De hvite strekene viser banene til de elleve forskningsrakettene. De røde feltene er målinger fra bakken. Det blå feltet er den spesielle delen av atmosfæren som skal studeres.

Elleve raketter skal avsløre mysteriene i atmosfæren

Nå skal Oslo-forskere, sammen med NASA og det japanske romsenteret, avsløre fysikkens store mysterier i atmosfæren ved å skyte opp elleve raketter.

16.8 2017 04:00

Rett før påske dro en delegasjon fra Universitetet i Oslo til Tokyo i Japan for å undertegne en samarbeidsavtale med den amerikanske romfartsorganisasjonen NASA og den japanske søsterorganisasjonen JAXA. Målet deres er å forstå mer om hva som skjer når voldsomme solstormer treffer Jorda.

Det er riktignok velkjent, slik professor Kristian Birkeland påpekte allerede for over hundre år siden, at solstormene skaper de fantastiske nordlysshowene på Jorda. Det er i moderne tid også blitt godt kjent at solstormene skaper trøbbel for både satellitter og navigasjonssystemer.

Tross 30 års iherdige studier mangler forskerne fortsatt den grunnleggende kunnskapen som skal til for å forutsi når problemene oppstår. Den dagen de har skjønt dette, er det mulig å lage gode romværvarsler, akkurat som vi har værvarsling på landjorda i dag.

– Romværvarsling er viktig for å kunne forutsi når navigasjonssystemene og kommunikasjonen med satellittene ikke virker som forventet, sier professor Jøran Moen på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo. Han regnes som en av verdens fremste romfysikere og som en av etterfølgerne til Kristian Birkeland.

Ønsket om bedre romværvarsling er den viktigste årsaken til at NASA og JAXA er med på dette forskningssamarbeidet.

– Norge har verdens ledende eksperter på dette feltet, med mange tiårs erfaring. Samarbeidet gir oss en helt ny innsikt i hvordan den øvre delen av atmosfæren omformer energien fra solen. Det viktigste for oss er å forbedre forståelsen av vår mulighet til å forstå hvordan det er mulig å forutsi romværet, men det tar vanligvis flere år fra vi oppdager og forstår observasjonene våre, til vi kan bruke dem og forbedre romværvarslingsmodellene, poengterer romforsker Douglas E. Rowland i NASA.

– Historisk

Samarbeidet kalles Grand Challenge Initiative (GCI) Cusp og ledes av Jøran Moen ved UiO og Kolbjørn Blix på Andøya Space Center.

I løpet av de neste to årene skal det internasjonale teamet skyte opp elleve raketter over Svalbard, både fra Andøya, ytterst i Vesterålen i Nordland og fra Ny-Ålesund, helt vest på Svalbard.

Dette er tidenes største forsøk med forskningsraketter.

– Vi vil forsøke å skyte opp fire av rakettene samtidig. Det er aldri blitt gjort før. Dette er historisk, påpeker Jøran Moen.


Ole Jørgen Lønne fra Universitetssenteret på Svalbard, direktør Saku Tsuneta i den japanske romfartsorganisasjonen JAXA, sjefsforsker Elsayed Talaat fra NASA og daværende rektor Ole Petter Ottersen fra UiO undertegnet rakettavtalen i Tokyo i begynnelsen av april. (Foto: Yngve Vogt)

– De fire parallelle rakettene er viktige for oss.  Med dem kan vi få langt bedre vitenskapelige resultater enn om vi bare hadde skutt opp én rakett om gangen, poengterer professor Yoshifumi Saito i den japanske romfartsorganisasjonen JAXA.

Av de elleve rakettene er ni fra NASA. De blir skipet fra NASA-hovedkvarteret i USA til romsenteret på Andøya. Noen av dem skal fraktes videre til Svalbard.

– Dette er det amerikanske romsenterets største forsendelse av raketter til utlandet noen gang.

Rakettene koster rundt 400 millioner kroner. De største rakettene er 21 meter høye og veier seks tonn, forteller Kolbjørn Blix.

UiO skal bygge én av rakettene. Den blir satt sammen på romsenteret på Andøya. Byggetiden er ett år. Hvis alt går som planlagt, blir raketten skutt opp fra Ny-Ålesund i januar 2019.

– Den norske raketten vil koste rundt 15 millioner kroner, sier Kolbjørn Blix. Instrumentene koster ekstra.

Mysteriet langt oppe i atmosfæren

Rakettene, som er fullspekket av måleinstrumenter, skal avsløre mysteriene i den øvre atmosfæren. Denne delen av atmosfæren kalles for ionosfæren og befinner seg 80 til 800 kilometer over bakken. Gassen er elektrisk ladd og kalles plasma. Ionosfæren er viktig i radiokommunikasjon fordi den reflekterer radiobølgene tilbake til Jorda.

