ELF-VLF hullámkísérletek űreszközön és Földön

Műholdas, fedélzeti programok

Az ELTE Űrkutató Csoport kutatói a '60-as évek második felétől részt vesznek a földi plazmakörnyezet feltárását célzó műholdas elektromágneses hullámkísérletekben és adatgyűjtésben saját fejlesztésű fedélzeti mérőeszközökkel, valamint a fedélzeti regisztrátumok tudományos értelmezésében, modellalkotásban. A műholdas hullámkísérleteket kezdetektől kiegészíti a vizsgált e.m. hullámjelenségek földfelszíni regisztrálása is. A jelenségek azonosítása és értelmezése döntően saját fejlesztésű digitális jelfeldolgozási eljárásokra, hullámterjedési leírásokra támaszkodik. A természetes, vagy mesterséges ELF-VLF jelek nagy pontosságú vizsgálata a jel forrásáról (gerjesztés), a terjedés közegéről (jellemzően mágneses térrel átjárt ionozált gáz: anizotróp plazma), illetve sokrétű jel-közeg kölcsönhatásról szolgáltat alapvető ismeretet. Ez utóbbi a ma kiemelt fontosságú jelenségkörként vizsgált űr-időjárás folyamatainak fizikai képét pontosítja.

Az Interkozmosz programban repült IK-10 műholdon 1974. dec. 23-án rögzített VLF jelek, villám keltette és a földi plazmakörnyezetben a műholdig terjedt ú.n. whistlerek dinamikus spektruma archív szonogramon. Az analóg rögzítésű jeleken a frekvencia-idő pontok kézi kiolvasását és elemzését Tarcsai György, a kutatócsoport egyik alapító fiatal kutatója végezte.

A hazai űrkutató intézmények tudományos eredményei, több sikeres fedélzeti elektronika fejlesztés (pl. a Ferencz Csaba által a BME-n kifejlesztett mikrometeorit detektor egység, ami az IK-12 műholdon első magyar műholdfedélzeti elektronikus műszerként repült 1975-ben) jó referenciaként szolgáltak arra, hogy az 1989. szeptemberében felbcsájtott IK-24 ('Activny') műholdra felkerült egy elektromágneses VLF hullámkísérlet mmint teljes adatgyűjtő és jelfeldolgozó egység, a SAS műszersorozat első tagja, ami a műhold teljes működési periódusában hibátlanul üzemelt. A már digitális rögzítésű fedélzeti adatokat Budapesten (BME) és a Wallops-szigeten (GSFC, USA) vették.

A magyar fejlesztésű és gyártású SAS műszer (signal analyzer and sampler), az első fedélzeti e.m. hullámkísérlet adatgyűjtő és jelfeldolgozó egysége az IK-24 Activny fedélzetén repült.
Irreguláris emisszió az IK-24 SAS1 szélessávú VLF regisztrátumán.
Geomágneses szubvihar egyik kísérőjelensége: nemlineáris kórus emisszió a SAS1 VLF sávú felvételén.
Whistler-kettős az IK-24 SAS1 szélessávú VLF regisztrátumán. (ld. JGR,96(A12),21149-21158,1991)

Az ELTE Űrkutató Csoport a francia (CNES) DEMETER műholdas programban a fedélzeti regisztrátumok elemzésével, értelmezéssel meghívott kutatóhelyként (guest invstigator státuszban) vesz részt. Az alacsony pályás DEMETER 2004. májusi felbocsájtását követően 2004. szeptember és 2010. december között regisztrálta plazmakörnyezet több paraméterét a felső ionoszférában, a hullámkísérletében ELF és HF sávok között rögzítette elektromos és mágneses szenzorokkal a plazmában terjedő villamos jelek teljes jelalakját, vagy a spektrumot. A több éves, közel folytonos mért adatrendszer a vizsgálható hullámjelenségek széles körét nyújtotta, e jelenségek előfordulásának tér- és időbeni változásai először váltak tömegesen vizsgálhatóvá műholdas adatrendszeren.

