Domů » Projekty PECS » Astrofyzikální projekty » Bepi Colombo

Průběžná zpráva - 2008

Po, 2009-03-30 15:20, František Fárník

Zpráva o řešení projektu za období 1/2008 – 12/2008

Projekt č. 98044 :

Kalibrace a analýza dat elektronového spektrometru MEA pro projekt Bepi Colombo

Jana Šafránková
Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta

Úvod

      Bepi Kolombo je společný projekt výzkumu planety Merkur agentur ESA a JAXA, který se skládá ze dvou družic, a to MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter) ze strany Japonské kosmické agentury a MPO (Mercury Planetary Orbiter), jež připravuje Evropská kosmická agentura. Součástí MMo je elektronový spektrometr MEA. Úkolem řešeného projektu je podílet se na vývoji tohoto spektrometru.

Plán na období 1/2008 – 12/2008
     Cíle pro první etapu řešení projektu zahrnovaly jak technickou část (WP-1), která spočívala v přípravě kalibračního systému pro testování základních částí detektorového systému elektronového spektrometru MEA, tak část vědeckou (WP-2 až WP-5), kde byly úkoly rozsáhlejší a jsou popsány dále podrobněji.

Dosažené výsledky:
WP-1:  Kalibrační aparatura

     Konstrukce kalibrační aparatury byla plánována na první dva roky projektu a byla úspěšně dokončena koncem roku 2008. Zařízení sestává ze dvou vakuových komor, které byly vybaveny v průběhu roku 2008 čerpacími jednotkami, zakoupenými ESA. Velká komora (~ 80 l) byla použita pro vakuové zkoušky detektorů a související elektroniky, menší pomocná komora byla již během minulého roku vybavena heliovou UV lampou (22 eV) a elektronovým dělem (300 eV–5 keV). Dodání čerpacích jednotek umožnilo doplnění systému o iontový zdroj (500 eV–5 keV) a příslušné plynové hospodářství. Komora je nyní připravena pro testy materiálových vzorků.
Na pravé straně obr. 1 je velká vakuová komora se dvěma UHV jednotkami (turbomolekulární a iontová) a bezolejovou předvakuovou vývěvou. Pomocná komora na levém panelu je vybavena jak je popsáno výše.

        

Obr. 1. Fotografie vakuových komor.

WP-2 – WP-5: Vědecký program
      Výsledky projektu byly publikovány v 10 článcích v odborných časopisech, 3 příspěvcích ve sbornících konferencí a 19 příspěvcích na 6 mezinárodních konferencích. Jeden článek je v současné době v tisku. Všechny publikace jsou uvedeny v seznamu v konci zprávy. Protože jsou publikace volně přístupné, soustřeďuje se zpráva pouze na hlavní výsledky, a to zejména na takové, které byly prezentovány na konferencích a nebyly prozatím publikovány. Všechny tyto výsledky jsou ovšem velmi podnětné a budou po dalším doplnění předmětem časopiseckých publikací. Zpráva je rozdělena podle plánovaných vědeckých témat, ale položky 8 a 14 seznamu publikací nepatří do žádného z nich, ale přinášejí důležité výsledky spojené s projektem. Analýza dat v rámci projektu vyústila v návrh nové metody monitorování slunečního větru, publikované v 8. Článek 14 je v podstatě zprávou o postupu prací na celém systému MPPE, jehož součástí je i náš projekt.

WP-2: Nestability ve slunečním větru (články 2, 3, 7, 13, konferenční příspěvky 17, 22–24, 32)
      Systematické studium diskontinuity pozorované současně 4 družicemi Cluster a 5 družicemi Themis ukázalo, že čelo diskontinuity může být značně deformováno v oblasti rázové vlny a dále v přechodové oblasti. Schematicky je deformace ukázána na obr. 2.

Obr. 2. Ilustrace deformace čela meziplanetární rázové vlny pravděpodobně vlivem foreshocku. Pozice družic Cluster jsou označeny tečkami, šipky označují směry normál rázové vlny v místech pozorování družic a červená čára představuje deformaci čela rázové vlny.

      Tyto výsledky vedly k systematickému výzkumu nestabilit v přechodové oblasti. Na základě měření družic Cluster jsme určili jejich korelační délky. Korelační délky jsou řádu 1 RE, ale větší hodnoty jsou pozorovány na večerní straně, kde se převážně vyskytují nízkofrekvenční pomalé magnetozvukové vlny. Rychlé vlny, které jsou pravděpodobně generovány ve foreshoku, mají širší frekvenční spektrum a jejich korelační délka je kratší.

