Sender opp en bisverm med raketter: Skal finne årsaken til GPS-kaos

Solstormene kan lamme moderne kommunikasjon. Nå skal forskere sende opp en bisverm med raketter for å forstå hvorfor. Målet er bedre varsling av romvær.

BYGDE ANLEGGET: Det nye radaranlegget Superdarn på Svalbard ble egenhendig satt opp av fysikere i sommer. Superdarn gjør det mulig å måle hvordan ionosfæren ser ut i de polare områdene. Fra venstre: Dag Lorentzen fra Universitetssenteret på Svalbard og Chris Thomas fra Universitetet i Leicester i Storbritannia. Foto: Yngve Vogt

Solstormer kan skape fantastiske nordlysshow på Jorda. Uheldigvis kan solstormene også slå ut både navigasjonen og radiokommunikasjonen til flyene. For bare noen måneder siden, i begynnelsen av november 2015, var solstormen så intens at hele flytrafikken ble innstilt i Sør-Sverige. Det hører til sjeldenhetene. Faren for flykaos er størst i polare strøk.

Solstormer ødelegger ikke bare for flytrafikken, men kan også skade romfartsinstallasjoner, satellitter og astronauter, elektriske anlegg på Jorda, telekablene i havet og kommunikasjon med skipstrafikken og oljeinstallasjonene i nord.

– Nå når polisen smelter, blir nordområdene stadig viktigere. Da trenger vi romværvarsling for å forutsi når kommunikasjonen ikke fungerer og om satellittene midlertidig bør slås av, forteller førsteamanuensis Wojciech Jacek Miloch på Fysisk institutt ved UiO. Han leder den nesten førti mann store tverrfaglige forskergruppen 4DSpace, som undersøker turbulens og ustabiliteter i ionosfæren.

Ionosfæren er den øverste delen av jordatmosfæren, 80 til 500 kilometer over bakken. Gassen i ionosfæren er elektrisk ladd og kalles plasma. Ionosfæren er viktig i radiokommunikasjon fordi den reflekterer radiobølgene tilbake til Jorda.

– For oss fysikere er det viktig å forstå de fysiske prosessene som skaper irregulariteten i plasmaet, poengterer Miloch.

Solskyer bombarderer Jorda

Hva er det som egentlig skjer? Eksplosjonene på Sola slynger ut voldsomme mengder plasmaskyer med elektrisk ladde partikler, slike som elektroner, protoner og heliumpartikler. Partiklene når Jorda med en ufattelig hastighet på 400 kilometer i sekundet.

Uten magnetfeltet rundt Jorda hadde plasmaskyene fra Sola svidd av Jorda for lenge siden.  Takket være magnetfeltene blir solvinden holdt unna Jorda på god avstand. Unntaket er ved de magnetiske polene. Her trenger solvinden ned til ionosfæren. Den enorme kollisjonen med de ladde gassene i ionosfæren skaper det berømte nordlyset.

Og det er nettopp her i de elektrisk ladde skyene at det skapes så mye turbulens at radiosignalene reflekteres feil. Det går ut over både kommunikasjonen og det satellittbaserte navigasjonssystemet GPS. Turbulens er et klassisk problem i fysikken som dessverre ennå ikke er løst.

– Vi trenger denne forskningen for bedre å forstå hvordan nordlyset påvirker GPS, hvor lenge GPS-en vil være nede og hvor store forstyrrelsene blir. Når Sola varmer opp atmosfæren, blir den ionisert. Elektrontettheten vil da øke i dette området, forteller professor Dag Lorentzen ved Universitetssenteret på Svalbard (UNIS).

Solstormene danner to typer nordlys. Det ene er dagnordlyset, som blir til mer enn 250 kilo-meter over bakken. Det andre er det mye sterkere nattnordlyset, som tennes så langt ned som 100 kilometer over bakken.

Svalbard er perfekt geografisk plassert for å studere dagnordlys. Nattnordlyset dannes hyppigst på den breddegraden som Tromsø ligger på.

For å avsløre det indre livet i ionosfæren, har forskerne tilgang til en rekke installasjoner. Tre av dem er på Svalbard.

Ser 3000 kilometer

Den ene installasjonen kalles Superdarn (Super Dual Auroral Radar Network), det er et internasjonalt nettverk av svære radarstasjoner som måler aktiviteten i ionosfæren over store deler av jordkloden.

Da Apollon besøkte Svalbard i sommer, satte fysikere opp Superdarn på et platå litt øst for Longyearbyen. Anlegget har to rekker med antenner. De største antennene er tjue meter høye. Prislappen er ti millioner kroner.

