Zprávy ze světa

22f48_illustration-logo
14.08.2015

Americká družice DSCOVR...

...pořizuje první snímky Země ze svého unikátního stanoviště u Lagrangeova bodu L1.

Jméno družice je zkratkou znamenající „Klimatická observatoř v hlubokém vesmíru“ (angl. Deep Space Climate Observatory). Kromě pravidelného pořizování snímků Země má tato družice také fungovat i jako součást varovného systému před příchodem slunečních superbouří, které by mohly poměrně snadno způsobit dlouhodobý kolaps elektrických rozvodných sítí a poškodit elektronické přístroje na velké části planety.

Tato družice se ve starších nebo méně oficiálních dokumentech někdy označuje i jako „Triana“. To je její jméno vybrané v původním návrhu podle jména španělského námořníka Rodrigo de Triana z lodi La Pinta, který při Kolumbově objevitelské expedici 12. října 1492 ve dvě hodiny ráno jako první ohlásil, že vidí zemi, která se později ukázala být celým Novým světem – Amerikou. Bohužel odměny a oficiálního uznání za svědomitou práci a dobrý zrak se tento námořník nedočkal ani tehdy a nakonec ani nyní.

První snímek pořízený z družice DSCOVR její 4 megapixelovou CCD kamerou EPIC dne 6. července 2015. Zdroj snímku: NASA, NOAA

 

Obr.: První snímek pořízený z družice DSCOVR její 4 megapixelovou CCD kamerou EPIC (z angl. Earth Polychromatic Imaging Camera) dne 6. července 2015. Značnou část povrchu tu zakrývá oblačnost, ale vystupuje z ní západní pobřeží Ameriky. Pokud by se zůstalo u původního jména družice, dalo by se říct, že Triana po půl tisíciletí vidí znovu Nový svět. Zdroj snímku: NASA, NOAA

Zcela neoficiální a poněkud ironickou přezdívkou pro tuto družici je pak „GoreSat“ podle jména někdejšího viceprezidenta USA Ala Gora, který jako první veřejně prezentoval myšlenku stavby a vypuštění takové družice při přednášce na univerzitě MIT (angl. Massachusetts Institute of Technology). To bylo už v roce 1998 a trvalo tedy 17 let, než se tento projekt realizoval. Al Gore byl viceprezidentem USA v době prezidentsví Billa Clintona od ledna 1993 do ledna 2001 a ve volbách v roce 2000 byl jako kandidát Demokratické strany na prezidenta poražen konkurentem z Republikánské strany Georgem Walkerem Bushem. Tím ve velké míře ztratil Al Gore svůj politický vliv a to se odrazilo i na osudu této družice, kdy administrativa republikánského prezidenta vyslyšela její odpůrce a celý projekt zastavila. Bylo tak zrušeno její původně plánované vypuštění při letu raketoplánu v roce 2003. Tento let pod označením STS-107 se bohužel zapsal do dějin tragickou událostí, byl to totiž právě ten let, na jehož konci se raketoplán Columbia při návratu do zemské atmosféry kvůli poškození svého křídla rozpadl a celá jeho posádka zahynula. Vzhledem k neustálým změnám v původním projektu a nejasnému datu vypuštění je také právě v lednu 2003 družice oficiálně přejmenována z původního jména „Triana“ na „DSCOVR“.
V listopadu 2008 se vitězstvím Baracka Obamy v prezidentských volbách začala k moci vracet Demokratická strana a pro tuto družici to znamenalo prakticky okamžité vysvobození ze skladiště a cestu k recertifikaci pro vypuštění do vesmíru. V té době také došlo k přejmenování družice na DSCOVR. Nakonec to ale i přes podporu administrativy okolo nového prezidenta trvalo několik dalších let, než se (zejména kvůli škrtům v rozpočtu pro agenturu NASA) podařilo družici skutečně vynést. A muselo se k tomu cíli spojit úsilí tří amerických organizací: U.S. Air Force, NASA a NOAA.

