Koronal Kütle Atımlarının Kozmik Işınlarla Saptanması KORONAL KÜTLE ATIMLARININ KOZMĠK IġINLARLA SAPTANMASI Gülçin KANDEMĠR İ.T.Ü., Fen-Ed. F., Fizik Bölümü emekli öğretim üyesi [email protected] Özet: Uzay hava tahmini yapmak uzay araçları için olduğu kadar telefon, radyo, televizyon, hatta elektrik devrelerinin korunması için önemlidir. Sorunlara neden olan büyük manyetik fırtınalar, yere ulaşan koronal kütle atımları nedeniyle oluşmaktadır. Yeni başlayan Güneş çevriminin zayıf görünümlü fakat öncekilerden daha şiddetli kütle atımları içeren bir çevrim olacağı tahmin edilmektedir. Güneş‟ten gelebilecek çok büyük koronal kütle atımları sırasında değişik yöntemlerle yerden yapılacak gözlemler önem kazanacaktır. Bu çalışmada, bir önceki çevrim maksimumunda koronal kütle atımlarının kozmik ışınlar yoluyla saptanması amacıyla yapılmış olan bir deney ve sonuçları anlatılarak tartışılmıştır. 1. GiriĢ Koronal kütle atımlarının önceden bilinmesi, ilk bölümde değinilen Uzay Hava Tahmini‟nin en önemli konusudur ve yeni başlayan Güneş çevriminde bu konunun önemi artmıştır. İkinci bölümde Uzay Hava Tahmini‟nin gelişimi özetlenmektedir. Üçüncü bölümde Güneş‟ten yere ulaşan koronal kütle atımlarının gezegenlerarası uzayda bulunan galaktik kozmik ışınları nasıl etkileyerek sayısını azalttığı anlatılmaktadır. Bir önceki maksimumda koronal kütle atımlarının kozmik ışınlar yoluyla saptanması için yapılmış olan bir deney (Kandemir ve diğ., 2002) dördüncü ve beşinci bölümlerde anlatılmaktadır. Dördüncü bölümde bu deneyde kullanılan araçlara yer verilmiş, beşinci bölümde deney anlatılmış, altıncı bölümde ise sonuçlar tartışılmıştır. 2. Uzay Hava Tahmini Gelecek Güneş çevriminin zayıf görünümlü fakat öncekilerden daha şiddetli kütle atımları içeren bir çevrim olacağı tahmin edilmektedir. 1859‟da, henüz koronal kütle atımları bilinmezken, oluşan çok büyük bir manyetik fırtınadan sonra Carrington bunların nedeninin Güneş alevleri (flare‟ler) olduğunu düşünmüştü. Bugün manyetik fırtınalara koronal kütle atımlarının neden olduğu biliniyor. 1859‟daki bilinen en büyük kütle atım olayı sırasında transmisyon hatları elektriklendi, telgraf ofislerinde yangınlar çıktı. Kutup ışıkları (aurora‟lar) o kadar şiddetliydi ki, gece kırmızı yeşil ışıklar altında gazete okunabiliyordu. NASA benzer bir manyetik fırtınanın bugün gerçekleşmesiyle uzun süre uydu, telefon, televizyon, hatta elektrik hatlarının devre dışı kalabileceğini, 1-2 trilyon dolarlık hasar oluşacağını tahmin etmektedir (NASA, 2009). 1859‟daki olayla Uzay Hava Tahmini‟nin başladığı söylenebilir. Fakat deyimi ilk kez 1959‟da Thomas Gold kullanmıştır (Kane, 2006). Güneş‟ten gelebilecek çok büyük koronal kütle atımlarının uyduları çalışamaz hale getirmesi olasılığına karşı yerden yapılacak gözlemler önem kazanabilir. Manyetik fırtınaların önceden tahmini için 8 dakikalık sürede ulaşan Güneş alevleri her zaman kullanılamaz. Çünkü Güneş alevleri ile koronal kütle atımları arasında bire bir ilişki yoktur. Aralarındaki ilişki, kütle atımı olan bölge çok faal olduğu için burada alev de görülme olasılığından ibarettir (Kane, 2006). Koronal kütle atımı gezegenlerarası ortamı etkilediğinden, buralarda bulunan kozmik ışınları da etkiler. Fotosfer‟deki manyetik alan gözlemlerini Güneş alevi veya koronal kütle atımı tahmini yapmak için kullanan araştırmalar bulunmaktadır (Falconer, 2007, 2008). Kozmik ışınların 50 Güneş ve Güneş Benzeri Yıldızlar Sempozyumu - İstanbul sayıca artma veya azalmalarının koronal kütle atımlarından önce yere ulaştığını bildiren çalışmalar yapılmıştır; bu durum manyetik fırtınaların önceden tahmininde kullanılabilir. Nötron monitörleri, müon teleskopları veya farklı yöntemler kullanan deneylerle kozmik ışın yoğunluğu ölçülebilmektedir. 