PICARD-satelliitti ja aurinkotutkimus

Transkriptio

1 PICARD-satelliitti ja aurinkotutkimus Ilkka Summanen, Janne Laatunen, Nina Mustonen, Lotta Hepo-Oja ja Maria Mäkinen 1

2 Sisällysluettelo 1. Johdanto.. s LATMOS.s Aurinko..s.5 2. Aurinkotutkimus.s Aurinkotutkimuksen historia...s Tutkimustavat ja laitteet..s.6 3. PICARD-satelliitti s SODISM.s SOVAP...s PREMOS...s Lopuksi.s.14 Lähteet..s.15 2

3 1. Johdanto Tämä tutkielma on syntynyt osana meidän viikon mittaista opintomatkaamme Pariisiin, jossa kävimme tutustumassa LATMOS-instituuttiin ja kuuntelimme mielenkiintoisia luentoja aurinkokuntamme tutkimusmahdollisuuksista. Olimme matkalla lokakuun alussa, ja tätä tutkielmaa olemme tehneet sekä ennen että jälkeen Pariisin vierailumme, kaiken kaikkiaan noin kuukauden verran. Meidän ryhmämme aiheena oli PICARD-projekti ja siihen liittyen aurinkotutkimus. Tähän liittyy vahvasti Pariisin LATMOS-instituutti, joka on valmistanut mm. PICARDiin kuuluvan SODISMin. LATMOS-instituution tutkija Anni Määttänen on myös antanut meille tietoja, kun aiheeseemme liittyvät luennot peruuntuivat. Tässä tutkielmassa kerromme hieman aurinkotutkimuksen historiasta ja sitten keskitymme lähinnä nykypäivän mahdollisuuksiin tällä saralla. PICARDin aurinkosatelliittiin ja sen instrumentteihin mm. PREMOSiin ja SOVAPiin tutustutaan myös. Eri osa-alueet on jaettu omiin kappaleisiinsa, joiden avulla esitys etenee ensin historian ja yleisten esittelyiden kautta tarkempiin tietoihin eri instrumenteista, joita aurinkotutkimuksessa käytetään. Kaikki lähteet löytyvät lopusta. 3

4 1.1 LATMOS-instituutio LATMOS-instituutio on perustettu Pariisissa ja sen päätutkimusteemoja ovat fysiikka, kemia ja aurinkokunta. Se osallistuu oleellisesti aurinkotutkimukseen tutkimalla mm. auringon ja maan välistä vuorovaikutusta ja sen vaikutuksia maan ilmastoon. LATMOS on osallisena myös Mars-tutkimuksessa, ja osa Mars-mönkijöiden instrumenteista on suunniteltu ja tehty Pariisissa. LATMOS toimii yliopistojen CNRS:n (Centre National de la Recherce Scientifique), UVSQ:n (University of Versailles Saint Quentin) ja UPMC:n (University of Pierre et Marie Curie) alaisuudessa ja siellä työskentelee noin 200 henkilöä, joihin kuuluu mm. tutkijoita, insinöörejä, teknikoita ja opiskelijoita. LATMOKSESSA tapahtuvaan tutkimukseen kuuluu mm. uusien instrumenttien kehittämistä ja rakentamista, mittauksien suorittamista, tulosten analysointia ja niiden mallintamista. Pääsimme tutustumaan mm. laitteiden kestävyyttä testaavaan laitteistoon, joka altistaa ne suurelle tärinälle. Se vastaa tilannetta, jonka laite joutuu kestämään mm. läpäistessään ilmakehän. Kuvassa taideteos tutkimuskeskuksen pihalla. Ja tärinälaitteistoa 4

