Stikker nåler i elektriske skyer

Nordlysraketter måler elektriske strømmer høyt oppe, strømmer som forstyrrer GPS. Nålesonden i raketten kan gi bedre romværvarsel og tryggere navigasjon i nord.

Publisert

I disse dager klargjøres en rundt ni meter høy totrinns rakett på Andøya rakettskytefelt. Ni meter høres ikke mye ut, men raketten har et viktig oppdrag foran seg: Den skal 350 kilometer opp, høyt over grensen mot verdensrommet, opp dit hvor himmelen er svart midt på lyse dagen, og jorda er en havblå krumning.

Raketten ICI-4 skal faktisk nesten like høyt opp som den internasjonale romstasjonen. Der oppe skal den stikke nåler inn i en sky av elektroner, for å måle de elektriske strømmene inne i skyen. Så faller den tilbake til jorden i en bue.

– Raketten er forsinket på grunn av problemer med en ny brasiliansk rakettmotor, forteller Jøran Moen. ­

– Denne rakettypen hadde et havari med en australsk nyttelast i 2013. En produksjonssvakhet ble avdekket.. Den måtte derfor godkjennes på nytt, fortsetter han.

Elektriske stormvinder

Jøran Moen leder Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo, og står også i spissen for nålemålingene av elektronskyene. Hvorfor er han så interessert i dem?

Å finne ut hvordan elektriske stormvinder fra sola flerrer opp jordas magnetfelt og får nordlyset til å bølge som kosmisk morild over arktisk himmel, er spennende i seg selv.  

Elektronskyene dannes når sola lyser på de øvre lagene av atmosfæren på dagsiden av jorda. Den elektrisk ladede solvinden presser magnetfeltlinjene til jorda over mot nattsida, og elektronskyene (røde på illustrasjonen) følger med magnetlinjene. (Foto: (Bilde: Arnfinn Christensen, forskning.no))
Elektronskyene dannes når sola lyser på de øvre lagene av atmosfæren på dagsiden av jorda. Den elektrisk ladede solvinden presser magnetfeltlinjene til jorda over mot nattsida, og elektronskyene (røde på illustrasjonen) følger med magnetlinjene. (Foto: (Bilde: Arnfinn Christensen, forskning.no))

Like spennende er det å forstå hvordan ionosfæren bølger fram og tilbake, mer enn 90 kilometer over bakken. På dagsiden av jordkloden blir tynne flor av oksygenatomer elektrisk ladet av sinte stråler fra sola: Røntgenstråler og ultrafiolette stråler.

Solvinden blåser magnetfeltet til jorda over mot nattsida. Ionosfæren følger med: Elektriske skyer i svære strømvirvler over polkalotten. Animasjonen øverst forklarer mer om skyene.

Fra velsignelse til forbannelse

I radioens barndom var disse skyene til stor hjelp. Stemmer og musikk fra fjerne radiostasjoner ble speilet tilbake fra ionosfæren, slik at nordmenn i hus og hytte kunne lytte til fjerne verdensdeler.

Men internett har tatt over for kortbølgelytting, og i dag er ikke ionosfæren noen velsignelse for radiobølgene lenger. Snarere tvert imot.

Høyt oppe over hodene våre sirkler nemlig GPS-satellittene. De sender ut radiosignaler som lar oss navigere med mobilen.

Men noen ganger glir elektronskyene foran satellittene. De sprer GPS-signalene. Dermed tar signalene omveier ned til mottakerne. Omveiene gir ørsmå forsinkelser. I GPS betyr tida alt. Hvis tida på signalene er feil, blir posisjonen på mobilen også feil.

GPS blir livsviktig i nord

Det betyr kanskje ikke så mye når du er på en fjelltur at den røde prikken på kartet viser noen hundre meter feil. Men hvis du er skipper på en tankbåt nær en boreplattform, eller en pilot under innflygning, kan feilen bli kritisk.

­­– Vi blir mer og mer avhengig av nøyaktig satellittnavigasjon, påpeker Moen. – Nye innflygningssystemer tar i bruk satellittnavigasjon.

– Tankbåter som legger til ved oljeplattformer, bruker GPS til å manøvrere med en nøyaktighet ned til en meter. Hvis de mister sikker posisjonsbestemmelse, sier sikkerhetsforskriftene at de må avbryte dokkingen i løpet av ti sekunder.

– Veivesenet bruker også GPS i tett snødrev, når brøytebilene ikke kan se veien, sier Moen.





Her forklares hvordan elektronskyene oppstår og kartlegges. Instrumentene i CubeStar-satellitten som beskrives, er av samme type som i ICI-4-raketten som nå skal opp fra Andøya.