WP-3: Interakce nestabilit s rázovou vlnou (články 1, 4, 5, 12, konferenční příspěvky 15, 20, 26, 27, 30, 31)
       V této části jsme se soustředili na vlastní rázovou vlnu. Hlavním výsledkem je kvantifikace závislosti polohy a tvaru rázové vlny na sklonu zemského magnetického dipólu. Bylo ukázáno, že tvar je značně deformován v důsledku obdobné deformace magnetopauzy v oblasti kaspu. Deformace (prohloubení) může dosáhnout až 3 RE a jeho poloha se mění během dne a roku. Schematicky ukazuje tento výsledek obrázek 3. Studie naznačila, že tvar rázové vlny je pravděpodobně ještě komplikovanější, ale v současné době nejsou bohužel žádné družice na odpovídající dráze, aby mohla být databáze rozšířena a hypotéza verifikována.
Novým směrem byly vícebodové studie malých změn polohy rázové vlny využívající současné měření parametrů před i za rázovou vlnou. Bylo prokázáno, že tyto změny jsou způsobeny fluktuacemi v přechodové oblasti.

Obr. 3. Schématicky znázorněná deformace magnetopauzy a rázové vlny v oblasti nad kaspem.

WP-4: Procesy na magnetopauze (články 9, 11, konferenční příspěvky 16, 20, 25, 28-30, 33)
      Soustředili jsme se na magnetopauzu v nízkých geomagnetických šířkách (low-latitude boundary layer, LLBL), protože tato oblast zprostředkovává pravděpodobně přenos plazmatu do vnitřní magnetosféry. Prokázali jsme, že tloušťka této hraniční vrstvy je určována orientací meziplanetárního magnetického pole a je větší pro jeho severní směr. Tento fakt naznačuje, že hlavním zdrojem plazmatu v LLBL je přepojování magnetických polí za kaspem. Změnu tloušťky LLBL v závislosti na orientaci meziplanetárního magnetického pole demonstruje obrázek 4. Tyto a další výsledky se dočkaly ve vědecké komunitě značného uznání a byly předmětem dvou pozvaných přednášek na mezinárodních konferencích.
Velmi důležitý výsledek přináší článek 9, který ukazuje nadzvukové svazky plazmatu v přechodové oblasti směrované proti magnetopauze. Tyto svazky mají kinetickou energii dostatečnou k proniknutí přes magnetopauzu a jejich existence tedy znovu vrací do hry hypotézu impulsivní penetrace, která byla před několika lety opuštěna.

WP-5: Studium vnitřní magnetosféry (články 1, 6, 10, konferenční příspěvky 18, 19, 21)
       Zabývali jsme se dvěma problémy. Prvním z nich bylo studium toku plazmatu ve vysokém kaspu a podařilo se prokázat existenci vírových struktur vytvářených deformací magnetopauzy. Tyto struktury podstatně ovlivňují průchod plazmatu do kaspu. Toto plazma vytváří disperzní struktury, které byly použity ke studiu zdrojů plazmatu při různých orientacích magnetického pole.
Druhý směr výzkumu byl orientován na šíření poruch vytvářených meziplanetární rázovou vlnou ve vnitřní magnetosféře. Předchozí výsledky byly potvrzeny počítačovým modelem a statistickou studií, která ukázala, že rychlost šíření diskontinuit je určována rychlostí původní rázové vlny.

Obr. 4. Změny tloušťky LLBL se změnou meziplanetárního magnetického pole. Mezi žlutými čarami bylo pole orientováno severně, později pak jižně. LLBL je vyznačeno šrafovaním.