5 1.2 Aurinko Aurinko on maapalloa lähin tähti, jonka ympärillä Aurinkokuntamme planeetat ja muut kappaleet kiertävät. Maapallo kiertää Aurinkoa keskimäärin 150 gigametrin (10^9 metriä) etäisyydellä. Halkaisijaltaan aurinko on km ja massaltaan se on kertaa suurempi kuin maapallo. Aurinko koostuu maailmankaikkeuden keveimmistä alkuaineista: sen massasta 71 % on vetyä ja 27 % heliumia. Tällä hetkellä Aurinko saa säteilemänsä energian fuusioreaktion kautta, jossa vetyytimet muodostavat heliumia. Fuusioreaktion tuottaman energian takia auringon ytimen lämpötila on n. 13,5 miljoonaa astetta celsiusta, pinnalla se on tosin vain 5500 astetta. Osa Auringon säteilemästä energiasta päätyy maapallolle, jossa se mahdollistaa nykyisen kaltaisen elämän. Näin ollen tutkimalla Aurinkoa voidaan saavuttaa dataa, joka vahvistaa tietojamme maapallon ilmastosta ja osittain elämän mahdollistavista olosuhteista. 5

6 2. Aurinkotutkimus 2.1 Aurinkotutkimuksen historia Auringolla on muiden näkyvien tähtien ja Kuun ohella asema yhtenä varhaisimmista kappaleista, joita ihmiset ovat voineet havaita. Näin ollen Aurinko, joka mahdollisti jokapäiväisen leivän saannin, sai monissa uskonnoissa jumalan vertauskuvallisen aseman, kuten antiikin Egyptissä. Kuitenkin Auringon tieteellisemmän havainnoinnin voidaan katsoa alkaneen jo vähintään 800 eaa, jolloin kiinalaiset astronomit havaitsivat ja kirjasivat ylös ensimmäiset tunnetut havainnot auringonpilkuista. Länsimaisen aurinkotutkimuksen voidaan katsoa alkaneen puolestaan vuodesta 1128, jolloin tehtiin ensimmäiset yhä olemassa olevat piirrokset auringonpilkuista. Teleskoopit otettiin käyttöön Auringon tutkimisessa v. 1610, jolloin Galileo Galilei laski Auringon kierähdysajan käyttäen hyväkseen auringonpilkkuja. Teleskooppien voidaan siis ajatella aloittaneen modernin aurinkotutkimuksen. Ensimmäiset tarkat mittaukset auringon läpimitasta teki 1600-luvun lopulla ranskalainen Jean Picard, jonka mukaan PICARD projekti on nimetty luvulta alkoi aurinkotutkimuksen nopea kehitys. Tiedemiehet alkoivat pohtia auringonpilkkujen vaikutusta maapallon lämpötilaan, Auringon ja Maan magneettista yhteyttä, Auringon pyörähdysnopeutta, auringonpurkauksia ja myrskyjä, Auringon koronaa jne luvun alusta alkaen Aurinkotutkimus on muuttunut yhä monimuotoisemmaksi tieteen ja tutkimusmenetelmien huiman kehityksen johdosta. Tutkimus on mm. keskittynyt Auringon rakenteeseen, sen lähettämään säteilyyn ja ylipäätänsä kaikkeen, mikä auttaa meitä ymmärtämään Aurinkoa, meidän Linnunrataamme ja meidän planeettaamme. 2.2 Aurinkotutkimuksen tavat ja laitteet Aurinkoa voi tutkia havainnoimalla ja mittaamalla siitä lähtevän säteilyn voimakkuutta, kokoa, massaa, lämpötilaa ja kirkkautta, muun muassa satelliiteilla, teleskoopeilla ja luotaimilla. Ensimmäiset Auringon tutkimiseen suunnitellut satelliitit olivat NASAn Pioneerit 5,6,7,8 ja 9, jotka laukaistiin vuosina ja joista viimeinen toimi vuoteen 1983 asti. Ne tekivät ensimmäiset yksityiskohtaiset havainnot aurinkotuulesta ja auringon magneettikentästä luvulla saatiin uutta tietoa aurinkotuulesta ja auringonpilkuista Apollo-teleskoopin ja Kahden Helios-luotaimen myötä. Yleisesti teleskoopit luokitellaan niiden käyttämien aallonpituuksien mukaan, esimerkiksi optisiin teleskooppeihin, jotka käyttävät näkyvää valoa. Teleskooppien käyttöä Maassa vaikeuttaa Maan ilmakehä, joka voi estää valon pääsemisen teleskooppiin, minkä vuoksi teleskoopit täytyy Maan päällä laittaa avoimelle ja yleensä korkealle alueelle, jolloin ilmakehän vaikutukset minimoidaan. Teleskooppeja voidaan asentaa myös avaruusasemille, esimerkkinä Apollo-teleskooppi amerikkalaiseen Skylabavaruusasemaan, jolloin Maan ilmakehän vaikutukset häviävät. 6