Americké vzdušné síly (angl. U.S. Air Force) navrhly vyčlenit ze svého rozpočtu na rok 2012 částků 135 milionů amerických dolarů jako součást podpory soutěže mezi novými zájemci o vstup na trh komerčního vynášení družic, v jehož rámci měla být vynesena družice DSCOVR. Kongres schválil částku 30.1 milionu dolarů do rozpočtu Národního úřadu pro oceán a atmosféru NOAA (angl. National Oceanic and Atmospheric Administration) na znovuoživení programu DSCOVR. Americké vzdušné síly pak vybraly pro vynesení této družice raketu Falcon 9 společnosti SpaceX. A v nákladovém prostoru této rakety družice skutečně úspěšně odstartovala z mysu Canaveral 11.února 2015. Dalších více než 100 dnů jí pak trvala cesta od Země k Lagrangeovu bodu L1.

Lagrangeovy body jsou speciální místa, kde se tělesa pod vlivem dalších dvou těles (zde družice pod současně působícím vlivem Slunce a Země) pohybují jinak, než jak by se měly chovat podle Keplerových zákonů, které přesně popisují pohyb pouze v soustavě dvou těles (tedy teoreticky buď družice u Země pod gravitačním vlivem pouze Země, nebo družice okolo Slunce pod gravitačním vlivem pouze Slunce, vliv všech ostatních těles musí být zanedbatelně malý). Podle Keplerových zákonů by těleso umístěné ke Slunci blíže, než je naše Země, mělo okolo Slunce i rychleji obíhat a tím Zemi předběhnout. Ve skutečnosti gravitační přitažlivost Země snižuje z opačné strany působící přitažlivost Slunce a v bodu L1 přesně o takovou hodnotu, že se tam umístěná družice pohybuje okolo Slunce stejnou úhlovou rychlostí, jako naše Země. Družice v Langrangeově bodě L1 tak při pohledu ze Země zůstává stále na spojnici Slunce – Země a taková družice má proto neustále nepřerušovaný výhled na Sluncem osvětlenou denní polovinu Země, kdežto družice obíhající okolo Země (a to včetně i těch geostacionárních) musí polovinu svého času strávit přelety nad noční neosvětlenou stranou Země.

Družice v bodě L1 je tedy jako fotograf se silným reflektorem za zády, který má před sebou svou otáčející se modelku Zemi vždy dokonale nasvětlenou. Tato výhoda je ale vyvážena jednou velkou nevýhodou – velkou vzdáleností stanoviště na bodu L1 od Země a to 1.5 miliónu km od Země (pro porovnání: vzdálenost Země – Slunce je 150 miliónů km, vzdálenost Země – Měsíc je jen 384 tisíc km a běžné družice dálkového průzkumu Země obíhají jen okolo 600 až 700 km nad povrchem Země).

Langrangeovy body pro tělesa pohybující se v soustavě Slunce – Země. Vlastnosti všech pěti libračních center popsal v roce1772 francouzský matematik a fyzik Joseph Louis Lagrange, existenci první tří bodů (dnes označovaných jako L1, L2 a L3) už ale o několik let dříve předpověděl švýcarský matematik a fyzik Leonhard Euler. Zdroj obrázku: Wikipedia

 

Obr.: Langrangeovy body pro tělesa pohybující se v soustavě Slunce – Země. Vlastnosti všech pěti libračních center popsal v roce1772 francouzský matematik a fyzik Joseph Louis Lagrange, existenci první tří bodů (dnes označovaných jako L1, L2 a L3) už ale o několik let dříve předpověděl švýcarský matematik a fyzik Leonhard Euler. Zdroj obrázku: Wikipedia

