ELF-VLF hullámjelenségek

Kutatócsoportunk bő ötven éve, megalakulásától foglalkozik elektromágneses hullámok vizsgálatával, kiemelten a Föld körüli térség (ionoszféra, plazmaszféra, magnetoszféra stb.) mágneses térrel átjárt, anizotróp plazma környezetében keletkező, vagy ott terjedő és kölcsönható elektromágneses emissziókkal. Elsőként a földfelszínen is mérhető whistlerek kutatása kezdődött meg, majd műholdas kísérletekben részvétellel és az AWDANet globális plazmaszféra monitoring mérőhálózat kiépítésével az ELF-VLF (~10 Hz-100 kHz ) sávú elektromágneses hullámok széles csoportja került a vizsgált jelenségek körébe. A plazmakörnyezet dinamikájában szerepet kapó hullámjelenségek, összetartozó folyamatok együttes értelmezése az űr-időjárási vizsgálatok részét képezik. A regisztrált jelformák tudományos kiértékeléséhez, az értelmezéshez ezzel párhuzamosan folyt és folyik ma is az elméleti hullámterjedési megoldások és jelfeldolgozó algoritmusok fejlesztése.

Whistlerek

A whistlerek villámok keltette elektromágneses impulzusok, melyek az ionoszférán átjutva a belső magnetoszférában domináns szerephez jutó mágneses tér erővonalai mentén, egyik féltekéről a másikra terjedhetnek, és a konjugált oldalon a felszínen mint ú.n. egyugrású whistlerek rögzíthetők. A whistler név az impulzus alacsony frekvenciájú, hangfrekvenciás sávba eső jelrészéről kapta a nevét, mert a villamos jelforma mélyülő, 'füttyszerű' hangként hallható audio eszközön lejátszva. A plazmában terjedés során a villámok impulzusa széles frekvencia-átfogású (ultra wide band, UWB), pár 10 μsec hosszúságú alakja megváltozik: a diszperzív közegben terjedve időben változó frekvenciájú, elnyúlt jellé torzul. A whistlerek jelalakja, és idő-frekvencia diagramon (dimanikus spektrum) látható jellegzetes képe a terjedés során a közeg hatását tükrözi, abból a közeg (plazmasűrűség) és a mágneses tér jellemzőit tudjuk meghatározni a terjedési út mentén. Emiatt a whistlerek a plazmaszféra kis energájú plazmaközegének elsődleges monitorozó eszközei. A whistlerek mint nagy intenzitású, plazmában terjedő VLF sávú elektromágneses jelek kiemelt szerepet játszanak a relativisztikus energiájú részecskékkel kitöltött sugárzási övek dinamikai, feltöltési és veszteségi folyamataiban (plazma fűtése, részecskék légkörbe kiszórása hullám-részecske kölcsönhatás révén). Whistlereket tömegesen rögzíthetünk műhold fedélzetén (ú.n. töredék-whistlerek), ekkor a jelalak műhold helyzete szerint akár csak néhány száz, vagy több ezer km plazmában terjedés hatását hordozza.

Kórusok

A koherens kórus emissziók tipikusan növekvő/csökkenő frekvencia menetű elektromágneses hullámok, amelyek 0.1 és 0.8 fce (girofrekvencia) frekvencia tartományban talalhatóak, de 0.5 fce-nél szakadással (Burtis & Helliwell, 1969; Koons & Roeder, 1990; Santolík et al., 2003; Sazhin & Hayakawa, 1992). Ezek a jelek általában geomágneses viharok alkalmával a mágneses egyenlítőhöz közel keletkeznek alacsony sűrűségű plazmában, a plazmapauza külső felületén. A tudomány jelen állása szerint keletkezésüket a plazmalepelből beáramló, anizotróp eloszlású energikus részecskékkel (néhány keV- 100 keV) való hullám-részecske kölcsönhatás gerjeszti (Anderson & Maeda, 1977; Kennel & Petschek, 1966; Li et al., 2013; LeDocq et al., 1998; Meredith et al., 2001; Omura et al., 2009; Santolík et al., 2010; Spasojevic, 2014). Ez a veszteségi szög szerint anizotróp plazma (forrás populációnak is nevezi az irodalom: Jaynes et al., 2015) látja el friss energiával a kórus hullámok gerjesztését (Thorne et al., 2013, és hivatkozásai), majd a folyamat végén már izotróp veszteségi szög eloszlást tapasztalhatunk a kölcsönhatási energia tartományában. A kórus hullámok iránti érdeklődés megnőtt mióta szerepe bebizonyosodott mind a MeV nagyságú sugárzási öv részecsckék gerjesztésében (Horne & Thorne, 1998; Summers et al., 1998, 2002; Li et al., 2014; Reeves et al., 2013; Thorne et al., 2013), mind az elektronok atmoszférabeli veszteségi szög kiszóródásában (Chum et al., 2007; Katoh & Omura, 2007a, 2007b; Kennel & Petschek, 1966; Kennel & Thorne, 1967; Nunn et al., 1997; Omura et al., 2008; Tsurutani & Smith, 1974).

