Til hovedsiden
    

   
    Bli medlem
    Siste nytt
    Artikler
    Bildeserier
    Temasider
    Bildearkiv
    Foredrag
    Effekter til salgs
    Lenker
    Spørsmål og svar
    Spør oss
    Prosjektoppgave
    Om oss
    NAF på Facebook
    Kontakt oss
    Nettstedskart
    Hovedsiden
Trykk for å lese mer om sitatet
 

Romfysikk ved FFI

Av Tom A. Blix og Knut R. Svenes

 

Artikkel publisert i Nytt om Romfart, 24. årgang, nummer 89, januar-mars 1994, sidene 24-26 av Norsk Astronautisk Forening/www.romfart.no.

Skriv ut

Tips bekjent

 

Ved Forsvarets Forskningsinstitutt (FFI) har forskere i mange år vært engasjert i ulike prosjekter innen romfysikk. Dette dreier seg om utforskning av Jordens atmosfære og lavere ionosfære ved hjelp av instrumenterte raketter hovedsakelig skutt opp fra Andøya Rakettskytefelt i Nordland, samt studier av Jordens magnetosfære (Cluster) og øvre ionosfære ved hjelp av satellitter såvel som instrumenterte raketter.

I de senere år har instituttet også engasjert seg i satellittprosjekter rettet mot studier av andre planeters magnetosfære (Cassini). Det nyeste er at forskere ved FFI har tatt initiativ til å utrede mulighetene for en norsk småsatellitt (NISSE) for å studere plasmafenomen i den øvre ionosfære (rundt 1000 km høyde).

Tirsdag 28. september 1993 var medlemmer av Norsk Astronautisk Forening invitert til FFI der forskere ved instituttet informerte om de ulike prosjektene FFI er engasjert i, planer for fremtiden, samt resultater av den forskning som drives. Vi skal i denne artikkelen gi et lite resymé av foredragene.

Innledning

Romforskning kan for FFIs vedkommende stort sett deles inn i to undergrupper:

  1. Studier av Jordens midlere atmosfære (10-100 km) og
  2. studier av plasmafysiske fenomen i ionosfæren over 100 km og i Jordens magnetosfære.

Noe skarpt skille mellom de to finnes ikke, da de tildels griper inn i hverandre.

FFI har i flere år konsentrert seg om å utforske dette mediet spesielt med tanke på forholdene ved høye bredder. Tradisjonelt sprang denne forskningen ut fra ønsker og krav om bedre å forstå radiobølgeforplantning (spesielt HF) på våre breddegrader. Dette arbeidet ledet til et behov for å forstå de fysiske forholdene i ionosfæren. Etter hvert ble det også oppdaget at det er en nær forbindelse (kobling) mellom det plasma som finnes i ionosfæren og den nøytrale luften, spesielt i området under 100 km. De siste 15 årene har derfor FFI vært sterkt engasjert i prosjekter direkte rettet mot utforskning av den midlere atmosfære i tillegg til sine ionosfærestudier.

Ionosfære og magnetosfærestudier

Studier av plasmaprosesser i det nære verdensrom har pågått siden Sputnik-ferden i 1957. Disse prosessene blir stort sett dominert av plasmautstrømning fra soloverflaten (solvinden). Nær planetene blir imidlertid denne strømmen hindret av planetene selv og deres magnetiske felt. I disse grenseområdene skjer det en utstrakt vekselvirkning mellom solvinden og planetenes magnetosfærer; det vil si de områder som blir dominert av planetens eget magnetfelt. Forholdene i magnetosfæren er som regel dominert av plasma dannet fra planetens egen atmosfære (ionisert av solstrålingen).

Overgangen mellom solvinden og magnetosfæren kalles magnetopausen. I Jordens tilfelle strekker denne seg snaut 100 000 km ut på dagsiden og noe lenger unna på nattsiden. Energioverføringen fra solvinden gir opphav til en rekke forskjellige prosesser i magnetosfæren. Den mest spektakulere av disse er uten tvil nordlyset, som blir dannet av strømmer som under visse forhold blir ledet ned mot den nøytrale atmosfæren ved høye breddegrader.

FFI har lenge drevet utforskning av nordlysfenomener ved hjelp av raketteksperimenter. Dette har dreid seg både om studier av naturlig forekommende nordlys og generering av kunstig nordlys ved hjelp av elektronakseleratorer fløyet på raketter fra Andøya Rakettskytefelt i Nordland. En slik elektronakselerator ble også inkorporert som en del av Spacelab 1 og fløyet med romfergen Columbia i 1983. Dette illustrerer også det sterke internasjonale aspektet ved FFIs forskning.

