Afö

(1)

A földi plazmaszféra vizsgálata

whistlerek segítségével

MTA doktori értekezés

Tézisei

Lihtenberger János

Budapest

2010

(2)

A kutatási téma el®zményei és a kit¶zött

feladatok

Az utóbbi 10-15 évben az ¶rzika-¶rkutatás egyik f® te-

rülete az ¶rid®járási kutatások, ugyanis napjainkra ivilizá-

iónk ¶rtevékenység-függ®vé vált, szinte láthatatlanul min-

dennapi életünk részei lettek a m¶holdak által nyújtott szol-

gáltatások:telekommunikáió-TV,Internet,(mobil)-telefónia;

navigáió (GPS, GLONASS, GALILEO); távérzékelés (mez®-

gazdaság,környezetvédelem,természetikatasztrófákmonitoro-

zása).Annyiraigazez,hogynemisaszolgáltatáslétét,hanem

esetlegeshiányát,zavarátvesszükészre.ANapésagalaktikus

kozmikus sugárzás változásainak hatása a Föld fels®légkörére

(¶r-id®járás) f®leg az ember alkotta eszközöket (m¶holdakat)

érinti, a sugárzásiövekben keletkez® ésonnankisapódónagy

(sokszor relativisztikus) energiájú töltött részeskék ionok,

elektronok képesek a m¶holdakat id®legesen vagy véglege-

senmegbénítaniésezzel am¶holdseréjénekköltségén(ami

dollártíz-vagyszázmilliókbanmérhet®!)túlmen®-társadalmi,

gazdasági károkat okozni, esetenként emberéleteket veszélyez-

tetni(pl.mágnesesviharokalattmindamágneses,mindaGPS

alapúnavigáió megbénulhat, ami a polgárilégiközlekedésben

komolyveszélyforrást jelent).

Ahhoz,hogyképeseklegyünkezeketaz¶r-id®járásihatáso-

katmodelleznivagyel®rejelezni,lekellírnunkafels®légkörben,

aplazmaszférábanésasugárzásiövekbenvégbemen®folyama-

tokat. A nagyenergiájú részeskék hullám-részeske kölsön-

hatások során keletkezhetnek és és sapódnak ki a sugárzási

övekben.Ahullám-részeskekölsönhatás pontosleírásához le

kell tudni írni a közegbeli (jelen esetben a plazmaszférabeli)

hullámterjedést, ami lényegében hideg, ütközésmentes plazma

esetén, amilyen a plazmaszféra, két paramétert®l: a girofrek-

veniátólésa plazmafrekveniátólfügg.Az el®bbi a mágneses

térer®sséggel, az utóbbi a töltéss¶r¶séggel arányos. Mindkét

(3)

paraméter mérhet® in-situ, azonban a m¶holdak a zikai tör-

vényeimiattsajnosnemlehetnekmindigmindenüttott.Aföldi

mágnesesteretszerenséreelégpontosanletudjukírnimágne-

sestérmodellekkel(entrálisdipólusilletveDGRF/IGRFmo-

dellek).Atöltéss¶r¶ségmeghatározásáramajdnemhatvanéve

létezikegyolsó éshatékony módszer,a villámok által keltett

természetesrádióhullámok,awhistlerekhasználata,melyekse-

gítségével meghatározható a terjedési út (mágneses er®vonal)

mentielektrons¶r¶ség-eloszlás,amelykulsfontosságúparamé-

teraplazmaszféra ésa sugárzásiövekmodellezésben.

Bár a Nemzetközi Geozikai Évt®l (1957-58.) a világ szá-

mos obszervatóriumában kezdték el a whistlerek regisztrálá-

sát,éskomolyeredmények születtekawhistlerekértékelési el-

járásaira,a whistlerek manuális kiértékelési eljárásai azonban

rendkívülid®igényesekésfárasztóak.Azeljárásokels®lépésea

whistlerekdetektálása a nyers adatokban,a klasszikus eljárás

a szélessávú VLF jel végighallgatása vagy újabban a dinami-

kus spektrum vizuális vizsgálata. Az el®bbiben a emberi fül,

azutóbbibanaszemjátsszaadetektor szerepét.Mindkételjá-

rása valós id®nél 10-20-szor lassúbb, egy órányi regisztrátum

végighallgatása- végignézése 3-5 óra, és egy ember 1-2 órányi

anyagnál nem tud naponta többet végighallgatni, végignézni.