Další výzvou pro vesmírné navigátory je to, že zatímco pozice těles v Lagrangeových bodech L4 a L5 je stabilní a například u planety Jupiter se v jejích bodech L4 a L5 vyskytují přirozeně zachycené malé planetky zvané Trójané (někdy se rozlišují jako „Řecký tábor“ pro bod L4 a jako „Trojský tábor“ pro bod L5), pozice v bodu L1 je nestabilní a i malá počáteční odchylka vede s časem k vypadnutí tělesa z tohoto bodu. Naštěstí existuje možnost, kdy mohou tělesa tento bod obíhat po speciálních drahách a s občasnou malou dopomocí zažehnutí raketových motorků svou dráhu upravit a v okolí tohoto bodu se udržet. Družice DSCOVR obíhá okolo bodu L1 ve zhruba šestiměsíčních cyklech a z pohledu ze Země je úhel mezi ní a Sluncem od 4 do 15 stupňů. Takový malý odklon pořizovaná data ovlivní jen minimálně, ale přinese velkou výhodu výrazně lepšího rádiového spojení, protože pokud by byla družice v jedné přímce se Zemí a Sluncem, příjem dat z družice by mnohem více rušil sluneční rádiový šum. Další výhodou takového řešení je, že do pozice u tohoto bodu tak může být umístěna více než jedna družice. V okolí bodu L1 soustavy Země – Slunce se nyní nachází kromě družice DSCOVR i další družice pro pozorování sluneční aktivity SOHO, družice ACE a družice WIND.

Mediálně nejznámějším přístrojem této družice se už pořízením prvních pozoruhodných snímků nepochybně stala kamera EPIC (z angl. Earth Polychromatic Imaging Camera). Kamera EPIC s objektivem o průměru 30.5cm snímá Zemi v deseti různých pásmech vlnových délek, od ultrafialové přes viditelné až po infračervené světlo. Po uvedení do plného provozu, které se plánuje zatím na září 2015, bude každodenně pořizované řady snímků dostupné na webových stránkách projektu za 12 až 36 hodin od jejich pořízení. Ovšem protože družice pozoruje Zemi ze vzdálenosti 4krát větší, než v jaké okolo Země obíhá Měsíc, rozlišení pořízených snímků nemůže být nijak závratně vysoké a v tomto případě to bude zhruba 25km na jeden obrazový bod (pixel). Na druhou stranu ale také díky tomu může zachytit i Měsíc a 16. července družice pořídila sérii takových snímků Měsíce pohybujícího se mezi družicí a Zemí.

Série snímků pořízených 16.července 2015 a složených do animace zachycující Zemi a Měsíc obíhající okolo ní. Zdroj: NASA, NOAA

 

Obr.: Série snímků složených do animace zachycující Zemi a Měsíc obíhající okolo ní. Měsíc se pohybuje mezi Zemí a družicí a na snímcích je tak vidět jeho od Země odvrácená strana. Přestože tato strana Měsíce je v této pozici také celá osvětlená Sluncem, vedle mnohem jasnější Země vypadá Měsíc poměrně tmavý. Ve skutečnosti je ale tato polovina Měsíce světlejší, než je přivrácená strana Měsíce, kterou vidíme na pozemské obloze. Na odvrácené straně je totiž velmi málo tmavých oblastí (tzv. „měsíčních moří“) a jsou plošně mnohem menší. Jednotlivá pásma vlnových délek (a tedy i barvy viditelného světla) jsou družicí pro každý snímek snímány postupně. U rychle se pohybující Měsíce se tento časový rozdíl na některých výsledných složených snímcích projevuje jako úzký barevný pruh okolo jeho okraje Zdroj: NASA, NOAA.