7 Kaikilla satelliiteilla yhteistä on jonkinlainen antenni ja virtalähde, mutta satelliittien käyttötarkoitukset eroavat suuresti. Satelliitteja käytetään yleisesti tiedon lähettämiseen, esimerkiksi GPS-paikannuksen tai TV-lähetysten muodossa. Auringon tutkimukseen käytettävissä satelliiteissa puolestaan on usein tiedonvälityslaitteiston lisäksi kameroita ja tieteellisiä mittauslaitteita, joilla Aurinkoa ja sen ominaisuuksia voidaan havainnoida. SOHO-satelliitin ottamia reaaliaikaisia kuvia auringonsta IAS-instituutissa 7

8 3. PICARD-satelliitti PICARD on satelliitti, jota käytetään aurinkotutkimuksessa. Se on saanut nimensä ranskalaisen tähtitieteilijän Jean Picardin ( ) mukaan, joka elinaikanaan mm. mittasi auringon halkaisijaa ja tarkkaili auringonpilkkuja. Hänen mukaansa nimetty satelliitti tutkii mm. auringon säteilyn määrää, spektristä irridanssia, (kuinka paljon säteilytehoa tulee tietylle pinta-alalle tietyllä aallonpituudella) sekä auringon halkaisijaa ja muotoa. Näiden vaihteluiden mittaamisesta saadaan tietoa auringon aktiivisuudesta. PICARDin tavoitteena onkin saada lisää tietoa aurinkomme toiminnasta ja sen aktiivisuuden vaikutuksista Maan ilmastoon. PICARD satelliitti kiertää 725 kilometrin korkeudella maasta. Se painaa 150 kg ja sen ulkomitat ovat 0,9x1,2x2,7 jolloin sen tilavuudeksi tulee vajaa kolme kuutiometriä. Sen tarkkuus on 36 kaarisekuntia ja massamuistia löytyy 8Gbit. Sen telemetria eli kyky siirtää tietoa maahan on 6Gbit/päivä. Satelliitin on tarkoitus olla toiminnassa vähintään kaksi vuotta. PICARD-satelliitissa on kolme instrumenttia, joita se käyttää tutkimuksissaan. Ne ovat SOVAP, SODISM ja PREMOS. Näistä SODISM on tehty Latmoksessa, josta sitä myös hallinnoidaan. Kuvasta selviää miten PICARDin instrumentit sijoittuvat. PGCU ohjaa instrumenttien toimintaa. 8

9 3.1 SODISM SODISM-instrumentin rakenne SODISM eli SOlar Diameter Image and Surface Mapper on ranskalaisen LATMOS-instituutin valmistama teleskooppi, jonka pääasiallisena tehtävänä on havainnoida Auringon ympärysmittaa, muotoa, säteilyn voimakkuutta ja sisustaa. SODISM on rakenteeltaan Ritchey-Chretien teleskooppi, jolla on painoa n. 27,5 kg, tehonkulutuksen ollessa 43,5 W. Tiedonsiirrossa SODISM pääsee noin 2,8 gigabittiin päivässä. Teleskoopin pääpeili on halkaisijaltaan 11 cm. Teleskooppiin kuuluu myös osana 2048x2048 pikselin CCD-kenno, jonka avulla SODISM havainnoi ja kuvaa aurinkoa. SODISMin ottamia kuvia tallennetaan joka sekunti. Ennen Maahan lähettämistä kuvia vielä käsitellään satelliitissa. SODISM keskittyy vain tiettyihin valon aallonpituuksiin, jotka vaihtelevat ultravioletin ja infrapunan välillä. Eri aallonpituusten avulla SODISM voi tehdä monipuolisia havaintoja Auringosta alla olevan taulukon mukaisesti. kuva on SODISMin ottama osittaisen auringonpimennyksen aikaan Aallonpituus (nm) 215 (ultravioletti) 393,37 (ultravioletti 535,7 (vihreä) 607 (oranssi) 782 (infrapuna) Tehtävä Auringon aktiivisuuden tarkkailu, halkaisijan mittaaminen Auringon aktiivisten alueiden tarkkailu Halkaisjan mittaaminen, Auringon toiminnan jaksollisuuden havannointi Halkaisjan mittaaminen Halkaisijan mittaaminen 9