Hovedhensikten med slike studier er å studere hvordan en stråle av elektrisk ladete partikler vekselvirker kollektivt med et bakgrunnsplasma. Dette kan fortelle oss noe om hvordan ladete partikler blir akselerert i naturlige plasma (for eksempel de elektronene som til slutt danner nordlyset). Målinger av elektrisk ladete partikler (ioner og elektroner) og elektromagnetiske felt (på frekvenser fra 0 til 10 MHz) har gitt oss et godt oversiktsbilde av plasmaprosessene i vårt solsystem.

De plasmaeksperimentene vi har utført, har også gitt FFI betydelig erfaring med å håndtere høyspenningssystemer i rommet. Dette har medført at instituttet har blitt tildels sterkt engasjert i internasjonale satellittprosjekter rettet mot studier av Jordens magnetosfære, og FFI har blitt invitert til å lage såkalte ione-emittere til både den japansk-amerikanske Geotail-satellitten og ESAs fire Cluster-satellitter. Denne emitter skal brukes til å nøytralisere satellittene (solbelyste satellitter blir positivt oppladet på grunn av den fotoelektriske effekten) slik at målinger av ioner og elektriske felt lettes i betydelig grad. Instrumentet har allerede vist seg å fungere etter forventningene på Geotail-satellitten.

Cluster-satellittene er et av hjørnesteinsprosjektene i ESAs vitenskapsprogram. Disse fire satellittene skal i løpet av sin vel to år lange operasjonstid gå i baner slik at de danner bestemte formasjoner på forskjellige steder i magnetosfæren. Hensikten er å studere de forskjellige plasmaprosessene i mye større detalj enn det som tidligere har vært tilfelle.

Slike detaljerte studier er en forutsetning for å kunne videreutvikle den teoretiske forståelsen av romplasma. Her deltar FFI sammen med engelske og amerikanske grupper med et elektronspektrometer (måler på energier fra mindre enn 10 eV til nesten 30 keV).

Et elektronspektrometer av samme type som det som skal flys på Cluster-satellittene, er også valgt ut som en del av den plasmadiagnostiske pakken på NASAs Cassini. Dette romfartøyet skal settes i bane rundt Saturn, hvor det skal gjøre omfattende studier av både planeten selv og dens system av ringer og måner. En del av disse studiene omfatter også planetens magnetosfære. Denne har en god del likhetspunkter med Jordens magnetosfære, men også betydelige forskjeller idet både ringsystemet og de fleste månene befinner seg inne i magnetosfæren (Jordens måne er stort sett på utsiden). Dette gir FFI en god anledning til å utvide forståelsen av romplasmafenomen ved at man her kan sammenligne likedanne storskalasystemer under forskjellige forhold.

Cassini utgjør sammen med Huygens et av de store NASA/ESA-prosjektene for tiden. Huygens er en sonde som skal frigjøres fra Cassini og falle ned på Saturns måne Titan.

FFI har i tillegg til plasmaeksperimentene på Cassini deltatt som konsulenter i arbeidet med Huygens. Sistnevnte skal blant annet måle turbulens og bølger (se avsnittet nedenunder om Jordens midlere atmosfære) i Titans atmosfære under nedturen til overflaten. FFI har her vært med på å bestemme de muligheter instrumentene har til å foreta slike målinger og derfor vært med på å utforme konstruksjonen av disse.

FFI har i løpet av 1993 også ledet forstudier av en mulig norsk småsatellitt (NISSE). Et slikt satellittprosjekt er tenkt gjennomført på 3-4 år, og satellitten (som vil veie mindre enn 100 kg) skal i tilfelle opereres fra Norge. Hensikten er å studere ionosfærefenomener ved høye breddegrader, spesielt utstrømning av lette ioner fra ionosfæren til magnetosfæren. Disse planene er for tiden til vurdering i Norges Forskningsråd.

Utforskning av den midlere atmosfære

Den midlere atmosfære (10-100 km høyde) er et viktig område av Jordens atmosfære da den danner et grensesjikt mellom værsonen nær bakken og det interplanetariske rom. I dette området finnes ozonlaget som absorberer mye av den ellers skadelige ultrafiolette stråling fra verdensrommet som Jorden utsettes for, ladede partikler bremses opp og gir fra seg sin energi i form av blant annet varme, bølger og synlig lys (nordlys), og luftmasser fra polarområdene blandes med luft fra ekvatoriale strøk. En bedre forståelse av dette høydeområdet har derfor betydning for atmosfærens dynamikk og kjemi som helhet.

Studier av den midlere atmosfære kompliseres ved at den delen som befinner seg over 50 km, ikke kan nås på annen måte enn ved hjelp av raketter som kun gir et øyeblikksbilde av atmosfærens tilstand. Ballonger kan ikke brukes siden de ikke når så høyt og satellitter kan kun brukes til fjernmålinger da de ikke når så lavt. Dette er noe av grunnen til at den midlere atmosfære i flere år også gikk under betegnelsen «ignorosfæren».

