Čeští a japonští vědci zkoumají elektrické výboje na Marsu i lví řev na Saturnu

Sluneční vítr, bleskové výboje a elektromagnetické vlny v atmosféře Země i vysoko nad ní mohou mít dopad na náš každodenní život. Proto jsou stále předmětem intenzivního vědeckého bádání. Vědce zajímá jejich vznik, šíření a rozmanité podoby nejen na Zemi, ale třeba i na Marsu či Jupiteru.

Pracují tedy na družicích a sondách, které o těchto jevech mohou prozradit víc. Jevy spojené s kosmickým plazmatem a šířením nabitých částic ze Slunce, elektromagnetických vln v blízkosti Země a jinde ve sluneční soustavě i další oblasti kosmické fyziky jsou už dlouho předmětem spolupráce fyziků z univerzit Kanazawa a Nagoya a dalších japonských odborníků s vědci z oddělení kosmické fyziky Ústavu fyziky atmosféry AV ČR v čele s Ondřejem Santolíkem.


Ondřej Santolík z Ústavu fyziky atmosféry AV ČR

V jakých oblastech především spolupracujete s japonskými kolegy?
Jde o výzkum blízkého vesmíru v okolí Země a planet sluneční soustavy a o výzkum slunečního větru. Pozornost zaměřujeme na elektromagnetické vlny, které se v těchto oblastech vyskytují, například na vlny šířící se v radiačních pásech Země.

Připomeňme, že tam se v magnetickém poli planety zachycují elektrony a ionty pohybující se rychlostmi jen o málo menšími, než je rychlost světla…
Ano, například ve vnějším Van Allenově pásu mohou za proměnlivou intenzitu radiace relativistické elektrony o velmi vysokých energiích. Dlouho bylo záhadou, jak vlastně své veliké energie tak rychle získají. V poslední době se ukazuje, že je někdy urychlují i elektromagnetické vlny.

Proč je důležité zkoumat urychlování elektronů v blízkosti Země? A jsou už známé konkrétní procesy, které za to odpovídají?
K urychlování elektronů dochází vysoko nad atmosférou Země v oblasti zvané magnetosféra. Dosud ale není úplně zřejmé, za jakých podmínek. Nedá se to proto spolehlivě předpovědět. Jenže právě v této oblasti obíhá na geostacionární dráze spousta umělých družic včetně telekomunikačních nebo pro přenos televizního signálu. Když se zvýší tok energetických elektronů, může se část družice nabít a dojít k její poruše. Družice mohou dokonce přestat úplně fungovat. Proto se vysokoenergetickým elektronům někdy nadneseně říká „zabijácké“ a intenzivně se studují.

Už vznikly hypotézy, jak mohou nabývat tak ohromných energií?
Základní hypotéza je, že pomalé změny magnetického pole přispějí k tomu, že se elektrony dostanou blíž k Zemi a v jejím magnetickém poli se urychlí. Ukazuje se však, že urychlovat elektrony mohou i vlny na vyšších frekvencích, takových, které normálně slyšíme. Používají se proto pro ně různá zvukomalebná označení, jako třeba sykot nebo chorus. Právě jimi se v našem oddělení zabýváme. V rámci programu EU Horizon 2020 se účastníme výzkumu, který by měl vyústit v možnost toky elektronů v radiačních pásech předpovídat.

Což by určitě uvítali operátoři telekomunikačních družic.
Jistě, mohli by citlivé části družice vypnout ve chvíli, kdy hrozí velké zvýšení toků energetických elektronů. Zachránili by ji pro další fungování.

Souvisí tyto jevy se slunečním větrem, s nabitými částicemi přicházejícími ze Slunce?
Ano, jenže nevíme přesně jak. To je opět cíl našeho výzkumu. Možná přijdeme na nějaký jednoduchý mechanismus. Zatím to ale vypadá jako poměrně složitý propletenec jevů, které se obtížně předpovídají. Zahrnují různá časová zpoždění na cestě slunečního větru od Slunce až k Zemi, ale i vliv změn ve slunečním větru na jeho působení v magnetosféře Země a potažmo v jejích radiačních pásech.

Zkoumáte s japonskými kolegy pouze plazma v okolí Země, nebo i u jiných planet, případně v meziplanetárním prostoru?
Máme rádi všechny planety. Na březnovém sympoziu v Praze zazněly i příspěvky týkající se okolí Jupiteru a výzkumu bleskových výbojů v jeho atmosféře, ale také měření v okolí planety Saturn, kde jsme odhalili přítomnost takzvaných lvích řevů. To je zvláštní druh elektromagnetických vln – jde o takové hluboké krátké tóny. Když člověk zapojí trochu fantazii, znějí opravdu jako když zařve lev. Přednášel o nich kolega David Píša.