A kórus hullámok gerjesztésének leírására Omura et al. (2008) és Omura and Nunn (2011) a nemlineáris hullám-részecske kölcsönhatás modelljét javasolta. Feltételezéseik szerint az anizotróp részecske környezet okozta lineáris instabilitás és inkoherens hullám gerjesztés szolgál indító jelként a nemlineáris szakasz elindulásához. Ezenkívül le tudták írni a kapcsolatot a kórusok mérhető tulajdonságai (frekvencia növekedési ráta, az optimális hullámamplitúdó és a küszöb amplitúdó) és a kölcsönhatásban résztvevő plazma több paramétere (energikus elektron sűrűség, termális sebességek) között. Az elmélet felfedi a frekvencia növekedési ráta és a hullám amplitúdó között fennálló összefüggést a keletkezési régióban. Az ezután következő erővonallal közel párhuzamos terjedés során a hullám amplitudója konvektív növekedésbe kezd a mágneses tér változása miatt, azonban a frekvencia növekedési rátát a már jól ismert előmágnesezett, hideg plazmabeli terjedés változtatja meg. A kórusok 0.5 fce közeli szünetét Hsieh & Omura (2018) az enyhe ferde terjedés során létrejövő nemlineáris Landau csillapodással magyarázza. A fentebb említett tulajdonságok alapján az AWDANet csapata belekezdett a földön detektálható kórusok felhaszálásával történő egyenlítői energikus részecske (forrsá populáció) megfigyelő módszer kidolgozásához. Ez a kutatás két részből áll: 1) A keletkezési régióban, műholdas kórus mérésből származtatott és szintén műholdas részecske mérésből számított plazma tulajdonságok összehasonlítása, felhaszálhatóságának vizsgálata (Juhasz et al. 2019); 2) Az erővonalmenti terjedés hatásának vizsgálata.

Mesterséges VLF jelforrások

A földi plazmakörnyezetben terjedő, ULF-VHF sávokat átfedő természetes gerjesztésű hullámjelenségek széles csoportja mellett mesterséges keltésű hullámformákat is rögzítenek műholdas fedélzeti mérések és földi állomások. E jelek forrásai döntően haditengerészeti, navigációs és komminkációs céllal üzemeltet VLF jeladók, a kisugárzott jelek a jellemzően nagy adóteljesítmény (50kW - 2MW) és ismert vivőjel frekvencia miatt jól azonosíthatók, a stabil amplitúdó- és fázismenet alapján többbrétű kutatási célra eredményesen felhasználhatók.

A Föld-ionoszféra hullámvezetőben terjedő keskenysávú, mesterséges VLF jeleken érzékeny perturbációként mutatkoznak az alsó ionoszféra, mezoszféra tranziens változásai, amik a hullámvezetőt torzítják az adó-vevő terjedési út mentén, így e jelek vétele és értelmezése hatékony, akár egyedüli eszköz ilyen hatások globális nyomon követésére. Keskenysávú VLF mérőhálózat adatain általunk vizsgált jelenségek, pl.: napszak szerinti determinisztikus változások szezonális, évtizedes menete (globális változások), Nap-aktivitáshoz köthető gyors hatások (flare okozta megnövekedett ionizáció az alsó ionoszférában: solar flare effect, SFE, magnetoszférába jutott energikus részecskeáram ütközéses ionizációja a sarki sapka területén: solar proton event, SPE), sugárzási övek elsődleges veszteségi folyamataként tartott relativisztikus részecske kiszórások hullám-részecske kölcsönhatás következtében (űr-időjárás), felhő-ionoszféra kisülések okozta tranziens ionizáció (red sprite, blue jet, légköri elektromosság jelenségköre).