Romværvarsel

Hvordan skal brukere med så strenge krav kunne vite at GPS-signalene er riktige? I dag får de opplysninger om dette fra Statens kartverk.

Kartverket har nemlig GPS-mottakere plassert rundt i Norge, på kjente steder. Hvis avlesningene fra dem ikke stemmer med den kjente posisjonen, går et nøyaktighetsvarsel.

Men dette varselet er et nåtidsvarsel for fastlands-Norge. Det finnes ikke noe tilsvarende for Svalbard og de norske havområdene.

Det Jøran Moen og kollegene hans ønsker å lage, er et framtidsvarsel. Han ønsker å gjøre det samme for elektronskyene og romværet som meteorologene gjør for været nede i lufthavet.

Trenger nøyaktige målinger

Forskningsrakett skytes opp fra Andøya rakettskytefelt. (Foto: Terje Mortensen, NTB Scanpix)
Forskningsrakett skytes opp fra Andøya rakettskytefelt. (Foto: Terje Mortensen, NTB Scanpix)

Da må forskerne vite hva som skjer der oppe hvor elektronskyene dannes. Det er flere måter å finne ut det på.

Én måte er å rette kameraer mot nattehimmelen. Elektronskyene lyser nemlig. Kameraene dekker himmelen fra horisont til horisont. Slike kameraer står blant annet på Kjell Henriksen Observatoriet på Svalbard, og i Skibotn i Troms.

– Men elektronskyene lyser veldig svakt, som regel svakere enn hva øyet kan se. Dessuten blir det ofte overstrålt av det mye kraftigere nordlyset, forteller Moen.

En annen måte er å skyte radarsignaler opp mot elektronskyene. Slike EISCAT-radarer finnes blant annet øst for Tromsø, i Kiruna og i Longyearbyen.

– Både kamerabildene og radarbildene gir et grovt bilde av elektronskyene. Hvis vi skal klare å varsle dem på forhånd, trenger vi å studere dem i detalj. Det kan vi bare få til ved å sende måleinstrumenter inn i elektronskyene, sier Moen.

Måler med nåler

Nålene som skal stikkes inn i skyene, er egentlig en slags strømmålere. De måler ørsmå spenningsforskjeller mellom nåla og de elektriske skyene.

Målingene gjøres ved at den elektriske spenningen i nåla sveiper fra null til maks mange ganger i sekundet.

For hvert sveip vil strømmen gjennom nåla fortelle om hvor sterk elektrisk ladning skyen har. Den vil også fortelle om tettheten til ladningene.

­– Siden nålene gjør målinger mange ganger i sekundet, får vi svært detaljerte opplysninger om hvordan elektronskyene er bygget opp, meter for meter, sier Moen.

Slike nærbilder av elektronskyenes indre kan så kombineres med oversiktsbilder fra EISCAT-radarene og andre kilder.

– Når vi forstår koblingene mellom storskala og småskala i skyene, kan vi lage mer pålitelige modeller. Disse kan brukes til å forutsi bevegelsene til elektronskyene, og lage bedre romværvarsler, sier Moen.

Få minutters varsel

I forkant av oppskytningsvinduet de neste to ukene er Moen like spent på det vanlige værvarselet. Vinden må løye for at raketten skal komme seg trygt opp. Men det er mer som må klaffe.

Den norske sonderaketten ICI-4 skytes opp mellom 9. til 22. februar 2015 fra Andøya, og skal forske på romvær. (Foto: (Illustrasjon: Trond Abrahamsen/Andøya Space Center))
Den norske sonderaketten ICI-4 skytes opp mellom 9. til 22. februar 2015 fra Andøya, og skal forske på romvær. (Foto: (Illustrasjon: Trond Abrahamsen/Andøya Space Center))

–Vi må treffe en elektronsky presis, idet den glir inn mot Andøya. Det er ikke lett. Vi har kanskje bare ti minutter på oss til å få raketten opp, sier Moen.

For å finne det beste tidspunktet, bruker forskerne forskjellige instrumenter, både kameraer som dekker hele himmelen og EISCAT-radarene. Men noen ganger kan instrumentene få hjelp av god gammeldags intuisjon og flaks.

Som da forrige oppskytning mot elektronskyene gikk opp fra Ny-Ålesund på Svalbard 3. desember 2011.

–Vi skjøt på magefølelse, og traff akkurat, forteller Moen. –Det var fantastisk spennende. Aldri har champagne smakt så bra.

Lenker:

Facebookside for ICI-4

Andøya rakettskytefelt (engelskspråklige sider)

Informasjon fra Fysisk institutt, Universitetet i Oslo

Informasjon fra Norsk romsenter