Seznam publikací :

A - Publikace v časopisech a sbornících konferencí

      Andreeova, K; Pulkkinen, TI; Laitinen, TV; Prech, L., Shock propagation in the magnetosphere: Observations and MHD simulations compared, J. Geophys. Res. 113 (A09): Art. No. A089224 (15 pages), 2008. doi:10.1029/2008JA013350

     Daum, P; Denton, MH; Wild, DA; Taylor, MGGT; Safrankova, J; Hayosh, M., A general Cluster data and global MHD simulation comparison, Ann. Geophys., 26 (11): 3411–3428, 2008.
      Gutynska, O; Safrankova, J; Nemecek, Z., Correlation length of magnetosheath fluctuations: Cluster statistics, Ann. Geophys., 26 (9): 2503–2513, 2008.
      Jelinek, K; Nemecek, Z; Safrankova, J., Small-scale deformation of the bow shock, Adv. Space Res., 41 (10): 1519–1527, 2008. doi:10.1016/j.asr.2007.04.050
     Jelinek, K; Nemecek, Z; Safrankova, J; Merka, J., Influence of the tilt angle on the bow shock shape and location, J. Geophys. Res., 113 (A05): Art. No. A05220 (8 pages), 2008.

doi:10.1029/2007JA012813

      Nemecek, Z; Safrankova, J., IMF control of the high-altitude cusp dynamics, Adv. Space Res., 41 (1): 92–102, 2008. doi:10.1016/j.asr.2007.07.038
      Prech, L; Nemecek,Z; Safrankova, J., Response of magnetospheric boundaries to the interplanetary shock: Themis contribution, Geophys. Res. Lett., 35: Art. No. L17S02 (6 pages), 2008. doi:10.1029/2008GL033593
      Safrankova, J; Nemecek, Z; Prech, L; Koval, A; Cermak, I; Beranek, M; Zastenker, G; Shevyrev, N; Chesalin, L., A new approach to solar wind monitoring, Adv. Space Res., 41 (1): 153–159, 2008. doi:10.1016/j.asr.2007.08.034
      Savin, S; Amata, E; Zelenyi, L; Budaev, V; Consolini, G; Treumann, R; Lucek, E; Safrankova, J; Nemecek, Z; Khotyaintsev, Y; Andre, M; Buechner, J; Alleyne, H; Song, P; Blecki, J; Rauch, JL; Romanov, S; Klimov, S; Skalsky, A., High kinetic energy jets in the Earth's magnetosheath: Implications for plasma dynamics and anomalous transport, Jetp Lett., 87 (11): 691–697, 2008.
      Tkachenko, O; Safrankova, J; Nemecek, Z; Simunek, J; Prech, L., Observations of vortex-like structure in the cusp-magnetosheath region during northward IMF orientation, Ann. Geophys., 26 (11): 3375–3387, 2008.
       Tkachenko, O., J. Šafránková, Z. Němeček, Dynamics of the LLBL thickness based on THEMIS, in WDS'08 Proceedings of Contributed Papers: Part II - Physics of Plasmas and Ionized Media (eds. J. Safrankova and J. Pavlu), 159-167, Prague, Matfyzpress, 2008.

ISBN: 978-80-7378-024-1.

       Jelinek, K., Z. Nemecek, J. Safrankova, Small-scale bow shock motion: Themis project, in WDS'08 Proceedings of Contributed Papers: Part II - Physics of Plasmas and Ionized Media (eds. J. Safrankova and J. Pavlu), Prague, Matfyzpress, pp. 143-150, 2008. ISBN: 978-80-7378-024-1.
       Gutynska, O., J. Šafránková and Z. Němeček, Statistical study of correlation length of magnetosheath fluctuations, in WDS'08 Proceedings of Contributed Papers: Part II - Physics of Plasmas and Ionized Media (eds. J. Safrankova and J. Pavlu), Prague, Matfyzpress, pp. 151-158, 2008. ISBN: 978-80-7378-024-1.
      Saito, Y., J.-A. Sauvaud, et al. (Z. Nemecek), Scientific objectives and instrumentation of Mercury plasma particle experiment (MPPE) onboard MMO, Planet. Space Sci., in print, 2008.