10 Huomioitavaa on, että myös PREMOS-instrumentti havannoi 215nm, 535nm, 607nm ja 782nm aallonpituuksia. Tällöin näiden kahden instrumentin havaintojen vertailu on luontevaa. Laitteen rakentamiseen käytettiin uusinta teknologiaa mm. rakenteiden ja peilien osalta. Rakenteiden tuottaman vakauden ansiosta SODISM voi päästä Auringon havainnoinnissa muutamaa millikaarisekuntia vastaavaan tarkkuuteen. Näin saatua dataa voidaan hyödyntää nykypäivän lisäksi tulevaisuudessa tutkittaessa Auringon kehitystä. 3.2 SOVAP SOVAP (SOlar VAriability Picard) on Belgian STCE:n (Solar Terrestrial Center of Excellence) kehittämä koe CNRS:n (Centre National de la Recherche Scientifique) myötävaikutuksella. Se koostuu absoluuttisesta radiometristä, joka mittaa TSI:tä (Total Solar Irradiance, Auringon kokonaissäteilyvoimakkuus), ja bolometristä. Bolometri mittaa Auringon kokonaissäteilytehon muutosta, kun taas radiometri mittaa säteilytehon absoluuttisia arvoja. Yhdistettynä nämä mittaustulokset mahdollistavat Auringon kokonaissäteilytehon mittaamisen ajallisesti tarkemmin. Auringon säteilyvoimakkuuden jatkuva havainnointi suurimmalla mahdollisella tarkkuudella on tärkeä tavoite Maan ilmaston muuttumisen tutkimisen kannalta. Laitetta on käytetty vain PICARDissa ( ). Instrumentin tarkemmat tiedot Akronyymi Koko nimi Laitteen tyyppi Tarkoitus Lyhyt kuvaus Taustaa Skannaustekniikka Erotuskyky Kattavuus/sykli Massa Teho Tiedonsiirtonopeus SOVAP Solar Constat Variability, Picard Auringon säteilyvoimakkuuden monitori Auringon havainnointi, avaruuden sääilmiöt tarkkailee Maan kiertoradalta Differentiaalinen absoluuttinen aurinko radiometri (Differential absolute solar radiometer), joka siis mittaa Auringon absoluuttista säteilytehoa (2 onkaloa). Uusi kehitelmä Aurinkoon suuntaaminen N/A Lähes jatkuva aamunsarastus-iltahä- märä radalla (terminaattorilla). Se siis kiertää Maata pimeän ja valoisan puolen rajalla osoittaen jatkuvasti Aurinkoon päin (rata on aurinkosynkroninen eli ratatason kiertymä pysyy paikoillaan Aurinkoon nähden), radiometri mittaa arvoja kolmen minuutin väliajoin, bolometri 10s väliajoin. 11,5kg 10,5 W 40bps 10

