Koncepció

Az űrhajós a Nemzetközi Űrállomás kupolaablakából készít videófelvételeket aktív zivatargócokról, kihasználva a zavartalan rálátást. A kísérlet elsősorban a természetes légköri elektromos aktivitás közvetlen megfigyelését szolgálja. Az űrmisszióval egyidejűleg különböző méréseket és észleléseket is gyűjtünk földi megfigyelőktől és tudományos együttműködő partnerektől, hogy ezeket együttesen elemezve a légköri elektromosság környezeti kölcsönhatásrendszerének a lehető legalaposabb feltárását végezhessük el.

Amatőr és profi polgári észlelők közreműködését is örömmel fogadjuk. Erről több információ a ‘Részt vehetek!’ menüpontban található.

Kivitelezés

A Nemzetközi Űrállomásról az űrhajós előrejelzett zivatargócokról készít videófelvételeket amíg az éjszakai félteke fölött repülnek. A kupolaablakból teljes rálátás nyílik a megfigyelhető területre. Egyaránt fényképezhetők az űrállomás pályája alatti és melletti zivataros területek. Az űrhajós több ideig tud fényképezni egy célterületet egy rögzített kamerához képest, mert lehetősége van végig követni a villámok aktivitását, ahogy az űrállomás elhalad fölöttük. Így is átlagosan mindössze 5-7 perc áll rendelkezésre egy zivatargóc megfigyelésére.

Ehhez a kamerát időben össze- és be kell állítani, a megfelelő objektívet kell használni, tájékozódni kell, hogy milyen iránybán várható a célpont feltűnése, majd biztos kézzel jó felvételeket kell készítenie és követnie is kell a célpontot. Mindez földi körülmények között sem egyszerű, a súlytalanság állapotában pedig kimondott kihívást jelent.

360° videó a kupolából történő észlelésről

Miért a világűrből?

A Nemzetközi Űrállomás pályája olyan, hogy fokozatosan bejárja az északi és déli kb. 56° szélességek közötti tartományt a Föld körül. Ezáltal, ha nem is egyszerre, de valamennyi villám-aktív régió fölött lehetséges észlelés. Ez gyakorlatilag globális lefedettséget jelent, ahol ráadásul a földfelszínnek egyszerre  egy nagy területe látható be odafentről, ami 370-400 km-es magasságból egy kb. 4000 km átmérőjű kört fed le.

Emellett semmi sem akadályozza a rálátást a felhőzet tetejére, illetve a felhők feletti légkörre, amelyben további, elektromos kisülésekhez kapcsolható fényjelenségek, felvillanások előfordulhatnak. Ezeknek a fényeknek a színét, színösszetételét megváltoztathatja a Föld légköre, ha a földfelszínről figyeljük meg őket. Felfelé a sokkal ritkább levegő miatt ez a torzítás is kisebb, így a jelenségek eredeti színeikben rögzíthetők.

A földközeli pályáról végzett villámészlelésnek, ahol a nemzetközi űrállomás is kering, megvan az az előnye, hogy közelebbről nagyobb felbontású részletgazdagabb felvételek készíthetők a kisülésekről.

Helye a tudományban

A légköri elektromosság fő forrásai az aktív zivatarok. A bennük kialakuló villámkisülés nem csak látványos természeti jelenség, hanem egyidejűleg a környezetünk vizsgálatának egy sokoldalú eszköze is. Különösen a villámlás közben keletkező rádióhullámok antennákkal történő észlelése sokoldalú alkalmazást tesz lehetővé. Előrejelezhetjük illetve tanulmányozhatjuk a szélsőséges időjárási eseményeket, információkat szerezhetünk általuk a földkörüli térség elektromos állapotáról, de akár a földfelszín alatti rétegek tulajdonságairól is.

Hogy egy területen milyen gyakran jöhet létre zivatar és ebben a töltésszétválasztás milyen intenzív, illetve a villámaktivitás mennyire erős, az a helyi éghajlatra jellemző tulajdonság. A zivatarosság és a villámok megfigyelése tehát az éghajlat jellemzésének egy speciális eszköze. Az éghajlat változásai is vizsgálhatók ebből a szempontból, ha elegendően sok észlelés áll a rendelkezésünkre.