– Svalbard-radaren er det norske bidraget i det globale Superdarn-nettverket, forteller professør Jøran Moen, som i en årrekke har vært primus motor for nordlysforskningen ved UiO.

Takket være de nye antennene på Svalbard kan forskerne studere hvordan ionosfæren ser ut i de polare områdene. De kan faktisk se så langt som 3000 kilometer.

Superdarn måler alt i storskala. Forskerne får med andre ord ingen detaljerte bilder.

Nordlysforskerne er spesielt interessert i å bruke Superdarn til å undersøke hvordan solvinden danner såkalte konveksjonsceller i ionosfæren. Når plasmaet fra Sola presses ned mot Jorda, transporteres det mellom konveksjonscellene, som endrer form hele tiden, frem til det området der nattnordlyset tennes.

– Romforskerne bruker derfor nordlyset som et verktøy til å studere hva som skjer når solgassene dundrer inn i Jordatmosfæren, forteller stipendiat Xiangcai Chen, som tar doktorgraden sin på nordlysfysikk i Arktis.

Sjekker temperatur og hastighet

Den andre store installasjonen på Svalbard kalles Eiscat (European Incoherent Scatter Scientific Association). Den ligger bare noen hundre meter fra Superdarn. Eiscat har to svære parabolantenner på over 30 og 40 meter i diameter, som brukes til å undersøke mye mindre områder av ionosfæren enn Superdarn, men med langt bedre oppløsning.

Forskerne bruker også Eiscat til å måle temp-eraturen, ionehastigheten og elektrontettheten i plasmaet.

For noen år siden brukte professor Jøran Moen data fra Eiscat til å slå fast at Jorda pumper ut ufattelige 300 tonn oksygen daglig i en 100 meter bred og 50 000 kilometer høy fontene fra ionosfæren og ut i verdensrommet. Bare halvparten blir sugd tilbake igjen til Jorda. Svalbard har luftfontenen rett over hodet fire til seks timer hver dag.

Observerer bare i mørketiden

Det tredje store installasjonen er Kjell Henriksen-laboratoriet, oppkalt etter fysikkprofessor Kjell Henriksen (1938–1996) ved Universitetet i Tromsø. Det gamle nordlysobservatoriet lå nede i dalen, men måtte flyttes lenger unna fordi det etter hvert ble for mye lys fra Longyearbyen. Det nye ble plassert rett overfor Eiscat.

Dette er et optisk laboratorium som bare fungerer i stummende mørke. Om sommeren er glasskuplene tildekket med aluminium for å hindre at lyset skal skade instrumentene.

I laboratoriet finnes 32 optiske instrumenter. Det ene er eid av UiO. Her kan forskerne se på hva som skjer i ionosfæren og hvordan nordlyset endres over tid.

– Linsen er et ekstremt fiskeøye som tar bilde av hele himmelhorisonten, forteller Dag Lorentzen.

De fotograferer helt bestemte bølgelengder av nordlyset. Dataene sammenlignes så med observasjonene fra Superdarn og Eiscat.

Skyter rakett inn i nordlyset. Når forskerne observerer ionosfæren fra landjorda, må de studere den på flere hundre kilometers avstand. For å få et mer detaljert bilde, er de nødt til å måle hva som skjer, midt inne i nordlyset. Den eneste måten å gjøre dette på, er å sende opp raketter.

– Raketter gir oss unike observasjoner som vi ikke kan få fra bakke eller satellitt, påpeker Miloch.

Forskerne har allerede i flere år sendt opp raketter. De har vært proppet med avanserte instrumenter som i løpet av noen få minutter har målt finstrukturene i plasmaskyene. Intet er hyllevare. Mye er konstruert på fysikkverkstedet på UiO.

Et av de viktigste instrumentene i raketten er noen små antenner som skal måle elektrontetthet-en i ionosfæren. Det ble konstruert for fire år siden av noen stipendiater og professorer ved Fysisk institutt, og kunne den gang måle elektrontettheten ti tusen ganger raskere enn det NASA klarte. Avstand- en mellom observasjonspunktene ble da redusert fra sju kilometer til under en meter.

Dagens raketter gir bare et detaljert bilde langs rakettbanen, det vil si observasjoner i to dimensjoner, men det er ikke nok. For å få et romlig bilde trenger forskerne å observere fenomenet i tre dimensjoner.

Rakett med seks døtre

Til sommeren skal UiO være med på tidenes mest moderne forskningsrakett. Vel oppe i ionosfæren skal raketten spy ut ekstra måleinstrumenter.