Ezért bár a tehnika ígéretes, a whistlereket sohasem alkal-

maztáka plazmaszféraelektrons¶r¶ségénekrutin monitorozá-

sára.

Ahhoz tehát, hogy a whistlereket alkalmazni lehessen a

plazmaszféravizsgálatában és¶r-id®járásikutatásokban, meg

kell valósítani a whistlerek automatikus detektálását, ki kell

dolgozniazokatazeljárásokat,amelyeksegítségéveladetektált

whistlerekinvertálhatóak, azazszármaztathatóak aplazmasz-

féra elektrons¶r¶ségének adatai, és ez az inverzió közel valós

id®ben,automatikusan végezhet® el.

Atémafontosságátjelzi,hogymindazEurópair-ügynökség

(ESA), mind az EU programokat indít az ilyen típusú kuta-

(4)

tások el®segítésére. Az ESA 2009-ben indította a Spae Si-

tuational Awarness (SSA) programot, amelynek élja az ön-

álló európai operatív szolgálatok megteremtése három terüle-

ten (¶rszemét, földközeli objektumok és ¶r-id®járás), az EU

pedigazFP-7-eskeretprogramban(FP7-SPACE-2010-1)külön

Workprogramme-ban(SPA.2010.2.3-1: Seurityofspaeassets

fromspaeweather events) támogatjaaz ilyenkutatásokat. A

NATOSSAprogramjánakel®készületeiszinténmegkezd®dtek.

Új tudományos eredmények

1. Automatikus whistlerdetektáló eljárás

Kidolgoztam egy eljárást (AWD), amelyik képes a nyers

VLFadatokból automatikusan kiválasztani (detektálni) a kö-

zepesmágnesesszélességenterjed®whistlereket.Azeljárásszá-

mítógépes algoritmusa a valós id®nél gyorsabb ésígy képes a

whistlerekfolyamatosautomatikus detektálására.

Az AWDeljárást kiterjesztettemnagyobb ésnagymágne-

ses szélességen terjed® whistlerekre, whistlersoportokra, va-

lamint kis mágneses szélességeken és m¶holdakon regisztrált

whistlerekre(töredék,ferde ésnem vezetettwhistlerek)[Lih-

tenberger,2009℄.

2. Új whistlerinverziós eljárás

Kidolgoztamegyúj,azeddiglétez®knélpontosabbwhistler-

inverzióseljárást,amelyintegráljaalegújabb elméletihullám-

terjedésiésm¶holdass¶r¶ségmérési adatokbólszármazó mág-

neseser®vonalmentiempirikuselektrons¶r¶ségeloszlásmodel-

leket [Lihtenberger, 2009℄.

(5)

3. Többutas terjedés¶ whistlersoport modellje

Kidolgoztamegymodellt,amelyleírjaatöbbutasterjedés¶

(MP) whistlersoportokat. A modell az er®vonalmenti elekt-

rons¶r¶ség eloszlásmodellje melletta plazmaszféra egyenlít®i

elektrons¶r¶ség proljának új, kétparaméteres leírását is ma-

gábafoglalja [Lihtenberger, 2009℄.

4. Virtuális whistlernyom transzformáió

Deniáltam egyúj, általam virtuális whistlernyom transz-

formáiónaknevezettmatematikaieljárást,amelyetatöbbutas

terjedés¶ valós whistlernyomokra alkalmazva a plazmaszféra

egyenlít®i elektrons¶r¶ség prol két paramétere meghatároz-

ható, így a megszokottól eltér®en nem sak az egyes nyomok

terjedési útjai mentén, hanem a plazmaszféra széles radiális

tartományábanismeghatározhatóazelektrons¶r¶ségeloszlása

[Lihtenberger, 2009℄.