Působí sluneční vítr v atmosférách, respektive magnetosférách, Jupiteru a Saturnu podobné jevy jako na Zemi?
To nevíme přesně, protože tam nemáme dostatek přístrojů. Ale i z dat, která zatím sondy získaly, lze vysledovat, jak se sluneční vítr šíří až k Jupiteru a Saturnu a co způsobí v jejich magnetosférách. Často jsou tam jevy dost podobné těm na Zemi, jenomže v jiných škálách. Jupiter i Saturn mají své magnetické pole, svou magnetosféru, mají i radiační pásy. Mohou se v nich ale projevovat trošku jiné děje než na Zemi, protože kupříkladu mají okolo sebe daleko větší oblast vyplněnou hustším plazmatem pocházejícím z jejich měsíců nebo prstenců.

Nedávno odstartovala ke Slunci sonda Solar Orbiter, na níž máte přístroj, který jste ve vašem oddělení vyvíjeli a část ho postavili. Zaměřuje se na problematiku, o které teď mluvíme?
Ano, první výsledky z jeho měření už Jan Souček představil na zmíněném sympoziu. Postavili jsme elektronický subsystém, který je součástí přístroje pro měření elektromagnetických vln ve slunečním větru. Vyskytuje se jich tam mnoho různých druhů. Náš subsystém se zaměřuje specificky na vlny, které vznikají působením svazků elektronů na okolní plazma.

Čím jsou pro vás tyto plazmové vlny zajímavé?
Mají charakteristickou frekvenci, která závisí na hustotě plazmatu v daném místě. Jejich frekvence se proto cestou od Slunce mění podle toho, jak sluneční vítr postupně řídne. Zajímavé je, že se mohou z elektrických oscilací přeměnit v elektromagnetické vlny, které se šíří do velkých vzdáleností a můžeme je vidět až u dráhy Země. Abychom lépe poznali, co se děje ve slunečním větru blízko Slunce, musíme zjistit, jak přesně se plazmové vlny mění v elektromagnetické. Potřebná měření by měl provádět právě náš přístroj na sondě Solar Orbiter.

V konečném důsledku by opět tyto poznatky mohly pomoct i v předpovědích, co sluneční vítr způsobí v blízkosti Země?
To by jistě mohly, neboť slunečnímu větru trvá cesta od Slunce k Zemi obvykle několik dní, kdežto elektromagnetickým vlnám pouhých osm minut a dvacet vteřin.



Vraťme se ještě k japonsko-české spolupráci. Na co jste se ve společných výzkumech zaměřili především a máte i plány do budoucna?
Spolupracujeme například na analýze dat z japonské družice Arase zkoumající Van Allenovy radiační pásy. Byla vypuštěná v prosinci 2016 a stále pokračuje v měření. Kolega Aaron Hendry, postdoktorand v našem oddělení, propojil měření Arase a amerických družic Van Allen Probes s pozemními měřeními, aby odhalil více informací o výskytu nízkofrekvenčních vln v magnetosféře Země a o tom, jak se pak dostanou až na zemský povrch. Výsledek byl nedávno přijat k publikaci. Máme připravené i projekty týkající se choru nebo sykotu v radiačních pásech Země.

Co je pro vás prioritou pro blízkou budoucnost? Jaké poznatky potřebujete získat?
Máme nyní několik směrů, kterými se vydáváme. Jedním z nich je, jak už bylo řečeno, výzkum slunečního větru, který bude navazovat na měření sondy Solar Orbiter. Kromě přeměny plazmových vln v elektromagnetické, o které jsem už mluvil, budeme měřit například prach ve slunečním větru. Využijeme elektrické antény na Solar Orbiteru ke sledování krátkých pulzů, které vznikají, když zrníčko prachu narazí do velké plochy sondy. Při tom vytvoří oblak plazmatu, který doputuje k anténám. My poté místo elektromagnetických vln vidíme záznam dopadu prachu.