11 Kaaviokuva SOVAP:ista SOVAP suunniteltiin ja kehitettiin IRMB:ssä (Institut Royal de Météorologie Belgique/ Meteorological Institute of Belgium) Brysselissä. Se on SOVA:n ja SOLCON:n perintöä, jotka ovat lentäneet kahdeksalla sukkulalennolla (EURECA, ) vuodesta 1983 vuoteen SOVAP on differentiaalinen absoluuttinen aurinko radiometri, jonka tavoitteena on mitata aurinkovakio ±0.1 % tarkkuudella. Aurinkovakio tarkoittaa auringon säteilytehon arvoa pinta-alayksikköä kohti ilmakehän ulkorajalla. Aurinkovakion arvo on maassa noin 1368 W/m². Instrumentti koostuu: Kahdesta onkalosta, toinen aktiivinen ja toista käytetään vertailukohteena, jotka on yhdistetty samaan lämpökaivoon lämpövuosensorien kautta. Nämä kaksi mustattua onkaloa on asennettu vierekkäin tavallisen jäähdytyslevyn päälle ja ne muodostavat SOVAP:n radiometrisen ytimen. Molempien onkaloiden ja jäähdytyslevyn väliin on asennettu lämpövuoanturi. Ero näiden kahden anturin ulostulojen välillä on lämmön erotus, jossa yleinen ympäröivä lämpö, jonka molemmat onkalot havaitsevat, poistetaan. Kahdesta sulkijasta, jotka joko päästävät Auringon säteilyä onkaloihin tai estävät sen kulun. Toimintaperiaate: Sähkövirtaa syötetään molempiin onkaloihin lämmön kalibrointiin (toinen onkalo lämmitetään suoraan Auringon säteilyllä ja toinen lämpenee Joule-efektin takia, mutta on suojattu Auringolta sulkijalla). Sähkövirta, jota syötetään aktiiviseen onkaloon, säädetään 11

12 siten, että saadaan terminen tasapaino vertailuonkalon kanssa. Aktiivinen onkalo absorboi Auringon energiaa, kun se avataan. Sen suljinta avataan ja suljetaan vuorotellen. Tarvittava sähköteho termisen tasapainon ylläpitämiseksi avatun vaiheen aikana on yhtä suuri kuin absorboidun aurinkoenergian määrä. Jaksollisesti vertailuonkaloa käytetään aktiivisena onkalona tarkistaakseen viimeksi käytetyn onkalon mahdollinen ikääntyminen. Tulokset, jotka liittyvät SOVAP:iin: SOVAP alkoi mitata hyvällä Aurinkoon suuntauksella lähtien. Alun perin oletusarvoiseksi jatkuvaksi lyhyen aikavälin TSI:n vaihtelun mittaustavaksi valittiin sulkimien avulla auki/kiinni-sarja oikeaa onkaloa pitkin. SOVAP:in mittaaman TSI:n vaihtelun arvoja arvioitiin vertaamalla niitä vanhemmalla DIARAD/VIRGO instrumentilla saatuihin arvoihin. DIARAD/VIRGO on mitannut SOHO-satelliitilla vuodesta 1996 lähtien. Tuloksena oli, että normaalin virhemarginaalin (±0,1W/m²) rajoissa SOVAP antaa samat tulokset TSI:n vaihtelulle kuin DIARAD/VIRGO. Myös alustavalla arvioinnilla uudella jatkuvasti auki olevalla oikean väylän mittaustavalla päästään hyvin samankaltaisiin tuloksiin DIARAD/VIRGO:n ja SOVAP:n välillä. 4. tammikuuta 2011 PICARD havaitsi Auringon osittaisen pimennyksen. Lennonaikaiset käyttöönotetut operaatiot päättyivät onnistuneesti 8. lokakuuta Järjestelmä todettiin valmiiksi aloittamaan toimintavaiheen lennonaikaisen käyttöönoton arvioinnin jälkeen heinäkuuta 2010: Ensimmäinen kuva Auringosta, jonka otti SODISM-instrumentti. Se on raakakuva, taso L0, näin saatu ennen kuvankäsittelyä, 607 nm aallonpituudella hyvin kapealla 0,5 nm leveydellä 12