Dalším přístrojem určeným soustavnému pozorování Země je radiometr NISTAR (z angl. National Institute of Standards and Technology Advanced Radiometer). Měří záření Sluncem osvětlené poloviny Země. Tato data budou používána ke sledování změn v energetické bilanci Země způsobené přírodními vlivy a lidskou činností. Radiometr měří ve čtyřech kanálech. První je celkové záření od ultrafialového přes viditelné až po infračervenou část spektra ve vlnových délkách 0.2 až 100 μm, druhý měří odražené sluneční záření od ultrafialového přes viditelné až po blízké infračervené ve vlnových délkách 0.2 až 4 μm, třetí odražené sluneční záření v infračervené části ve vlnových délkách 0.7 až 4 μm a čtvrtý měří vlnové délky 0.3 až 1 μm pro účely kalibrace.

Z dlouhodobého hlediska jsou ale na družici DSCOVR považovány za důležitější další přístroje, které slouží ke sledování takzvaného vesmírného „počasí“ a zejména „slunečního větru. Původním hlavním úkolem družice sice bylo kontinuální snímkování osvětlené poloviny Země a rychlé odesílání pořízených snímků ke zveřejnění na Internetu, nakonec to ale byla právě schopnost monitorovat sluneční vítr, která jako nový primární úkol mise definitivně rozhodla o zmrtvýchvstání odložené družice DSCOVR a vyslání do vesmíru jako ideální možné náhradnice za zastarávající družici ACE. Ta je sice stále funkční a zdá se být v dobrém technickém stavu, ale byla vypuštěna už v roce 1997 s plánovanou životností 5 roků. U dlouho přesluhujících družic postupně výrazně vzrůstá nebezpečí, že je nečekaně vyřadí z provozu selhání některé opotřebované klíčové součástky. Novější přístroje na družice DSCOVR mohou poskytovat přesnější data a tato družice má převzít funkci družice včasného varování. Starší družice ACE by měla fungovat dál možná až do roku 2024, pokud to její technický stav dovolí a poskytovat data pro vědecké a výzkumné účely.

Družice DSCOVR. Startovní hmotnost je 570 kg a rozměry tělesa družice (bez slunečních panelů) jsou 1.4 x 1.8 metru. Předpokládá se životnost minimálně 5 let. Zdroj: NASA

 

Obr.: Družice DSCOVR. Startovní hmotnost je 570 kg a rozměry tělesa družice (bez slunečních panelů) jsou 1.4×1.8 metru. Předpokládá se životnost minimálně 5 let. Zdroj: NASA

Sluneční vítr je, stručně a mírně zjednodušeně řečeno, neustálý proud elektricky nabitých částic (protonů, elektronů a jader hélia) proudící ze Slunce do okolního prostoru. Po velkých slunečních erupcích může síla slunečního větru lokálně výrazně vzrůst až na úroveň, která se dá přirovnat k větrné bouři. Intenzita i nejsilnějšího slunečního větru je sice stále příliš malá, než aby mohl jakkoliv ovlivnit pohyb hmotnějších těles a nejde tedy tak o vítr a bouře podobně pozemským, ale elektricky nabité částice slunečního větru mají své vlastní magnetické pole a interagují tak s magnetickým polem Země a elektrickými zařízeními, které se jim dostanou do cesty. Povrch Země je před slunečním větrem za normálních okolností dostatečně chráněn zemským magnetickým polem a zemskou atmosférou a tak jediným všeobecně známých projevem tohoto jevu jsou občasné polární záře na obloze, kdy se při srážkách částic slunečního větru s částicemi zemské atmosféry emituje přízračné světelné záření zelené a nebo červené barvy.