Pokud vím, pracujete i na dalších družicích a sondách…
Několik jich ještě v zásobě máme. Letos by měla odstartovat sonda TARANIS, na níž máme přístroj pro měření vysokofrekvenčních vln vyzařovaných výboji v bouřkových oblastech v atmosféře Země i těmi ve velkých výškách nad bouřemi. Tyto výboje se označují různými poetickými názvy – například skřítci nebo elfové. Známe je díky měřením na Zemi. Třeba náš pozorovatel Martin Popek zaměřuje televizní kamery nad bouřkové oblasti a hledá právě takové náhlé světelné jevy, které se nad nimi objevují. A nalézá jich opravdu mnoho.

Čím přispěje družice TARANIS?
Budeme zkoumat tuto skrytou tvář bouří shora i zespodu. Tímto způsobem bychom chtěli blíže poznat mimo jiné vznik bleskového výboje, neboť překvapivě dosud nemáme jasno ani o tom, jakým způsobem vzniká obyčejný blesk.

V čem je zádrhel?
Jedním z problémů je, že do bouřkových oblaků není úplně dobře vidět, takže opticky se spousta věcí nedá měřit, je třeba se spolehnout na rádiová měření. Už před bleskem dochází ke spoustě procesů, které začínají prvotními výboji v bouřkovém oblaku – právě na ně se zaměřujeme. To je další otevřený problém, k jehož řešení bychom chtěli přispět.

Další sonda, na níž budete mít své přístroje, je ExoMars. Její start byl zatím odsunut na rok 2022.
Ano, v roce 2023 by měla přistát na povrchu Marsu. Na její přistávací platformě budeme mít elektrickou a magnetickou anténu, s tou elektrickou nám pomáhal kolega Ivan Vlček z Ústavu přístrojové techniky AV ČR v Brně. Opět chceme měřit elektromagnetické vlny, tentokrát přímo na povrchu rudé planety – což se zatím nikomu nepodařilo. Klademe si dvě základní otázky: zaprvé, jestli se mohou elektromagnetické vlny z vnějšího kosmického prostoru šířit plazmatem v okolí Marsu až na jeho povrch. Mars má ionosféru, ale má jen velmi slabé magnetické pole. Což je něco úplně jiného než na Zemi, kterou obklopuje magnetosféra. Na Marsu však pozorujeme jenom magnetismus lokální, někde silnější, jinde slabší.

A druhá otázka pro sondu ExoMars 2022?
Chceme vědět, jestli se ve velmi řídké atmosféře Marsu objevují elektrické výboje, které by do nějaké míry mohly být podobné bleskům. Na Marsu je ale pouze přibližně setina pozemského atmosférického tlaku, takže by tam nemohly vzniknout stejné bleskové výboje, jaké máme v naší atmosféře. Spíš by se mohly podobat doutnavému výboji v zářivkách.

Jak by se ale mohly tvořit?
Na Zemi blesky vznikají tak, že se nabijí částečky ledu v bouřkových oblacích. Tím se vytvoří elektrická pole, v nichž potom dochází k výbojům. V atmosféře Marsu žádné podobné částečky ledu nejsou, zato může obsahovat prach, který se zvedá z povrchu a občas zahalí celou planetu globální prachovou bouří. Prachu je tam tudíž spousta a může se nabíjet tím, že se jednotlivá zrníčka třou o sebe. Tím se mohou vytvářet elektrická pole a v nich výboje – podobně jako v sopečném prachu vyletujícím z pozemských vulkánů. Na Marsu, pokud se nám tam podaří měkce přistát, nás ale jistě čekají různá překvapení.

Připravila: Jana Olivová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Jana Plavec, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR, Ústav fyziky atmosféry AV ČR

Přečtěte si také

• Další úspěšný krok na cestě k termojaderné fúzi, hlásí američtí vědci
• Strážci přesné sekundy. Jak se měří, uchovává a sdílí čas?
• Pevná a ohebná jako kost. Slitina je příslibem nové generace implantátů
• Čistíme vodu efektivně? Kvalitu je možné snadno zvýšit, říkají vědci
• Výměna dvou Sluncí: jaderná fúze slibuje bezpečnou a čistou budoucnost
• Pohyb světlem od dávné vesmírné sci-fi po dnešní realitu mikrosvěta
• Vize pro energii budoucnosti nabývá konkrétních obrysů díky novému tokamaku
• Obstála ve světě oceli, navíc v Japonsku. Vědkyně rozvíjí unikátní mikroskopii
• Bez jaderných elektráren se v Česku neobejdeme, říká předseda Komise pro energetiku
• Nový mikroskop zobrazuje pohyb molekuly velké jako tisícina vlasu, a to ve 3D