3. Koronal Kütle Atımlarının OluĢması ve Forbush Azalması Güneş manyetik alanları birbiri etrafında S harfi biçiminde dolanmışsa kısa devre yapmışcasına bir etki oluşmakta ve ortada kalan madde koparak Güneş‟ten dışarı atılmaktadır. Böylece oluşan koronal kütle atımlarının değişen hızı nedeniyle yere ulaşma süresi de değişmektedir; genellikle 3-4 gün içinde yere ulaşmaktadırlar. Bu kütlenin çevresinde yerinkine benzer biçimde bir manyetik zarf oluştuğundan bu bölgedeki kozmik ışın parçacıkları uzaklaştırılmakta ve sayıları azalmaktadır. 1-10 milyar tonluk bu yüklü parçacık kütlesi yere çarptığında şok dalgası da oluşmaktadır. Forbush azalması olarak adlandırılan bu kozmik ışın sayı azalması olayında, geçici Güneş rüzgârı parçacıklarına bağlı olarak birkaç saatlik ani bir azalma ve arkasından günler sonra eski değerlere dönüş izlenmektedir (Fenton, 1984). Daha uzun süren azalmalar iki adımda oluşmaktadır. İlk çarpmada şokun değmesi ile parçacık sayısında ani bir azalma ve daha sonra eski değerlere dönüş kaydedilmektedir. Oldukça kısa süren bu ilk etkileşmeden sonra, ikinci adımda yerin bu plazma kütlesinin içine girmesiyle daha uzun süreli bir azalma izlenmektedir. Bu evrede parçacık sayısının tekrar eski değerlerine dönmesi bazen aylarca sürer (Cane ve diğ., 1994, 2000). Koronal kütle atımlarının manyetik zarflarının kalınlığını veren manyetik bulut modelleri yapılmıştır (Russell ve Mulligan, 2002). Mishra ve diğ. (2010) nötron monitörleri ile ölçülen kozmik ışın değişimlerini uydu verilerinde saptanan koronal kütle atımları ile karşılaştırdılar. Çeşitli koronal kütle atım tipleri için kozmik ışın azalma ve artmalarının ilişkisini araştırdılar. Tam halo ve asimetrik tam halo atımlarının başlamasından önce kozmik ışın şiddetlerinde değişimler olduğunu saptadılar. Kısmi halo atımlarının başlamasından 8-9 gün önce kozmik ışınların maksimum olduğunu, 3 gün önce ise azaldığını gördüler. Asimetrik ve kompleks tam halo atımlarda ise koronal kütle atımının başlamasından 2 gün önce azalma ve 2 gün sonra artma gözlediler. Dördüncü bölümde anlatılan deneydekine benzer devrelerin çok sayıda kullanılması ve 30MeV‟lik müonları saptamak üzere ayarlanmasıyla müon teleskopları oluşturulabilmektedir. Müon detektörlerinde sayaçlara genellikle plastik sintilatörler bağlanmaktadır. Jansen ve diğ. (2001) kozmik ışınların uzay hava tahmini için kullanılışında yerde ölçüm yapan müon detektörleri ve nötron monitörlerinin uzaydaki manyetik fırtınalar sırasında üstünlüğü olduğunu, uzay araçlarındaki UV koronografları gibi kesintiye uğramadıklarını belirtmektedir. Nötron monitörleri ancak 50GeV‟den daha fazla enerjili kozmik ışınları ölçebildiği için, müon teleskoplarının jeomanyetik fırtınaları nötron monitörlerinden 24 saat kadar daha önce algılayabildikleri görülmektedir. Kozmik ışın müon teleskopları birçok ülkede kullanılmaktadır. Bunlardan ABD, Avustralya, Brezilya, Japonya ve Kuveyt verilerini internetten uzay hava tahmini için sunmaktadırlar (neutronm.bartol.udel.edu/spaceweather). Jansen ve diğ. (2008) küresel gözlem ağının tamamlanabilmesi için Avrupa ülkelerinin de bu ağa katılması gerektiğini vurgulamaktadır. Yeni geliştirilen radyasyon görüntüleme cihazı Medipix yerden ya da uzay araçlarıyla yapılacak gözlemlerde tercih edilebilir. Bu cihazla kozmik ışınların geniş bir spektrumda parametreleri saptanırken, koronal kütle atımları görüntüsü de aynı anda kaydedilebilmektedir (Jansen ve diğ., 2009). 