Solstormene består av elektrisk ladde partikler. De trekkes mot de magnetiske feltene i ionosfæren rundt polområdene på Jorda. Det er forklaringen på at nordlys bare kan observeres langt mot nord eller langt mot sør.


Kolbjørn Blix fra Andøya Space Center er ansvarlig for rakettene. (Foto: Yngve Vogt)

– Svalbard er det beste stedet i verden for å observere hvordan solvinden kobler seg på Jordas magnetfelt, påpeker Jøran Moen.

I desember og januar er det bekmørkt på Svalbard. Da er det mulig å observere fenomenet med optiske kameraer fra Kjell Henriksen-laboratoriet utenfor Longyearbyen. Forskerne benytter seg også av radarstasjonen Eiscat noen hundre meter bortenfor. Uten disse to høyteknologiske anleggene vil det ikke vært mulig å vite når det er lurest å skyte opp rakettene.

Turbulent kaos

Når solstormene treffer Jorda, dannes det turbulens i ionosfæren. Det forstyrrer både navigasjonen på Jorda og radiosignalene med flyene. I dag er turbulens et av de siste store, uløste problemene i klassisk fysikk. Fysikerne håper at rakettene skal gjøre det mulig å avsløre den eksakte beskrivelsen av turbulens.

– Uten denne forståelsen av turbulens er det ikke mulig å gjøre de beregningene som skal til for å kunne forhåndsvarsle alvorlige romværsituasjoner.

Alle de elleve rakettene skal brukes til vitenskapelige målinger i et område i den øvre delen av jordatmosfæren som kalles for CUSP.

Det er i nettopp dette området at dagnordlyset inntreffer. Her oppstår det en rekke merkelige og uforklarlige fenomener.

For å forstå problemstillingen må du først skjønne forskjellen på nattnordlys og dagnordlys.

Dagnordlyset er kort fortalt det nordlyset som oppstår når de magnetiske solstormene treffer Jorda forfra, altså på den siden av Jorda som vender mot sola. Dagnordlyset skjer minst 200 kilometer over bakken.

Når de magnetisk ladde partiklene i solstormene passerer Jorda, vil de hekte seg på magnetfeltet på Jordas bakside. På grunn av den enorme hastigheten til solstormene, som på det mest intense kan bli på over tre millioner kilometer i timen, vil magnetfeltet strekkes ut som en «strikk».

Når «strikken» er spent maksimalt, slår den tilbake med enorm energi mot Jorda og trenger dypt inn i atmosfæren og så langt ned som hundre kilometer over bakken. Her oppstår nattnordlyset.

Det er forklaringene på at nordlyset er mye kraftigere og langt mer spektakulært enn dagnordlyset.

– Nattnordlyset kan faktisk bli ti til hundre ganger sterkere enn dagnordlyset.

Nattnordlyset er kraftigst på sytti grader nord, altså på samme breddegrad som Tromsø. Dagnordlyset sees best på åtti grader nord, på samme breddegrad som Svalbard.

Gigantisk luftfontene

Solstormene skaper ikke bare turbulens og forstyrrelser i atmosfæren. Atmosfæren blir også varmet opp.

Som alle husker fra fysikktimen, trenger varm luft mer plass enn kald luft.

Ettersom nattnordlyset oppstår dypt nede i atmosfæren, vil trykket fra luften ovenpå holde den oppvarmete luften på plass – akkurat som i en trykkoker.

I de høye områdene, der dagnordlyset varmer opp atmosfæren, er det intet som hindrer at den oppvarmete luften presses til værs.

Det viser seg at dagnordlyset danner en gigantisk luftfontene. Denne fontenen er 50 000 kilometer høy og pumper ut så mye som 300 tonn oksygen i døgnet.

Selv om det er helt logisk at luften stiger til værs, har forskerne ennå ikke skjønt hvordan energien i luftpumpen kan bli så kraftig at luftmolekylene unnslipper Jordas gravitasjonsfelt og forsvinner ut i universet.


Jøran Moen er den vitenskapelige lederen av det store rakettsamarbeidet. (Foto: Yngve Vogt)

– Et eller annet sted i luftfontenen skjer det en energitransformasjon – som gjør at hastigheten på luftpartiklene øker, men vi vet fortsatt ikke hvorfor det skjer. Vi vet bare at det skjer minst 600 kilometer over bakken og at det er snakk om bølgeenergi.

For å unnslippe Jorda må luftpartiklene akselereres opp til en hastighet på elleve kilometer i sekundet. Det er mye.

