szenzorokkal felszerelve, továbbá,
  2. napkitörés és koronaanyag kidobódás előrejelző rendszert segítő adatfeldolgozó eljárásokkal is támogatva van. Minden SAMM megfigyelőállomás tartalmazni fog négy 23 centiméter apertúrájú optikai eszközt MOF szenzorokkal, amelyek alkalmasak lesznek a látó irányú mágneses tér észlelésére, továbbá a sebesség terek észlelésére négy kiválasztott magasságban a naplégkörben.

Az állomások pozíciói egy jelentős hosszúsági tartományt fognak felölelni, amelyek megbízható és valós idejű vészjelzés kibocsátására lesznek alkalmasak. A SAMNet a napkitörés és korona anyag kidobódás előrejelezhetőségének idejét napi skálára fogja kitolni, amelyre az ipari szektorban részvevő számos szereplő igényt tart.



Tudományos esettanulmány

Az űridőjárás lényegi aspektusai hirtelen, energetikus napkitöréseken és koronaanyag kidobódáson alapul, amelyek a legnagyobb energiűlú kitörések az egész Naprendszerben. A napkitörést és koronaanyag kidobódások előrejelzése jelentős kihívást jelent, de szükségessége elvitathatatlan, hiszen ezáltal a kedvezőtlen és napi életünkre nagy kockázatot jelentő potenciálisan pusztító hatások csökkenthetőek.

Napkitörésüelőrejelző eszközök, amelyek a Konzorcium tagjai által lettek fejlesztve (lásd szemléltetésként a bal oldali ábrát, ami egy 3üdimenziós naplégköri mágneses tér szerkezetet vizualizál), bemutatták, hogy a különböző naplégköri magasságokban vett mágneses tér információi képesek lényegesen növelni az előrejelezhetőségi időt. Az eredmények valódi észleléseken és nagy kapacitású számítógép szimulációkon alapulnak (lásd az alsó ábrát, ahol egy napfelszíní energiakitörés szimulálása van bemutatva).

Ebből adódóan, egy olyan szolgáltatásra van szükség ami az u.n. szoláris aktív régiók mágneses terének változásait folyamatosan észlelni tudja különböző Nap-atmoszférikus magasságokban. Ipari és akadémiai partnereink segítségével egy SAMM robot távcső modul már megépült, fedélzetén 2 MOF szenzorral, amelyek a K I and Na I D vonalakon észlelnek. Azonban, ha tovább kívánjuk fejleszteni a előrejelzési képességeinket, szükségünk van látóirányú mágneses tér észlelésekre még legalább két másik kromoszferikus magasságból. Javaslatunk szerint, két további MOF szenzorra van még szükség amelyek például a Ca I és He I vonalak mentén biztosítanának észleléseket, nagyban elősegítve ezzel a napkitörések és koronaanyag kibocsátások bekövetkeztének előrejelezhetőségét.

A tudományos áttörések magában fogják foglalni, hogy:

  1. részleteiben megérthetjük a dinamikáját és energetikai tulajdonságait az alsó Nap-atmoszféra kapcsolódásának a felette lévő atmoszférikus rétegekkel,
  2. nagyban fejleszthetjük a napkitörések és koronaanyag kidobódások előrejelezhetőségének idejét és megbízhatóságát,
  3. megérthetjük a napkitörések dinamikáját az észlelt mágneses mérések, szinoptikus észlelések és szimulációk együttes alkalmazásával.

A technológiai áttörést az MOF szenzorok alkalmazása hozza el, egy Földünket körülölelő hálózat formályában ami könnyen felállítható, távolról vezérelhető obszervatóriumok észlelései által képes lesz 3-dimenziós tomográfiai mágneses térképet alkotni a Nap mágneses légköréről.







Élvonalbeli kiválóság és potenciális résztvevők

Olasz kezdeti támogatásokkal (1 millió euró), magyar és angol (STFC-n keresztül, Sheffieldi Egyetem, Queens Egyetem Belfast) támasszal, az első dupla csatornás SAMM modul műszer elkészült (bal oldali kép).

A távcső egy teljesen automatikus műszer, amelynek a Gyula Bay Zoltán Napfizika Obszervatórium (GNO) ad otthont, köszönhetően a Gyulai Önkormányzat folyamatos hosszútávú támogatásának. Egy teljesen automatikus robot dóm védi a műszert, amely mostantól a SAMNet hálózat központi alapját képezi, amely fel van szerelve a megfelelő adatfeldolgozó háttérrel is (64 Tb háttértár biztosított).

A SAMNet hálózat kezdeti formában megalakult és jelenleg is folyamatosan növekszik, bevonva jelentős nemzetközi szakértelmet (például Met Office, UCL/MSSL - University College London/Mullard Space Science Laboratory- az Egyesült Királyságból; partnerek akik kifejezték erős támogatásukat és jelezték részvételi szándékukat: Ausztria, Kína, Kolumbia, Horvátország, Grúzia, Magyarország, India, Olaszország, Oroszország, Szlovákia és az Egyesült Államok). A végső cél, hogy a SAMNet rendszer az összes időzónán átíveljen magyar/angol tudományos irányítással és magyar működéssel.



Beruházás Mértéke

A SAMNet project egy kis/közepes méretű beruházás költségeit fogja felemészteni. A beruházást akadémai partnerek (például tudományos tanácsok, H2020) és ipari részvevők (például közel-keleti befektetők, banki szektor, angol telekommunikációs szektor, stb.) is állhatják.

A teljes, négy-csatornás távcső prototípus megépítése körülbelül 1.5 millió fontot emésztene fel és a járulékos költségek 10 éves periódusra körülbelül további 1-2 millió fontba kerülnének, amely magában foglalja a MOF szenzorok folyamatos fejlesztését is.

Természetesen várható, és elvárható, hogy számos űridőjárás-előrejelzésben érdekel ipari és gazdasági szektor hozzájárul a MOF detektorra épülő teljes SAMM modul kiépítéséhez. A működési fázisban az űridőjárás-előrejelző adatokhoz való hozzáférési privilégium a befektetett forrásokkal arányban áll majd rendelkezésre a gazdasági és ipari szereplők részére.

Várható, hogy minden SAMNet állomás egymástól függetlenül jut pénzügyi forrásokhoz, amelyből finanszírozhatják a SAMM modul távcsövek országonkénti megépítését és kezelési költségeit is.

Átlagban, körülbelül 0.2-0.5 millió fontra becsült a a kiépítési fázis együegy SAMNet állomás esetében, amely természetesen függ a további helyi logisztikai megállapodásoktól.



Magyar Napfizikai Alapítvány

Hungarian Solar Physics Fundation

Last update: 2019 July © Copyright HSPF 2017