13 3.3 PREMOS PREMOS-instrumentti ja sen rakenne PREMOS (PREcision MOnitoring Sensor) mittaa SOVAPin tavoin TSI:tä (Total Solar Irradiance). PREMOS koostuu absoluuttisesta differentiaali radiometristä (PM06), sekä radiometristä, joka puolestaan koostuu kolmesta identtisestä radiometristä, joilla valvotaan mahdollista hajontaa. Tällä radiometrillä on 5 spektrikanavaa, joille on jokaiselle määritetty tietty aallonpituus. PREMOS käyttää samaa periaatetta kuin SOVAP, mutta eroaa SOVAPista käyttötavassaan, jossa vain yksi sen viidestä spektrikanavasta altistetaan Auringolle. Kaksi kanavaa on määritetty UV-säteilylle (215nm ja 268nm), yksi näkyvälle valolle (535nm) ja kaksi lähes infrapunasäteilylle (607nm ja 782nm). Näitä mittauksia käytetään myös helioseismologisten havaintojen tekemiseen, sekä niitä rinnastetaan SODISMin tekemiin vastaavien aallonpituuksien tuloksiin. PREMOS-instrumentin mittausten perusteella halutaan selvittää mm. miten spektrin säteilyvoimakkuuden muutokset (erityisesti UVsäteilyn) vaikuttavat Maan ilmastoon, onko Auringon säteilyvoimakkuuden vaihtelujen teoreettinen tulkinta oikein, sekä toimittaa tarkkoja havaintoja Auringosta lähtöisin olevan spektrin säteilyvoimakkuudesta edistääkseen SODISMin tekemiä Auringon halkaisijan mittaustuloksia. PREMOSksen mittauksia käytetään yhdessä SOVAPin ja SODISMin mittauksien kanssa lähtökohtana GCM-simulaatioille, joilla voidaan tutkia miten maanpäällinen ilmakehä vastaa säteilyvoimakkuuden muutoksiin. Näiden kolmen instrumentin yhteinen käyttö varmistaa ja täsmentää nykyistä teoreettista ymmärrystä säteilyvoimakkuuden muutoksista. 13

14 4. Lopuksi Tutkielmamme pääaiheena oli PICARD- projekti, jossa satelliitilla mitataan auringon säteilyä, halkaisija ja muotoa. Näillä mittauksilla saadaan tietoa auringon aktiivisuudesta. PICARDin tavoitteena on saada lisää tietoa auringon toiminnasta ja sen aktiivisuuden vaikutuksista Maan ilmastoon. Apuna PICARD- satelliitissa on kolme instrumenttia: SOVAP, SODISM ja PREMOS. Näistä SODISM on tehty Pariisissa sijaitsevassa LATMOS- instituutissa. SOVAP mittaa auringon kokonaissäteilytehon muutoksia, mikä on tärkeää Maan ilmaston muuttumisen havainnoinnissa. SODISM on teleskooppi, joka havainnoi aurinkoa. Sen keräämää tietoa käytetään auringon tulevaa kehitystä tutkittaessa. PREMOS mittaa myös auringon säteilyn muutoksia, mutta eri tavalla kuin SOVAP. Sen tietoja käytetään selvittämään erityisesti UV-säteilyn vaikutuksia Maan ilmakehään. Kaikkien kolmen laitteen mittauksia käytetään lähtökohtana GCM- simulaatioille, joilla tutkitaan maanpäällisen ilmakehän reaktioita säteilyvoimakkuuden muutoksiin. Näiden kolmen instrumentin yhteinen käyttö varmistaa ja täsmentää nykyistä teoreettista ymmärrystä säteilyvoimakkuuden muutoksista. Toinen tutkielmamme osio koski aurinkotutkimusta. Aurinkoa tutkitaan havainnoimalla ja mittaamalla siitä lähtevän säteilyn voimakkuutta, kokoa, massaa, lämpötilaa ja kirkkautta, muun muassa satelliiteilla, teleskoopeilla ja luotaimilla ja sitä on eri muodoissa harrastettu jo muinaisen Egyptin aikana. Nykyaikainen aurinkotutkimus toimii lähinnä kaukoputkien avulla. Niitä on sijoitettu korkeille vuorille, jotta ilmakehän vaikutukset kuvan laatuun saataisiin minimoitua. Myös satelliitteja käytetään. Niissä on tiedonvälityslaitteiston lisäksi kameroita ja tieteellisiä mittauslaitteita, joilla Aurinkoa ja sen ominaisuuksia havainnoidaan. Tehdessämme tätä tutkielmaa opimme paljon uutta, niin aiheesta kuin toisistammekin. Toivottavasti tästä tutkielmasta on iloa kaikille. 14

15 LÄHTEET Kuvat Pariisista Maria Mäkinen, Kari Kääriäinen Polaris s htmlhttp:// Sodism: History-Solar-Activity-and-the-Sun-s-Effect-on-Humans SOVAP: PREMOS:

16 16