B - Příspěvky přednesené na mezinárodních konferencích

      Jelinek, K.; Nemecek, Z.; Safrankova, J., Study of the shape and motion of the bow shock: Themis contribution, European Geosciences Union General Assembly, Vienna, Austria, April 13-18, 2008.
       Tkachenko, O.; Safrankova, J.; Nemecek, Z., Determination of the LLBL thickness from THEMIS, European Geosciences Union General Assembly, Vienna, Austria, April 13-18, 2008.
      Gutynska, O.; Safrankova, J.; Nemecek, Z., Magnetosheath fluctuations: A comparison of low and high latitudes, European Geosciences Union General Assembly, Vienna, Austria, April 13-18, 2008.
      Andreeova, K., T.I. Pulkkinen, T.V. Laitinen, and L. Prech, Comparison of the observations and global MHD simulations of interplanetary shock propagation through the Earth’s magnetosphere, European Geosciences Union General Assembly, Vienna, Austria, April 13-18, 2008.
      Prech, L., J. Safrankova, Z. Nemecek, A.A. Samsonov, and K. Andreeova, Propagation of IP shocks in the geospace, European Geosciences Union General Assembly, Vienna, Austria, April 13-18, 2008.
      Safrankova, J., Z. Nemecek, A.A. Samsonov, J. Merka, A. Koval, Reaction of the bow shock and magnetopause on interplanetary shocks: Multipoint observations and MHD modeling, European Geosciences Union General Assembly, Vienna, Austria, April 13-18, 2008.
      Simunek, J., J. Safrankova, and Z. Nemecek, Sources of mixed cusp precipitation patterns at high altitudes, European Geosciences Union General Assembly, Vienna, Austria, April 13-18, 2008.
      Gutynska, O., Safrankova and Z. Nemecek, Correlation study of fluctuations of magnetosheath parameters, Isradynamics 2008: Dynamical Processes in Space Plasmas, Ein Bokek, Dead Sea, Israel, May 11-19, 2008.
      Nemecek, Z., J. Safrankova, A. Koval, J. Merka, Contribution of global MHD models to the study of the IP shock propagation, 37th COSPAR Scientific Assembly, Montréal, Canada, July 13-20, 2008.
     Safrankova, J., Z. Nemecek, L. Prech, A. Lynnyk, K. Jelínek, A. Samsonov, Interplanetary shocks and their interaction with surrounding environment, 37th COSPAR Scientific Assembly, Montréal, Canada, July 13-20, 2008.
      Tkachenko, J. Safrankova, Z. Nemecek, J. Simunek, L. Prech, Properties of the dayside LLBL: Themis observations, 37th COSPAR Scientific Assembly, Montréal, Canada, July 13-20, 2008.
      Jelinek, K.; Nemecek, Z.; Safrankova, J., Small changes of magnetopause and bow shock locations: Influence downstream conditions, 37th COSPAR Scientific Assembly, Montréal, Canada, July 13-20, 2008.
       Safrankova, J., Z. Nemecek, A. Koval, J. Merka, and L. Prech, MHD analysis of propagation of an interplanetary shock across magnetospheric boundaries, 2008 Western Pacific Geophysics Meeting, Cairns, Australia, July 29–-August 1, 2008.
       Nemecek, Z., O. Tkachenko, J. Safrankova, Formation of the dayside LLBL, 2008 Western Pacific Geophysics Meeting, Cairns, Australia, July 29–-August 1, 2008. (invited lecture)
      Nemecek, Z., O. Tkachenko, J. Safrankova, K. Jelinek, THEMIS: Structure and thickness of the LLBL, Cluster-Themis-2008 Meeting, Durham, NH, USA, September 23-26, 2008.
     Jelinek, K., Z. Nemecek, J. Safrankova, Themis: Small-scale magnetopause and bow shock motions, 2008 Huntsville Workshop: The Physical Processes for Energy and Plasma Transport across Magnetic Boundaries, Huntsville, Al, USA, October 26-31, 2008.
      Prech, L., Z. Nemecek, J. Safrankova, A.A. Samsonov, J. Merka, A. Koval, K. Andreeova, J.C. Kasper, Interaction of Interplanetary Shocks With the Earth’s Bow Shock, 2008 Huntsville Workshop: The Physical Processes for Energy and Plasma Transport across Magnetic Boundaries, Huntsville, Al, USA, October 26-31, 2008. (invited lecture)
       Safrankova, J., Z. Nemecek, O. Gutynska, Study of ion density and magnetic field magnetosheath fluctuations, 2008 Huntsville Workshop: The Physical Processes for Energy and Plasma Transport across Magnetic Boundaries, Huntsville, Al, USA, October 26-31, 2008. (invited lecture)
       Nemecek, Z., J. Safrankova, O. Tkachenko, S. Dusik, Differences in formation of the dayside and flank LLBL, 2008 Huntsville Workshop: The Physical Processes for Energy and Plasma Transport across Magnetic Boundaries, Huntsville, Al, USA, October 26-31, 2008. (invited lecture)