A virtuális whistlernyom transzformáió segítségévelbebi-

zonyítottam, hogyaz általam kidolgozottújwhistler-inverziós

eljárás a mérési és eljárási pontosságokon belül pontosabban

írja le a valóságot, mint az eddigi eljárások [Lihtenberger,

2009℄.

5. Automatikus whistlerelemz® algoritmus

Kidolgoztam egy eljárást a whistlernyomok automatikus

elemzésére (AWA), amelyb®l a gyakorlatban is alkalmazható

számítógépesalgoritmustkészítettem.Agyakorlatialkalmazás

azautomatikusan detektáltéselemezhet® whistlerekközelva-

lósidej¶feldolgozásátjelenti,amellyelelérhet®aplazmaszféra

elektrons¶r¶ségénekközelvalósidej¶monitorozásaésamellyel

lehet®véválikaplazmaszféradinamikájánakvizsgálataésvalós

idej¶plazmaszféramodellek kidolgozása¶r-id®járásivizsgála-

tokban[Lihtenberger etal., 2010℄.

(6)

6.Globálisautomatikuswhistlerdetektoréselemz®

hálózat (AWDANet)

Széleskör¶ nemzetközikooperáióbanlétrehoztamegy glo-

bális hálózatot az automatikus whistlerdetektor és whistler-

elemz® (AWDA) állomásokból (AWDANet). A folyamatosan

b®vül® észlel®hálózatnak jelenleg 15 m¶köd® és 12, a közel-

jöv®ben telepítésre kerül® állomása van. Az AWDANetben a

whistlerdetektálás operatív üzemben, a whistlerelemzés kísér-

letiüzemben folyik.Ahálózat els®dlegeséljaplazmaszferikus

elektrons¶r¶ségadatokoperatívszolgáltatása¶r-id®járásimo-

dellekhez,el®rejelzésekhezésoperatívprogramokhoz (pl.ESA

ésNATO SSA)[Lihtenberger et al.,2008℄.

7. Villám-whistler korreláiós vizsgálatok

AzAWDANettöbbéveswhistleradatsorainstatisztikaivizs-

gálatokat végeztema whistlerekalig vagy nemismertkeletke-

zésiésterjedésikörülményeinekvizsgálatára.EzazAWDANet

másodlagos élja. Megállapítottam, hogy a whistlerek terje-

dési meridiánja, amely szükséges informáió a plazmaszféra-

modellezéshez, az európai-afrikai és az amerikai meridiánok

esetébenegybeesikavev®állomásmágnesesmeridiánjával,míg

azúj-zélandivev®állomásesetébenastatisztikusvizsgálatnem

ad egyértelm¶ eredményt [Lihtenberger et al., 2008; Collier

etal., 2006,2009; Rodger et al.,2009; Collier etal., 2010a,b℄.

Azeredmények hasznosítása,továbbfejlesz-

tése

Adolgozatbanismertetettkutatásieredményekszámoseset-

ben új kérdéseket indukáltak, amelyeket a jöv®ben kell tisz-

tázni,illetve feladatokat generáltak,amelyeketa közeljöv®ben

tervezünk teljesíteni. Ilyen feladat például az AWDANet tel-

(7)

jeskiépítése,az AWA eljárástelepítése ésüzembehelyezése az

AWDANetállomásain ésa whistlerekb®l, valamint a más for-

rásokból(FLR,m¶hold)származós¶r¶ségadatokkeresztkalib-

ráiója,amely nélkülaz integráltfelhasználás aplazmaszféra-

modellekben nemképzelhet®el.Ezeknekafeladatoknaktöbb-

ségétazelkövetkez®3-4évbentervezzükelvégezni,amireamár

említettelnyert FP-7-es pályázat lehet®ségetteremt.A követ-

kez® lépés az AWDANet szolgálatszer¶ m¶ködésének megte-

remtése, amely pl. az ESA vagy NATO SSA programokban

valósulhat meg.