A földi plazmakörnyezetben, LEO műholdpályán a VLF-sávú hullámintenzitás időbeni átlaga a természetes források, pl. globális zivatartevékenységhez kapcsolódó villámok jelét messze meghaladóan a mesterséges jelforrások (főleg haditengerészeti navigációs jeladók, 50-1000kW) domináns jelenlétét mutatja.
Villám keltette ionwhistler DEMETER ELF-sávú felvételén. Az impulzus az anizotróp plazmában rövid terjedés után ú.n. töredék-whistlerként mérhető alacsony pályás műholdon. A csak néhány száz km plazmában terjedés és kis veszteség miatt e jeleken a plazma ionkomponenseinek diszperzív hatása is megfigyelhető: az elektron-whistler módus mellett az ábrán mutatott jelen megjelenik a proton, és a He-ion komponens okozta módus is.
A villám rövid impulzusa a földi magnetoszféra erővonalai mentén terjedve a konjugált féltekén, földön is mérhető jel (ú.n. egyugrású whistler). Ritka megfigyelés, ha a jel az erővonal menti vezető szerkezetben a konjugált féltekék között többször is megteszi az utat, a műholdon 'többugrású' whistlerek sorozatét mérhetjük.

A sikeres, első SAS műszer folytatásaként az ELTE és BL-Elelctronis együttműködésében továbbfejlesztett SAS2 egység nyújtotta az ELF-VLF hullámkísérletet az orosz (Izmiran) irányítással, ukrán, magyar és lengyel részvétellel megvalósult Kompasz-2 műholdon (Complex Orbital Magneto-Plasma Autonomous Small Satellite). A műhold az azonos felépítésű első változat ismételt kísérlete volt 2006. májusban, mert a Kompasz-1 űreszközzel a 2001. decemberi sikeres start és pályára állás után nem sikerült kapcsolatot létesíteni.

A SAS2-Kompasz2 fedélzeti egység (balra), és a Kompasz2 műhold a műszeres tesztösszemérés során. (fotó: Bodnár László)

Az Izmiran és IKI orosz intézetekkel kialakított jó szakmai kapcsolat és referenciák után a SAS3 hullámkísérlet egységet meghívták a műszerezettségében a földi plazmakörnyezet, globális zivatartevékenység elektromágneses hatásainak komplex kutatására fókuszáló Chibis-M ('chibis': bíbic, M mint 'molnija': mennydörgés) mikroműholdra. Az eszközt az ISS-ről állították LEO pályára 2012 tavaszán. Az adatgyűjtésen és elsődleges fedélzeti jelfeldolgozáson túl a SAS2-Chibis saját processzorán egy új fejlesztésű, autonóm esemény detektáló, jelfelismerő és elemző algoritmus, az Intelligent Signal Detection Module (ISDM) is működött. Az ISDM alkalmazásával előre deifiniált jelek, jelcsoportok azonosítása és jellemzőinek kinyerése révén a szűkös fedélzeti hw kapacitások (memória, telemetria) mellett is lehetőség nyílt a tudományos értelmezésben hasznos információ jelentős növelésére, tudományosan értekes adatok, statisztikai jellemzők kinyerésére. A Chibis adatok földi vételét Kaluga, Tarusa és Panska Ves mellett az ELTE műholdvevő állomása látta el.

A Chibis-M mikroműhold rajza (fotó: Izmiran)
A SAS3-Chibis adatgyűjtő és jelfeldolgozó egység repülő példánya (fotó: BLE)

Az orosz irányítás alatt megvalósult, kiemelten a nagy energiájú elektronokat monitorozó Relek (Relativistic ELECtrons), későbbi nevén Vernov műholdat 2014. nyarán bocsájtották föl, az űreszközön az ELF-VLF hullámkísérletet a SAS3-Relek szolgáltatta egy továbbfejlesztett ISDM sw rutinnal kiegészítve. A Relek fél év sikeres működés után eddig ismeretlen okból meghibásodott, a SAS3 egység a műhold teljes üzeme alatt hibátlanul működött.

A RELEK fedélzetén működött SAS3 ISDM modul előre definiált jelek csoportjait tömegesen detektálta és osztályozta valós időben a hullámmérés adatsorán. A kis fedélzeti kapacitás miatt e jelek döntő többségét nem lett volna lehetőség tárolni, lesugározni és off-line kiértékelni.

A Nemzetközi Űrállomás (ISS) orosz 'Zarja' modulján az 'Obstanovka' kísérlet egy elemeként 2013-ban került föl a SAS3-Obstanovka DSP egység, ami az űrállomás környezetében rögzít ELF-VLF sávú hullámjelenségeket. A nemzetközi űrkísérletben az ELTE SRG-n kívül hazai intézmények: Wigner FK, SGF kft, és a BL-Electronics is részt vesz.
A közelmúlt lezárt, és a még futó fedélzeti hullámkísérletek mellet új műholdas programok vannak előkészületben, illetve megvalósulás előtt. Tudományos javaslatként szerepel az ISS-re az Obstanovka-2, egy nagy pontosságú, hullámmterjedési-térelméleti vizsgálat negyedik generációs SAS műszerre építve. A Chibis-M folytatásaként előrehaladott tervezési fázisban van a Chibis-AI, ami elsődleges célkitűzésként a földi zivatartevékenységhez köthető gamma felvillanásokat kutatja majd, az alacsony frekvenciás e.m. hullámkísérletet egy SAS3 egység szolgáltatja.

Az ELTE Űrkutató Csoport és a BL-Electronics közösen vett részt a BepiColombo ESA-JAXA Merkúr űrszonda tudományos programjának előkészítésében. A két űreszközből álló program Merkúr magnetoszféráját vizsgáló BC MMO űrszonda Plasma Wave Instruments (PWI) kísérletében szerepel, a fedélzeti jelfeldolgozó sw része a földi műholdakon már sikerrel tesztelt ISDM algoritmus. A BepiColombo program sok évnyi előkészület indítás halasztást követően 2018 őszen sikerrel elsartoltot. A tudomyányos program a Merkúr környezetének 2025-től várható.

Az egyenlítői, kis szélességű ionoszféra plazmadinamikáját és űr-időjárási vizsgálatát célozza a két műholdből álló 'Trabant' (darabont, kísérő) űrkísérlet. A két űreszközt a Chibis-M startjához hasonlóan az ISS-ről állítják kb. 510 km-es alacsony pályára. A két egység változtatható távolságban a plazma hullámjelenségeinek tér-, és időbeni változásait tudja majd elkülönülten vizsgálni. A két műhold tudományos regisztrátumainak, köztük a SAS hullámmkísérlet magas mintavétellel rögzített teljes hullámformáinak földi off-line tudommányos kiértékelését műholdas kísérletekben eddig nem alkalmazott kapacitású, extrém sávszélességű telemetria fogja segíteni. A Trabant tudommányos programm definíciója, műszerspecifikáció fázisa lezárult, a 2023-ig tartó gyártási, összeszerelési és teszt fázis zajlik a 2024-25-re tervezett felbocsájtást mmegelőzően. A Trabantra kerülő, hazai fejlesztésű és gyártású tudományos és szolgálati fedélzeti eszközök számát és tudását tekintve a Trabant lesz a leghangsúlyosabb szerepű magyar részvétel űrmisszióban.

A Trabant mikroműhold szerkezeti rajza.

ESA pályázat részeként cube-sat megvalósíthatósági tanulmány készül az ELTE Űrkutató csoport koordinálásban, hazai űrtevékenység szereplői közreműködésével. A tanulmány a mai technológia szintjén rendelkezésre álló elemek felhasználásával vizsgálja kis méret mellett a kinyerhető, tudományosan hasznos adatok maximálásának lehetőségét a földi plazmakörnyezet hullámkísérletes monitorozása esetére. A reálisan is megépíthető, már kevés technológiai-tudományos kompromisszumot hordozó cube-sat ebben a tanulmányban 27U méretű.

Cube-sat dimenzióban a ma elérhető technológiával, a regisztrálható és földre sugározható adatmennyiség-maximálás szempontja alapján tervezett, a plazmakörnyezetet hullámmérésekkel monitorozó magyar cube-sat konfiurációs rajza.

Földi mérések, mérőhálózatok

A műholdas méréseket jól kiegészítő, esetenként azok referencia adatát is szolgáltató földfelszíni VLF hullámmérések az ELTE-n a Szemerédy Pál által kezdeményezett, az ELGI tihanyi földmágneses obszervatóriuma területén felállított whistler mérő antenna telepítésével, és szélessávú jelek regisztrálásval indultak. Az elmúlt fél évszazadban rendszeres, az utóbbi két évtizedben folyamatos ELF-VLF adatrögzítés ma az ország több helyszínén zajlik, és a hazai mérések nemzetközi együttműködésben gobális mérőhálozatok részét is képezik.

A földi magnetoszférában (plazma) terjedt, majd a légkörbe kilépő és felszínen regisztrált jelek közül kitüntetett szerepű a konjugált félteke zivatar-aktivitáshoz köthető whistlerek mérése, értelmezése. Whistelerek elemmzésével a terjedési út mentén a plazmaszféra jellemzőit tudjuk modell inverzióval meghatározni, e módszer a plazmaszféra monitoring egyik leghatékonyabb eszköze. A plazmakörnyezet földi rögzítésű VLF jelek vételén és elemzésén alapuló vizsgálatára több helyszínből álló mérőrendszert üzemeltetett az Csoport kilenvenes évek óta. A helyszínek egy részén a szélessávú VLF mérés mellett navigációs jeladók frekvenciáin keskenysávú regisztrálás is történik (amplitúdó és fázis adatok), amelyeken a sugárzási övekből kiszóródó relativisztikus részecskék okozta tranziens ionizálás követhető e jelek perturbációjaként. Ez a jelenség (trimpi-effektus) közvetlen információt szolgáltat a sugárzási övek veszteségi folyamatairól (ld. űr-időjárási vizsgálatok).

Az ELTE SRG által 1995 után működtetett hazai VLF mérőállomások helyszínei és a keskenysávú regisztrálásban szereplő VLF adók jelének adó-vevő terjedési útjai.

A whistlerek rutin plazmaszéra diagnosztikai eszközként alkalmazására a szélessávú jelen megbízható azonosításuk és automatikus elemzésük szükséges. E célt világviszonylatban először az ELTE Űrkutató Csoport érte el: a kifejlesztett automatikus whistler detektor algoritmus (automatic whistler detection, AWD) egyedülálló, a hiánypótló jelfeldolgozási eszköz nyújtotta tömeges feldolgozással megnyílt az út a plazmaszféra whistler alapú, szolgáltatás szintű monitorozására. Erre a képességre alapozva akadémiai és kutató intézmények nemzetközi együttműködésében, az ELTE SRG irányításával globális szélessévú VLF mérőhálózat (AWDANet) épült ki. A hálózat mérőhelyszínein a regisztrálás mellett magas szintű DSP algoritmus csomag is fut, ami a VLF regisztrátumokon automatikus esetmény detektálást végez, és az azonosított whistlerek elsőrendű elemzését is (automatic whistler analysis, AWA) elvégzi közegjellemzőket szolgáltatva a magnetoszféra és plazmaszféra terjedés menti régióiban.

Az ELTE irányítása alatt működő, globális együttműködés keretében üzemeltettt AWDANet plazmaszféra monitoring mérőhálózat helyszínei.

A sugárzási övek légkörbe kihulló relativisztikus részecskéi a mezoszférában tranziens megnövekedett ionizációt okoznak. Ez a hatás lehetőséget teremt az űridőjárási események egyik fontos folyamatának, a sugárzási övek részleges kiűrülésének nyomon követésére VLF jeladók perturbációja révén. Egy globális megfigyelőhálózat nyújtotta cél elérésére kezdeményezői voltunk és ma is részvevői vagyunk az ú.n. AARDDVARK együttműködésnek, amibe a hazai keskenysávú mérőhálózatunkat bekapcsoltuk.

Keskenysávú VLF mérőhálózat a sugárzási övek kihulló, relativisztikus részecskéinek, űr-időjárási események globális megfigyelésére.