Opravdu velká slunečních bouře Zemi nezasáhla více než 150 let. Naposledy se to stalo v roce 1859. Tato velká sluneční super bouře se také někdy nazýva Carringtonova událost podle astronoma Richarda Christophera Carringtona, který jevy při vzniku této sluneční bouře tehdy pozoroval. Kromě toho, že se na obloze po celé Zemi objevily silné a jasné polární záře, které bylo možné vidět i ze zcela nepolárních míst jako z Kuby nebo Havaje, sérii strašidelných událostí si prožily obsluhy téměř jediných celosvětově rozšířených elektrických přístrojů té doby – elektrického telegrafu. Na telegrafních sloupech ve vedení přeskakovaly elektrické výboje, přístroje jiskřily, někteří operátoři byli zasaženi elektrickým proudem, jinde elektrické jiskry způsobily požáry telegrafních stanic. Někde elektrické zkraty přístroje vyřadily z provozu, jinde telegrafy zdánlivě nepochopitelně jiskřily dál i po odpojení od zdrojů elektrické energie. Tyto události způsobilo to, že proměnné magnetické pole indukuje ve vodičích elektrický proud. Elektricky nabité částice sluneční bouře s vlatním magnetickým polem zasáhly a rozbouřily zemské magnetické pole a výsledné proměnlivé magnetické pole začalo v rozsáhlých a navzájem spojených telegrafních systémech podle náhodných poryvů magnetické bouře indukovat elektrický proud.

Od té doby měla Země štěstí a podobné události se jí vyhýbaly. Mnohem méně silné bouře se objevily v letech 1921 a 1960, které se projevily rušením rádiového spojení. V roce 1989 způsobila sluneční bouře výpadek elektrické sítě ve velké části Quebeku. Kanada je z hlediska tohoto ohrožení nejzranitelnější zemí, protože se jednak nachází relativně nejblíže k jednomu ze zemských magnetických pólů, tedy míst, kam magnetické pole Země část slunečního větru odklání. Zároveň má Kanada při své velké rozloze velmi rozsáhlou elektrickou síť vedení vysokého napětí. A tak jak bylo v roce 1859 vyřazeno telegrafní vedení v Evropě a Severní Americe, může ještě mnohem snadněji zkolabovat elektrická síť. Sluneční superbouře se naštěstí od Slunce vydají jedním určitým směrem a tak je vždy ještě šance, že pokud bouře vznikne, Zemi nezasáhne. Přesně to se stalo v červenci 2012. Sluneční bouře tehdy sice Zemi bezpečně minula, ale vyhodnocení měrení z družic NASA ukázalo, že to byla superbouře stejné třídy jako Carringtonova událost, které jsme se tak vyhnuli jenom díky štěstí.

Výřez snímku Slunce pořízeného družicí SDO (z angl. Solar Dynamics Observatory) v ultrafialovém pásmu 23.července 2012. Zdroj snímku: NASA GSFC

 

Obr.: Výřez snímku Slunce pořízeného družicí SDO (z angl. Solar Dynamics Observatory) v ultrafialovém pásmu 23.července 2012. Příčinou zvýšení toku slunečního větru jsou výrony koronální hmoty (angl. Coronal Mass Ejection), kdy Slunce do slunečního větru uvolní oblak plazmatu a tato přidaná hmota pak dramaticky zvyšuje jeho účinky. Tentokrát se navíc plazmatický oblak pohyboval od Slunce rekordní rychlostí 3400 km/sekundu a oběžné dráhy Země dosáhl za méně než 13 hodin. Naštěstí ne tu část, kde se Země právě nacházela. Jinak by následné efekty byly nejen nedobré pro elektrické přístroje a sítě, ale i (zejména vzhledem k tehdy oblíbené fámě o konci cyklu Mayského kalendáře a tím i konci světa) značně stresující pro nemalou část lidí. Zdroj snímku: NASA GSFC