Anyitottkérdésekközétartozikawhistlerekterjedésimeri-

diánjánakmeghatározásamindenvev®állomás esetében,ehhez

esetenként speiális mérések szükségesek (pl. közeli mér®állo-

másoktelepítése háromszögeléseskilépési-pontmeghatározás-

hoz).Egyidej¶földiésm¶holdasmérésekszükségesekazinver-

ziós módszerek ellen®rzéséhez éskalibráiójához, enélkül sak

közvetettbizonyítékokállnakrendelkezésreamodellekpontos-

ságáról. Ilyen típusú mérések tervei (SAS-4 kísérlet) elkészül-

tek,amegvalósításterveiis körvonalazódnak.

Továbbinyitott kérdésa teljeshullámalak-megoldás alkal-

mazása valódi, plazmával töltött görbült s®tápvonalban (ez

modellezi azer®vonalmenti vezet®szerkezeteket) ésavesztesé-

geketisgyelembevev®megoldásalkalmazásapl.kisszélesség¶

terjedésesetén,aholaveszteségbiztosannemhanyagolhatóel;

illetveannakmegvizsgálása,hogyaveszteségekgyelembevé-

telead-egyelembeveend®korrekiót aveszteségmentesmeg-

oldásdiagnosztikai alkalmazásaiban.

El®ttünk álló feladat a AWD algoritmus rutinszer¶ alkal-

mazása m¶holdakon mért nagytömeg¶ VLF adatra, ez az al-

kalmazásawhistlerkeletkezés-terjedéselméletéhezésahullám-

részeske kölsönhatás elméletéhez is adhat informáiót. Ko-

molykihíváslehetanem-vezetett,tehátaf®legm¶holdonvett

whistlerekdiagnosztikaialkalmazásánakkidolgozása, ezazed-

digielméletek ésmódszerek újszer¶ kombináióját igényli.

(8)

A tézispontokhoz kapsolódó publikáiók

Collier,A.B.,A.R.W.Hughes,J.Lihtenberger, andP.Ste-

inbah (2006), Seasonal and diurnal variation of lightning

ativityoverSouthernAfriaandorrelationwithEuropean

whistler observations, Ann. Geophys.,24, 529542.

Collier, A. B., B. Delport, A. R. W. Hughes, J. Lihtenber-

ger, P. Steinbah, J. Öster, and C. J. Rodger (2009), Cor-

relation between global lightning and whistlers observed

at Tihany, Hungary, J. Geophys. Res., 114, A07,210, doi:

10.1029/2008JA013863.

Collier, A. B., S. Bremner, J. Lihtenberger, J. R. Downs,

C. J.Rodger,P.Steinbah, andG. MDowell (2010a),Glo-

ballightningdistributionandwhistlersobservedatDunedin,

New Zealand.,Ann. Geophys.,28, 499513.

Collier, A. B.,J. Lihtenberger, M. A. Clilverd, P. Steinbah,

and C. J. Rodger (2010b), Soure region for whistlers de-

teted at Rothera, Antartia,J. Geophys. Res.,submitted,

doi:10.1029/2010JA016197.

Lihtenberger, J.(2009), Anew whistler inversionmethod,J.

Geophys. Res.,114, A07,222, doi:10.1029/2008JA013799.

Lihtenberger,J.,C.Ferenz,L.Bodnár,D.Hamar,andP.Ste-

inbah (2008), Automati Whistler Detetor and Analyzer

system:AutomatiWhistlerDetetor,J.Geophys.Res.,113,

A12,201,doi:10.1029/2008JA013467.

Lihtenberger, J., C. Ferenz, D. Hamar, P. Steinbah, C. J.

Rodger, M. A. Clilverd, and A. B. Collier (2010), The Au-

tomati Whistler Detetor and Analyzer (AWDA) system:

(9)

Implementation of the Analyzer Algorithm, J. Geophys.

Res.,p.aepted,doi:10.1029/2010JA015931.

Rodger, C. J., J. Lihtenberger, G. MDowell, and N. R.

Thomson (2009), Automati whistler detetion: Operatio-

nalresults from New Zealand, Radio Si., 44, RS2004, doi:

10.1029/2008RS003957.