Mye har forandret seg de siste 15 årene, og FFI har stått sentralt i utforskningen av dette meget interessante området i polare strøk. Dette har sammenheng med de naturlige fortrinn Norges beliggenhet gir, sammen med det etter hvert store antall nasjonale og ikke minst internasjonale forskningsinstallasjoner i Nord-Norge (ulike radarer, optiske og magnetiske observasjoner for å nevne noen) samt Andøya Rakettskytefelt. FFI har konsentrert sin innsats rundt studier av turbulens (hvirvling) og atmosfærebølger til ulike årstider, samt å forstå opphavet til spesielt sterke radarekko og lysende nattskyer som kun observeres om sommeren. FFI har her funnet en meget fruktbar nisje som har gitt mange nye resultater og gjort instituttet til en interessant samarbeidspartner for utenlandske forskningsinstitusjoner både i Europa og USA.

FFIs arbeid innen turbulens og atmosfærebølger (først og fremst tyngdebølger) har nær sammenheng med hverandre. For å forstå det ene bør man ha kjennskap til det andre.

Tyngdebølger oppstår i den lavere delen av atmosfæren (værsonen) og frakter energi til den midlere atmosfære der bølgene «bryter» (som bølger mot en strand) og avsetter energien som varme og turbulens. Kilden til bølgene kan for eksempel være sterk vind som blåser over fjellmassiv og skaper bølger på lesiden, eller værfronter i bevegelse.

FFI har utviklet instrumenter som måler variasjoner i atmosfærens tetthet med stor nøyaktighet (0,01 %) og oppløsning (bedre enn en halv meter). Ved å studere disse variasjonene kan man si noe om styrken av turbulens og dens evne til å varme opp, eventuelt avkjøle, atmosfæren. Som nevnt ovenfor, er dette viktig for å forstå atmosfærens dynamikk som helhet.

Over flere år har FFI her bygd opp en database som i stor grad beskriver hvordan turbulens varierer både med høyden og med årstiden. Teoretikere i flere land har etter hvert tatt hensyn til dette i sin utvikling av atmosfæremodeller. Dessuten har FFI bidratt til å utvikle bedre teoretiske modeller for å beregne selve styrken av turbulens.

I de senere årene har høydeområdet 80-85 km på sommertid stått sentralt for den internasjonale utforskning av den midlere atmosfære. I dette sjiktet observeres to fenomen som kun finner sted om sommeren da temperaturen faller ned mot 100 K (laveste temperatur i jord/atmosfære-systemet): (1) Meget sterke radarekko kalt PMSE (Polar Mesospheric Summer Echoes) i VHF- og UHF-områdene, samt (2) lysende nattskyer (NLC = Noctilucent Clouds). Skyene lyser ikke av seg selv, men reflekterer kun sollys når solen befinner seg under horisonten, og er de høyeste skyene i Jordens atmosfære.

Disse fenomenene har FFI studert med de samme instrumentene som benyttes til å studere turbulens og atmosfærebølger som nevt tidligere. Dette har satt FFI i stand til å undersøke finstrukturen innen lagene i stor detalj og har gitt instituttet helt ny viten om både dynamikk og kjemi. Det har blant annet kunnet konstateres at det må finnes flere mekanismer som forårsaker radarekkoene, hvorav én er sterk turbulens, og at de lysende nattskyene består av meget tunge positivt såvel som negativt ladede partikler i submikron-området. Disse studiene vil bli intensivert i årene som kommer, og den internasjonale interesse for å delta i instituttets rakettprosjekter er stor.

Møtet ble avsluttet med en rundtur i laboratoriene som er tilknyttet romfysikkaktiviteten. Her fikk møtedeltakerne se deler av en rakettnyttelast med instrumenter og «datahjerne». Dessuten fikk de anledning til å ta FFIs vakuumtank i nærmere øyesyn. I denne kan forskerne etterligne forholdene i Jordens ionosfære ved å kontrollere trykk og temperatur, samt produsere sin egen ionosfære ved å sende ut en strøm av ioner og elektroner fra en plasmakilde. Kammeret brukes både til rene eksperimenter, for eksempel til å simulere vekselvirkningen mellom et romfartøy og ionosfæren, samt til å teste ut nyutviklede instrumenter før de sendes opp med enten satellitter eller raketter.

Artikkelforfatterne arbeider som forskere ved FFI.

 
Forrige artikkel | Neste artikkel | Alle NOR 1994 | Alle Romfart/NOR
 
 
 

Alt stoff på romfart.no/.com/.org er opphavsrettslig beskyttet.
romfart.no/.com/.org eies og drives av Norsk Astronautisk Forening.