A co se tedy dá čekat, až nás jednou bouře takovéto síly zasáhne znovu? Životu na Zemi obecně zjevně nijak citelně neuškodí. Sporné je, v jakém rozsahu by poškodila nebo zničila běžně používané elektronické přístroje. Ale jak ukázal rok 1989 v Kanadě, následky superbouře na elektrické rozvodné sítě by mohly být více než devastující. Pokud si dnes energetici řídící propojené elektrické sítě v Evropě stěžují, že mají problémy vyrovnat se za větrného počasí s náhlým přílivem energie z větrných elektráren, pak energetická tsunami vyindukovaná sluneční superbouří by tyto sítě zcela zdevastovala. A pak by nestačilo jen vyměnit vyhořelé pojistky. Jedním z nejslabších článků se při událostech v Kanadě staly elektrické transformátory, které například mění vysoké napětí z dálkových vedení na běžné napětí v elektrických zásuvkách. Při sluneční superbouři by je vyindukované přepětí mohlo snadno spálit. Bez transformátorů současné elektrické sítě nefungují. Zničené transformátory lze samozřejmě vyrobit znovu, jenže to přeci jenom nějaký čas trvá i za normálních podmínek. A pokud by za sluneční superbouře vyhořela většina transformátorů na několika kontinentech, jsou pak nejoptimističtější odhady, že kompletní náprava škod by trvala několik let. Pokud dnes považujeme několikahodinový výpadek proudu za obtěžující a několik dní bez elektrické energie vnímáme málem jako katastrofu, jak bychom se vyrovnávali se zprávou, že elektrická energie ze zásuvek půjde možná až za deset let?

Naštěstí ty nejhorší následky lze výrazně omezit poměrně jednoduše. Pokud se bude taková sluneční superbouře k Zemi blížit, je nutné rozpojit, odpojit, vypnout vše, co jenom lze. Nejdůležitější a nejcitlivější elektroniku by šlo i odstínit. Ale pro nejdůležitější plošnou ochranu elektrických rozvodných sítí je jejich včasné odpojení a rozpojení zcela zásadní. Odpovědní činitelé ale pravděpodobně nebudou chtít vypnout elektrickou energii pro milióny obyvatel jen na základě mlhavého a neurčitého varování. Proto je stále více potřeba sledovat kolísání sluneční aktivity všemi způsoby, včetně velmi důležitých specializovaných družic, jako je SOHO, která trvale sleduje Slunce několika různými způsoby a je schopná zachytit už první varovné příznaky většinou postupně vzrůstající sluneční aktivity i dlouhou dobu předem. Družice DSCOVR a další družice na svém předsunutém stanovišti v bodě L1 by pak svými měřeními potvrdily, že vzniklá sluneční bouře je opravdu na cestě směrem k Zemi.

Pro měrení síly slunečního větru je družice DSCOVR vybavena plasma-magnetometrem, který se skládá ze tří částí. První je magnetometr pro měření magnetického pole, druhý je tzv. Faradayův pohár pro měření proudu kladně nabitých částic a pak elektrostatický analyzátor pro měření záporně nabitých elektronů.

Dalším přístrojem je analyzátor PHA (z angl. Pulse Height Analyzer). Analyzátor měří energii jím procházejících vysokoenergetických částic a na základě jeho dat se bude sledovat vliv takových částic na elektroniku družice. V případě silné sluneční bouře by byla družicová elektronika dalším velmi zranitelnou částí lidské technologické společnosti.

Družice DSCOVR je schopná poskytnou poslední vážné varování 15 až 60 minut předtím, než částice zasáhnou Zemi. Budou-li v té době na svých místech informovaní kompetentní lidé připravení správně reagovat, je to čas zcela dostatečný. Pokud by se v té době lidé s rozhodujícími pravomocemi teprve začali zmateně dohadovat, co dělat a kde asi hledat hlavní vypínač elektřiny pro jejich stát, bude už pozdě.

Oficiální webová stránka družice DSCOVR (v anglickém jazyce) je zde.

Webovou stránku (v anglickém jazyce) s aktuálním pozorováním Slunce družicí SOHO v různých vlnových délkách si můžete prohlédnout zde. Je vidět, že ani za normálního stavu není Slunce hladká klidná svítící koule, jak by se snad při běžném pohledu na oblohu mohlo zdát.

Článek zpracoval: Jiří Šustera

 

nahoru

zpět