Zivataros órák átlagos évi száma területenként

Interaktív villámgyakoriság térkép

Az extrém erős töltésfelhalmozódás, vagy a különösen hosszan tartó elektromos kisülések, óriásvillámok a szélsőségeket képviselik a légköri elektromos jelenségek között. Ezek viszonylag ritkán fordulnak elő (bolygószerte átlagosan percenként néhány), de a környezetre gyakorolt (átmeneti) hatásuk kiemelkedő és pont ezért egyedileg, jobban vizsgálhatók és segítenek értelmezni a légkörben, a szűkebb és tágabb környezetünkben zajló geofizikai folyamatokat, a légköri jelenségek kapcsolatát a világűrből érkező sugárzásokkal vagy éppen a Föld kőzetburkának tulajdonságaival.

Az elektromos töltések hirtelen vagy gyors átrendeződései a zivatarfelhőben, amit pl. egy átlagon felüli erősségű villámkisülés okoz, további elektromos kisüléseket váltanak ki a zivatarfelhő tetején vagy akár fölötte nagy magasságban is (akár 50-70 km magasan is), amelyeket változatos alakú, de jellemzően nagyon rövid időtartamú (egy másodpercnél rövidebb), de nagy méretű (akár több tíz km-es kiterjedésű) vörös és kékes-lilás színekben megjelenő, a gyakorlatban csak éjszaka megfigyelhető fényfelvillanások kísérnek. Ezek a jelenségek alkotják a felhők fölötti elektromos eredetű fényfelvillanások (FEF jelenségek) csoportját. E jelenségek észlelése jól szolgálja az extrém légköri elektromos aktivitás és hatásainak a kutatását.

Tudományos kérdések

A villámok és a felhők fölötti elektromos eredetű fényfelvillanások (FEF jelenségek) szoros kapcsolatban állnak. Nevezetesen az extrém villámok, más néven óriásvillámok okozzák a légkör magasabb rétegeiben megjelenő például vörös lidérceket. Arról azonban egyelőre hiányosak az ismereteink, hogy a kiváltó villám milyen tulajdonságától függ például a vörös lidérc alakja. Nincs két egyforma vörös lidérc, de mégis néhány jellegzetes alak változataiban jelennek meg, pl. oszlop vagy répagyökér formában. Hogy milyen villám kelti az egyik vagy a másik alakot, azt egyelőre nem tudjuk. Bízunk benne, hogy ennek a küldetésnek a megfigyeléseivel közelebb jutunk a válaszhoz.

Több olyan villámészlelő hálózat létezik, amely a nagyobb villámokat észlelni képes bárhol következzenek is be a Földön. Ezeknek a hálózatoknak azonban nem egyforma az észlelési hatékonysága a Föld különböző részein, hiszen mindenhová nem lehet villámészlelő antennát telepíteni. A világűrből folytatott észlelések segítenek felmérni a földi villámészlelések hatásfokát.

A WWLLN villámészlelő hálózat állomásai 2006-ban

Elvileg a FEF jelenségkör néhány elemét is lehet távolról, közvetett módon érzékelni (pl. rádióhullámok vagy infrahangok által), azonban ezeknek az alternatív észleléseknek sem ismert a hatásfoka. Ennek a felderítésében és segíthet ez a projekt.

Egy földi észleléshez képest a villámfények és a FEF fényjelenségek színeit alig változtatja meg azon a vékonyabb légrétegen történő áthaladás, amely a felhőtető és az űrállomás között húzódik. Emiatt legalábbis az alkalmazott kamera érzékelés tartományában a megfigyelt jelenségek színösszetételéről, illetve annak a magassággal való változásáról is torzításmentes képet kaphatunk.

A légköri elektromosságot is figyelembe vevő éghajlatkutatás támogatásához a légelektromos jelenségek, azon belül az extrém folyamatok nagyszámú észlelésére van szükség globális lefedettséggel. Az UHU észlelési kísérlet eredményei felhasználhatóak lehetnek mesterséges intelligencia alapú automatikus eseményfelismerési algoritmusok betanításában, amelyek hatékonyan szolgálhatják egy kutatást segítő kiterjedt adatbázis felállítását.

Előzmények

A vörös lidérc jelenséget és a többi hasonló felsőlégköri elektromos kisülési formát mindössze 30-35 évvel ezelőtt fedezték fel az 1990-es években. Intézetünk első részvétele a világűrből történő megfigyelések kiértékelésében a Columbia űrsikló 2003-as küldetéséhez (STS-107) kapcsolódott, amely arról is ismert, hogy a visszatérés során tragikus balesetet szenvedett. Akkor a világűrben az űrsikló állt a felvételek készítéséhez alkalmas irányba, ma az űrállomás kupola ablakában az űrhajós irányíthatja a kamerát a célpont felé. Akkor a HUN-REN FI az alacsonyfrekvenciás óriásvillám-észleléseink révén vett részt a tudományos munkában, ma pedig az észlelési kísérlet javaslói vagyunk és vállaltuk a földi tudományos csoport munkájának a menedzselését.