Dette er første gang i verdenshistorien at nordlysforskere tar denne teknikken i bruk.

– Da kan vi omsider studere turbulensen i tre dimensjoner, forteller Miloch. 

I første omgang skal de teste ut om det nye systemet fungerer. Raketten må rotere for å være stabil. Det er det samme prinsippet som at du faller av sykkelen om du ikke beveger deg. Vel oppe i ionosfæren vil den roterende raketten slenge ut seks døtre. Takket være sentrifugalkraften vil døtrene sakte, men sikkert bevege seg vekk fra moderraketten.

Døtrene, som bare er ti centimeter brede og fire centimeter høye, skal ha kontakt med moder-raketten inntil de er én kilometer unna. I praksis betyr det at forskerne kan gjøre tredimensjonale målinger i fire til ni minutter, avhengig av hvor høyt raketten går.

– Den store utfordringen vår er å få døtrene til å kommunisere med raketten.

All kommunikasjon til bakken skjer mens raketten er i lufta. Etter endt misjon styrter både raketten og døtrene ned i havet. Selv om raketten freser igjennom nordlyset med en svimlende hastighet på én kilometer i sekundet, er måleinstrumentene så raske at avstanden mellom hver enkelt måling bare er på noen få centimeter.

– I praksis betyr det at vi kan få nesten kontinuerlige målinger.

Finberegning av rakettstart

Sommerens rakett skal skytes opp fra Andøya. Dette er et samarbeid med Norges arktiske universitet i Tromsø. Raketten skal måle plasmastrukturene i støvskyer. Støvskyene påvirker ekkosignalene fra radar. Denne fysikken er ikke forstått. Nordlysforskerne benytter samtidig anledningen til å sjekke om alle instrumentene i både moderraketten og døtrene fungerer som de skal.

I 2018 planlegger de å sende opp en egen forsk-ningsrakett fra Ny-Ålesund på Svalbard. Da må de være sikre på å treffe blink.

Denne raketten er tre meter lang, veier 140 kilo og skal fly opp til 350 kilometers høyde. Raketten koster tjue millioner kroner. De får bare ett forsøk. De må derfor beregne når det er lurest å sende den opp.

– Det er tricky å skyte opp en rakett.

De kan velge når de vil skyte opp raketten i løpet av en periode på ti dager, med mulig utskytning noen timer hver dag.

– I denne perioden kan luftrommet stenges på kort varsel. Vi er avhengig av både nordlys og at det ikke blåser for mye. Ellers styrter raketten, forklarer Miloch.

For å få finne det beste utskytningstidspunktet, baserer de seg på observasjoner fra både Superdarn, Eiscat og Kjell Henriksen-laboratoriet.

– Da kan vi se når de kraftige plasmaskyene, som ødelegger kommunikasjon med satellittene, kommer. Når vi vet hastigheten på plasmaskyene, kan vi beregne når det er lurest å sende opp raketten. Men det er alltid en liten gambling å skyte opp en rakett. Vi må forutsi hva som kommer til å skje de neste fem til ti minuttene, sier Miloch.

Før solstormen treffer Jorda kan de få et diskret lite hint, med en times varsel, av ACE-satellitten, som befinner seg halvannen million kilometer unna, på gravitasjonslikevekten mellom Jorda og Sola.

– Da kan vi si noe om hvor stor sjansen er for nordlys, sier Dag Lorentzen.

Utskytningen kan stoppes i siste liten. Nesten i hvert fall. 

– Det er faktisk mulig å stoppe raketten når det bare er 40 sekunder igjen, men da er så å si alt i gang, forteller Lorentzen.

Hundre døtre

I fremtiden håper Miloch å kunne skyte ut raketter med opptil hundre døtre om gangen.

– Da får vi en bisverm av instrumenter som følger raketten gjennom nordlyset.

Den første utfordringen er å lage døtrene små og samtidig kunne kommunisere med dem. Dessuten ønsker forskerne å plassere instrumenter i døtrene som både kan måle elektrontettheten og magnetiske og elektriske felt.

– Da må vi erstatte avansert elektronikk med en liten chip.

Her får nordlysforskerne hjelp av nanoteknologene på Institutt for informatikk ved UiO, men det er en annen historie.

MÅLER LADDE GASSER: Med de to parabolantennene på Eiscat kan forskerne
måle temperaturen, hastigheten og elektrontettheten i den elektrisk ladde gassen i
ionosfæren. Foto: Yngve Vogt

 

Av Yngve Vogt
Publisert 27. jan. 2016 11:40 - Sist endret 27. jan. 2016 11:49
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere