Slnečné observatórium – koronálna stanica
Realizácia výstavby astronomického observatória na Lomnickom štíte, uskutočnená v rokoch 1957 až 1962, bola inicializovaná celosvetovými aktivitami v rámci Medzinárodného geofyzikálneho roku 1957 za účelom patrolného pozorovania slnečných protuberancií a tzv. zelenej koronálnej emisnej spektrálnej čiary.
Slnečné protuberancie a zelená koronálna emisná spektrálna čiara
Slnečné protuberancie sú objekty nad slnečnou fotosférou (povrch Slnka ako je pozorovaný vo viditeľnom svetle) tvorené prevažne vodíkovou plazmou, ktorá je omnoho chladnejšia (teplota rádovo 10 000 Kelvinov) než plazma slnečnej koróny s teplotou rádovo milión Kelvinov. Plazmu slnečných protuberancií drží nad povrchom Slnka jeho magnetické pole. Keďže magnetické pole Slnka je príčinou slnečnej aktivity, ktorá do značnej miery ovplyvňuje aj našu planétu Zem, pravidelné pozorovania protuberancií spolu s pozorovaniami slnečných škvŕn, erupcií a výronov hmoty Slnečnej koróny sú veľmi dôležité pre pochopenie fyzikálnych mechanizmov slnečnej aktivity, čo nám umožňuje ju stále spoľahlivejšie predpovedať. Slnečná koróna je horúca a veľmi riedka vrchná časť atmosféry Slnka (teplota rádovo milión Kelvinov) siahajúca až k dráhe Zeme tvorená hlavne voľnými elektrónmi a vysoko ionizovanými ťažšími prvkami (ako napr. železo, chróm, vanád, kobalt, nikel a pod.). Zelená koronálna emisná spektrálna čiara na vlnovej dĺžke 530 nm vyžarovaná trinásťkrát ionizovanými atómami železa bola prvá emisná spektrálna čiara koróny pozorovaná počas úplných zatmení Slnka.
Pozorovanie slnečnej koróny aj mimo úplného zatmenia Slnka
Do tridsiatych rokov minulého storočia bolo možné pozorovať slnečnú korónu iba počas úplných zatmení Slnka, keď žiarenie slnečného disku, ktoré je asi stotisíckrát intenzívnejšie než žiarenie koróny v bielom svetle, je úplne zatienené Mesiacom. Kvôli tomu, že úplné zatmenia Slnka nie sú veľmi častý jav, sú vždy pozorovateľné iba v pomerne ohraničenej oblasti na Zemi (tzv. pás totality), astronómovia sa už od dávnej minulosti pokúšali zostrojiť ďalekohľad, ktorý by umožnil pozorovať slnečnú korónu aj mimo zatmení. Narážali však na problémy rozptylu a ohybu svetla zo slnečného disku okolo clonky – tzv. umelého mesiačika, ktorá zakrýva slnečný disk podobne ako Mesiac pri zatmení Slnka. Tieto problémy vyriešil francúzsky astronóm Lyot až v tridsiatych rokoch 20. storočia zostrojením špeciálneho ďalekohľadu na pozorovanie slnečnej koróny – koronografu. Tento prvý koronograf sa nachádzal na observatóriu na štíte Pic du Midi vo francúzskych Pyrenejach. Postupne sa vyrobilo viac koronografov a umiestňovali sa na rôznych zemepisných dĺžkach, aby sa dali získať čím dlhšie sekvencie pozorovaní – teda vytvorila sa akási sieť koronálnych staníc. Vždy sa však umiestňovali na observatóriá vo vysokých nadmorských výškach (hlavne pre pozorovania emisných spektrálnych čiar koróny), aby bol vplyv atmosféry na rozptyl svetla čím menší (vysoká nadmorská výška znamená redší vzduch a kratší stĺpec vzduchovej hmoty nad observatóriom).
Do siete patrolných (patrolné znamená vykonávajúce pravidelné pozorovania) koronálnych staníc sa začiatkom šesťdesiatych rokov zaradilo aj observatórium na Lomnickom štíte nachádzajúce sa v nadmorskej výške 2 632 m, kde bol v roku 1962 inštalovaný koronograf firmy Zeiss s priemerom objektívu 20 cm a ohniskovou vzdialenosťou okolo 3 000 cm (mierne sa mení s vlnovou dĺžkou pozorovaného žiarenia). Jednalo sa o vôbec prvý (nerátajúc prototyp) koronograf vyrobený touto nemeckou firmou. Prvé pravidelné fotografické pozorovania protuberencií v spektrálnej čiare Balmerovej série vodíka Hα začali v roku 1962 a pozorovania emisných koronálnych spektrálnych čiar malým spektrografom umiestneným v obrazovej rovine koronografu o dva roky neskôr. V roku 1970 bol daný do prevádzky druhý koronograf od firmy Zeiss, totožný s tým prvým, pričom obidva boli namontované na dve strany tej istej montáže. To umožnilo flexibilnejšie pozorovania, keďže jeden z koronografov bol používaný len na fotografické pozorovanie protuberancií a na druhý bol nastálo namontovaný spektrograf na pozorovanie emisných spektrálnych čiar slnečnej koróny. Neskôr v osemdesiatych rokoch sa na zaznamenávanie pozorovaní koronálnych emisných čiar začali namiesto filmov používať TV kamery, ktoré v 90-tých rokoch nahradili CCD čipy, čo viedlo aj ku kompletnej digitalizácii záznamovej techniky.
Pozorovania slnečnej koróny na Observatóriu na Lomnickom štíte v súčasnosti
V súčasnosti sa observatórium na Lomnickom štíte radí medzi len niekoľko existujúcich pozemných observatórií na celom svete – Kislovodsk v Rusku, Norikura v Japonsku a Mauna Loa na Havaji v USA, ktoré systematicky pozorujú emisné spektrálne čiary slnečnej koróny. Observatórium na Lomnickom štíte sa prostredníctvom dát patrolných pozorovaní podieľalo na vytvorení dvoch dlhodobých radov dát opisujúcich slnečnú koronálnu aktivitu: „Homogénny rad intenzít zelenej koronálnej čiary“. Tento je pripravený z dát všetkých koronálnych staníc vo svete od roku 1939 do roku 2011. Po roku 2011 sú za týmto účelom využívané pozorovania americkej družice Solar Dynamic Observatory. „Katalóg slnečných protuberancií v spektrálnej čiare Hα“ je pripravený z vlastných meraní získaných na Observatóriu na Lomnickom štíte a od roku 2009 je rozširovaný s použitím pozorovaní vykonávaných na Observatóriu Kanzelhoehe pre slnečný a environmentálny výskum (Rakúsko). Jeden z dvojice korónografov na Lomnickom štíte s prístrojom COMP-S (namontovaný na koniec koronografu) pri pozorovaní.
V roku 2011 bol na jednom z koronografov nainštalovaný nový prístroj – Koronálny Multikanálový Polarimeter (COMP-S) vyvinutý na High Altitute Observatory v USA, ktorý je momentálne v testovacej prevádzke. Jeho hlavnou súčasťou je unikátny Lyotov filter plynule laditeľný pomocou tekutých kryštálov od 500 nm (modré svetlo) až po 1100 nm (blízko-infračervené žiarenie) s pásmom priepustnosti 0.028 – 0.13 nm. Prístroj je schopný pozorovať protuberancie v niekoľkých chromosférických emisných spektrálnych čiarach (chromosféra je veľmi nehomogénna časť slnečnej atmosféry nachádzajúca sa medzi fotosférou a korónou), hlavne v Hα, infračervenom triplete hélia a jednej z infračervených čiar ionizovaného vápnika. Slnečnú korónu je možné pozorovať napr. v zelenej a červenej koronálnej čiare vysokoionizovaného železa. Zorné pole prístroja siaha od okraja slnečného disku až do vzdialenosti 1,84 polomerov Slnka. Okrem ladenia vo vlnovej dĺžke je Lyotov filter je schopný pomocou špeciálnych kryštálov (tzv. Fero-Liquid Crystals) pozorovať žiarenie taktiež polarimetricky, teda v niekoľkých rovinách lineárnej polarizácie a v kruhovej polarizácii. Z polarimetrických dát je možné na rozdiel od spektroskopických dát, určiť okrem teploty, hustoty a tlaku pozorovanej plazmy aj trojdimenzionálnu štruktúru magnetického poľa, v ktorom sa nachádza, a tak získať kompletný obraz o fyzikálnych mechanizmoch, ktoré v pozorovanom objekte prebiehajú.
Na druhý koronograf bol tento rok namontovaný prístroj SCD (Solar Chromospheric Detector) schopný získavať spektropolarimetrické dáta objektov slnečnej aktivity na slnečnom disku na rozdiel od prístroja COMP-S, ktorý pozoruje len nad jeho okrajom. Teda, koronograf, na ktorom je prístroj SCD namontovaný, sa v súčasnosti používa bez clonky umelého mesiačika, aby ním bolo možné pozorovať objekty na slnečnom disku. Prístroj SCD bol vyvinutý taktiež na High Altitude Observatory a je vybavený podobným Lyotovým filtrom ako COMP-S, ale s dvakrát menšou šírkou priepustnosti a má vyššie priestorové rozlíšenie – 0,78 oblúkových sekúnd v zelenej oblasti viditeľného spektra a 1,36 oblúkových sekúnd v blízko-infračervenom žiarení. Prístroj bol navrhnutý s takýmito parametrami, aby bolo možné s ním vykonávať spektropolarimetrické pozorovania erupcií na slnečnom disku, čomu odpovedá aj výber spektrálnych čiar: dve fotosférické čiary neutrálneho železa, jedna z nich vhodná na určovanie rýchlostí pohybov plazmy a druhá na určenie intenzity magnetického poľa z jej Zeemanovského rozštiepenia.
Okrem nich by SCD malo pozorovať aj niekoľko chromosférických spektrálnych čiar vodíka, hélia, sodíka a ionizovaného vápnika. Dáta pozorovaní erupcií z SCD spolu s družicovými dátami v Extra-ultra-fialovej a röntgenovej oblasti nám poskytnú komplexný obraz fyzikálnych mechanizmov prebiehajúcich v slnečných erupciách (najmä čo sa týka brzdného žiarenia vznikajúceho v dôsledku urýchlenia voľných elektrónov po prepojení magnetického poľa, chladnutie tzv. post erupčných slučiek a hľadanie prekurzorov erupcií) a o trojdimenzionálnej štruktúre magnetického poľa v erupcii.
Observatórium kozmického žiarenia ÚEF SAV
Kozmické žiarenie poskytuje nielen nástroj pre skúmanie vesmíru, ale má aj priamy dosah na Zem. Je potrebné pozorovať častice kozmického žiarenia, aby sme zistili ich pôvod, sledovali poruchy na Slnku a ich vplyv na technológiu a ľudí. Galaktické kozmické žiarenie prichádza nepretržite, jeho intenzita je modulovaná Slnkom. Častice urýchľované zo Slnka, slnečné kozmické žiarenie, sú ojedinelé. Prichádzajú ako jednotlivé udalosti, okrem bežného toku častíc zo vzdialeného vesmíru.
Kozmické žiarenie merané na Lomnickom štíte:
- Merania kozmického žiarenia vo Vysokých Tatrách majú svoje začiatky v r. 1957, kedy bol organizovaný Medzinárodný geofyzikálny rok. Košický Ústav experimentálnej fyziky SAV (ÚEF SAV) meria neutrónovým monitorom umiestneným na Lomnickom štíte spojite nukleónovú zložku sekundárneho kozmického žiarenia.
Podrobné dáta existujú od roku 1982. Vysokohorské merania sú unikátne tým, že poskytujú možnosť sledovať aj malé zmeny intenzity primárneho kozmického žiarenia, ktoré preniká do atmosféry. Oproti meraniam na malých nadmorských výškach je početnosť sekundárneho kozmického žiarenia na Lomnickom štíte podstatne vyššia. Spomedzi európskych staníc sledujúcich kozmické žiarenie má Lomnický štít jednu z najvyšších štatistických presností vďaka polohe meracej aparatúry. - Merania sú dostupné v reálnom čase s 1 minútovým rozlíšením a od júna 2013 sa archivujú dáta už aj s 1 sekundovým rozlíšením.
- Od februára 2014 prebiehajú na Lomnickom štíte aj merania kozmického žiarenia ďalším zariadením (ozn. SEVAN), ktoré umožňujú pozorovať variácie iných zložiek sekundárneho kozmického žiarenia než neutrónovým monitorom. Tým sa rozširuje sieť meraní na stredných a nižších šírkach s cieľom získať nové poznatky o súvislostiach medzi kozmickým žiarením a efektmi tzv. kozmického počasia, respektíve s atmosférickými efektmi, o jeden významný merací bod. Od júna 2016 je okrem 1 minútových dát zariadenia SEVAN k dispozícií aj 1 sekundové údaje.
- Okrem základného výskumu sú merania dôležité aj pre upresňovanie radiačnej situácie na výškach hôr a sú využívané v zahraničí aj pre odhady dávok ožiarenia na lietadlách. Dlhodobo v tom prebieha spolupráca napr. s oddelením dozimetrie Ústavu jadrovej fyziky AV ČR v Prahe.
- Vďaka prístroju EFM-100 na meranie elektrostatického poľa, ktorý bol poskytnutý Ústavom fyziky atmosféry AV ČR, je možnosť skúmať efekty TGE (Thunderstorm ground enhancements), viditeľné hlavne na elektrón-pozitrónovej (alebo gama) zložke dát SEVANu a ich súvislosti s elektrostatickým poľom a búrkovými javmi v okolí Lomnického štítu.
- Dáta meraní sa využívajú okrem ÚEF SAV v rôznych laboratóriách v zahraničí a sú v reálnom čase poskytované pracoviskám, ktoré sa zaoberajú monitorovaním a možnými predikciami efektov tzv. kozmického počasia. Ide o javy vyvolané zmenami fyzikálneho stavu vonkajšieho priestoru (napr. geomagnetické búrky, slnečné erupcie ap.), ktoré ovplyvňujú funkčnosť a spoľahlivosť technologických systémov (družicových, leteckých, resp. aj pozemných), menia podmienky pre šírenie elektromagnetického vlnenia v ionosfére, menia dávky ožiarenia na lietadlách, osobitne na veľkých výškach a vysokých šírkach, a podobne. Merania kozmického žiarenia na Lomnickom štíte majú okrem úlohy monitorovania toku kozmických častíc prichádzajúcich do atmosféry aj určitý potenciál vo využití sledovania jeho variácií pre možné krátkodobé predikcie efektov kozmického počasia.
- Pre minimalizáciu výpadkov v meraniach a pre kontrolu chodu aparatúry v extrémnych podmienkach Lomnického štítu a kvality dát je potrebná stála služba na tomto pracovisku. Merania neutrónovým monitorom a ďalších zariadení zabezpečuje na Lomnickom štíte za OKF ÚEF SAV stála služba, ktorá je tam potrebná pre minimalizáciu výpadkov v meraniach a pre kontrolu chodu aparatúry a kvality dát v extrémnych podmienkach Lomnického štítu.
- Merania na Lomnickom štíte, ako aj popularizácia pracoviska je v súčasnosti umožnená vďaka projektu APVV-15-0194.
Autori:
Mgr. P. Schwartz, PhD., Astronomický ústav SAV, Tatranská Lomnica, (Slnečné Observatórium na Lomnickom štíte)
prof. Ing. Karel Kudela, DrSc., Ústav experimentálnej fyziky SAV Košice, vedecký vedúci meraní kozmického žiarenia na Lomnickom štíte (Observatórium kozmického žiarenia ÚEF SAV)
Foto: k dispozícii od autorov
Uverejnila: ZVČ
Zaujalo Vás ako prebiehajú jednotlivé merania na Lomnickom štíte a chceli by ste sa dozvedieť viac? Tak neváhajte a vyberte sa počas letných prázdnin, v štyroch sobotných termínoch 23. júla, 30. júla, 6. augusta a 13. augusta 2016 na Lomnický štít, kedy sa otvoria dvere Observatória.
Publikované z portálu www.vedanadosah.sk