Det merkelige fysiske fenomenet kan ikke undersøkes med radarmålinger verken fra bakken eller fra satellitter.

– Det er bare rakettene som kan gi oss svaret på hva akselerasjonen skyldes.

Luftfontenen har ikke bare en teoretisk interesse for fysikere.

– Selv om det ikke merkes på bakken at atmosfæren utvider seg, vil luftmotstanden fra luftfontenene bremse opp satellittene. Da detter satellittene ned i bane. Satellittene må derfor ha drivstoff for å øke farten igjen. I dag finnes det ingen modeller som kan forutsi når dette skjer. Med gode romværvarsler kan levetiden på satellittene forlenges, påpeker Jøran Moen.

De fleste satellittene svever i 400 til 600 kilometers høyde. Selv de satellittene som er 800 kilometer over bakken, blir påvirket av luftfontenen.

– Jo lavere satellittbaner, desto større bremseeffekt har luftfontenen.

Rakettene utfyller hverandre

Den japanske romfartsorganisasjonen JAXA skal sende opp den første raketten allerede i desember.

– Denne raketten skal undersøke hvilke energibølger som forårsaker luftfontenen, men den gir oss høyst sannsynlig ingen nye forskningsresultater. Raketten skal derimot brukes som en «magnet» til å få flere forskere interessert i problematikken. Vi regner også med at de japanske observasjonene vil føre til enda flere spørsmål.

Alle som har speidet etter nordlys, vet at det vakre fenomenet er ustabilt og stadig skifter plassering.


Yoshifumi Saito, professor på JAXA. JAXA skyter opp den første raketten. (Foto: Yngve Vogt)

– Den viktigste øvelsen med den japanske raketten er å lære hvordan fenomenet kan treffes sikrest mulig. Det er viktig når forskerne skal skyte opp fire parallelle raketter.

Det er nettopp det som er det store. Frem til i dag har romfysikerne skutt opp bare én forskningsrakett om gangen. Denne metoden har en stor svakhet. Da får forskerne målinger bare langs én linje.

To av de fire samtidige rakettene skal skytes opp fra Andøya. De to andre skal skytes opp fra Ny-Ålesund. Ettersom de fire rakettene helst skal skytes opp samtidig, trenger forskerne flere utskytningsramper. Uten en ekstra rampe på Ny-Ålesund til 30 millioner kroner kommer de ikke i mål.

– De fire parallelle oppskytningene vil kreve førti til femti mann på bakken, forteller Kolbjørn Blix.

Rakettene skal skytes gjennom luftfontenen i ulike høyder.

– Rakettene skal se på energioverføringen, både på hvor mye energi som kommer inn, og hvilken form energien har og hvorfor luften akselererer oppover, forklarer Moen.

Det er ikke bare satellitteierne som får glede av den nye kunnskapen.

– Den nye kunnskapen er viktig for å forstå hvordan magnetfeltet på Jorda beskytter oss. Når vi har skjønt hvordan solstormene presser vekk oksygen fra Jorda, kan vi også forstå hvordan andre planeter opprettholder eller mister atmosfæren sin.

3D-målinger

Forskerne skal også skyte ut en rakett med tolv «døtre». Disse «døtrene» vil bevege seg parallelt med raketten. Da kan forskerne for første gang få tredimensjonale målinger fra ionosfæren.

– 3D-målinger er helt nødvendige for å kunne skjelne mellom de fysiske fenomenene i plasmaen, sier Moen.

Den ene raketten er en norsk-amerikansk studentrakett.

– Her kan studentene lære om hvordan de kan lage elektroniske instrumenter som fungerer og tåler de enorme belastningene i en rakett.


Elsayed Talaat, sjefsforskeren fra NASA. NASA bidrar med ni raketter. (Foto: Yngve Vogt)

Når rakettene skytes opp, blir store deler av luftrommet stengt.

– Noen av rakettene skal opp i tusen kilometers høyde. Det er tre ganger høyere enn den internasjonale romstasjonen. Etter 24 minutter stuper rakettene gjennom isen nord for Svalbard, forteller Kolbjørn Blix.

Deler på alle data

Før var det slik at alle nordlysforskere satt og ruget på sine egne data. Nå skal dataene fra alle rakettene lagres i en felles database på Svalbard.

– Hvis det skulle gå galt med en av rakettene, vil vi kunne forske videre på dataene fra de andre rakettene.

Formatet på dataene er standardisert, slik at det skal bli lett å sammenligne og dele data.

– Jeg ønsker at så mange som mulig vil analysere dataene av de samme fenomenene, slik at vi kommer videre, poengterer Jøran Moen.

Annonse

I samarbeid med forskningsmagasinet Apollon