Magyarországról Sopronból 2007 óta folytatunk kamerás megfigyeléseket (megszakításokkal) kifejezetten a felsőlégköri elektromos kisülések észlelése céljából. Mivel ezek a felvillanások nagy magasságban következnek be, a soproni megfigyelések Közép-Európa nagy részét lefedik. Baján 2014 óta működik kameránk, amelyet távvezérléssel tudunk irányítani. A felsőlégköri kisülésekkel kapcsolatos tudományos eredményeink egyike pl. alátámasztja az óriásvillámok és az általuk kiváltott, ún. táncoló vörös lidércek közötti szoros kapcsolatot.

Lidérckamera a Bajai Csillagászati Obszervatórium épületén

Az UHU küldetéshez leginkább hasonlatos küldetésre 2015-ben került sor, amikor egy dán űrhajós végzett ilyen észleléseket az űrállomás kupolaablakából a THOR kísérlet keretében. Időközben fejlődött a világűrből végzett észlelések technikája és a tapasztalatok is gyűltek. Az alkalmazott kamerák is jobbak lettek, és a célpont előrejelzések megbízhatóságát is sikerült javítani. Legutóbb az izraeli ILAN-ES kísérletsorozat célkitűzése volt ilyen megfigyelések végzése, amelyet az Axiom Space AX-1 és AX-3 küldetéseinek során sikeresen meg is valósítottak. Elmondhatjuk, hogy valamennyi eddigi űrbéli észlelési projekt során új tudományos eredmények születtek. Az Axiom Space korábbi tapasztalatait és az izraeli kutató kollégák támogatását bírva minden okunk megvan rá, hogy a mostani kísérletnél is bízhatunk ebben.

Miért UHU?

Sok a hasonlóság a vadászó bagoly röpte és a villámokat fényképező űrhajós között. Mindkét esetben éjszakai, gyakorlatilag hangtalan repülésről van szó, ahol a magasból a vadász éber figyelemmel és éles szemmel keresi a zsákmányát. Csak amíg a bagoly prédái kisebb rágcsálók, addig az űrállomásról fényképezve a légköri elektromos kisülések kerülhetnek lencsevégre. A nagy uhu gyakran szimbolizálja a bölcsességet és a tudományt, így a projekt tudományos jellegéhez is jól illeszkedik.

Kiegészítő észlelések

A világűrből észlelt kisülések alaptulajdonságait, ahol lehetséges, a felszíni villámészlelő hálózatok meghatározzák. A hely és időpont adatok pl. az elemzések fontos kiindulópontjai.

A küldetést földfelszíni kamerás észlelési kampány is kísérni fogja. Ebben profi és hobbi észlelők is csatlakozhatnak a kihíváshoz, hogy ugyanazt a kisülést egyidejűleg örökítse meg az űrállomásról az észlelő űrhajós és a földfelszínről is valaki is. Vörös lidércek, kék és óriás nyalábok esetén ez idáig még egyetlen korábbi hasonló küldetés során sem valósult meg. Erről több információ a ‘Részt vehetek!’ menüpontban található.

Hasznos további információ lehet, ha az űrből fényképezett villámok hangját is sikerül rögzíteni. Ezt természetesen csak földi észleléssel lehetséges. Az esélyeinket növeli, hogy a nagyon alacsonyfrekvenciás hangokat, az ún. infrahangokat többszáz km távolságban is lehet észlelni speciális berendezésekkel, amelyek hálózatban is üzemelnek. Az egyik ilyen állomás Magyarországon Piszkés-tetőn található.

A villámlás számos további tulajdonsága határozható meg az általa keltett rádióhullámokból (gyakorlatilag rádiózajból). Ezt különböző frekvenciatartományokban észleljük több mérőállomáson, amelyeket különböző hazai és külföldi intézmények működtetnek. Ezek közül kiemelném az extrém alacsony frekvenciasávban működő észleléseket, amelyek a HUN-REN FI fenntartásában a Széchenyi István Geofizikai Obszervatóriumban is folynak. Ez a mérőrendszer képes észlelni az óriás villámok egyedi jeleit, bárhol következzenek is be a Földön. Így saját mérési adatainkat is felhasználjuk az észlelések kiértékelésénél.