51 Koronal Kütle Atımlarının Kozmik Işınlarla Saptanması 4. Deneyde Kullanılan Araçlar Istanbul Teknik Üniversitesi‟nde yapılan deneyde (Kandemir ve diğ., 2002) iki özdeş sintilasyon sayacı kullanıldı. Bu sayaçlarla fotomültiplikatör tüpler hermetik olarak aynı muhafaza içinde ve aluminyumla kaplı olarak bulunuyordu. Aluminyum kaplama çok yavaş elektronları elimine etmekteydi. Kozmik ışın değişimlerine hassas olan 0,5-1,5MeV enerjili yavaş gamma fotonlarının gözlenmesi amaçlanıyordu. Daha önce aynı deney setiyle 1999 Güneş tutulması sırasında kozmik ışınların yoğunluk değişimi gözlenmişti (Kandemir ve diğ., 2000). 5. Deney Haziran-Temmuz 2000 aylarında Güneş etkinliği çok fazlaydı. İkisi 6 ve 7 Haziran 2000 tarihlerinde olmak üzere bu dönemde X tipli Güneş alevleri ve koronal kütle atımları oldu. NASA Uzay Hava Bürosu (Space Weather Bureau) gezegenlerarası şok dalgasının ACE uzay aracına 8 Haziran‟da 8:41 UT‟de vardığını ve proton yoğunluğunun iki katına çıktığını bildirmişti. Deneyimiz 9:52 UT‟de şok dalgasının yere varışını saptadı. Güneş‟ten atılan kütlenin şoku 10:00 UT‟de galaktik kozmik ışın yoğunluğunu minimuma indirdi. Sayının eski değere dönmesi 12:05 UT‟de oldu. Bu ilk adımdaki azalma %2,45 idi. 13:12 UT‟de ikinci ve daha büyük azalma %24,4 olarak gözlemlendi. Bu ikinci adım koronal kütle atımı etkisiyle gerçekleşti. 14 Temmuz‟da yeni bir koronal kütle atımı olduğu için Temmuz sonunda eski değerlere dönüş gerçekleşemedi. Kozmik ıĢınlar 1400 1300 Sayım/10 dak. 1200 1100 1000 900 800 700 0 10 20 30 40 50 60 Günler (baĢlangıç 22 Mayıs 2000) ġekil 1. 22 Mayıs 2000‟den başlamak üzere 60 gün boyunca 10 dakikalık sürelerle ölçülen kozmik ışınların ortalama değerleri. 6. TartıĢma ve Sonuçlar 1. İki sintilasyon sayacı ve fotomültiplikatör tüpler kullanılarak oluşturulan bir raslantı devresi ile galaktik kozmik ışınların ikincil bileşeninin yerel ölçümü yapılabilmektedir. Deney, koronal kütle atımlarını ve şok dalgasını algılayabilmektedir. 52 Güneş ve Güneş Benzeri Yıldızlar Sempozyumu - İstanbul 2. 3. Kozmik ışın yoğunluk değerleri %30‟a yakın azalarak manyetik fırtınanın şiddetini işaret etmektedir. Kozmik ışın teleskopu oluşturup global ağa katılınması global uzay hava tahmini için yararlı olacaktır. Kaynaklar - Cane, H. V., Richardson, I.G., von Rosenvinge, T.T., Wibberenz, G., 1994, J. Geophys. Res., 99, 21429-21441. - Cane, H.V., 2000, Sp. Sci. R. 93, Iss.1 / 2, 55-57. - Falconer, D.A., Moore, R.L., Gary, G.A., 2007, J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 69, Iss. 1-2, 86-90. - Falconer, D.A., Moore, R.L., Gary, G.A., 2008, Ap.J., 689, Iss. 2, 1433-1442. - Fenton, A.G., Fenton, K.B., Humble, J.E., 1984, Astron.Soc. Australia, Proceedings, 5, 590-593. - Jansen, F., Munakata, K., Duldig, M.L., Hippler, R., 2001, Muon Detectors-the real time, ground based forecast of geomagnetic storms in Europe, ESA Space Weather Workshop: Looking towards a European Space Weather Programme, ESA WPP-144. - Jansen, F., Behrens, J., 2008, Cosmic Rays and Space Situational Awareness in Europe, Proc. 21st European Cosmic Ray Symp., 626-631. - Jansen, F., Behrens, J., 2009, Relations Between High Energy Astroparticle Physics, Cosmic Ray Physics and Space Situational Awareness, ICATPP 11th 2009. - Kane, R.P., 2006, Advances in Space Research, 37, 1261-1264. - Kandemir, G., Guclu, M.C., Geckinli, M., Firat, C., Boydag, S., Ozguc, A., Yasar, T., 2000, In: The Last Total Eclipse of the Millennium in Turkey, W.Livingston and A Ozguc eds., APS Conference Series, 205, 202-207. - Kandemir, G., Geçkinli M., Fırat, C., Yılmaz, M., Ozugur, B., 2002, Planetary and Space Science, 50, 633-636. - Mishra, R.K., Agarwall, R., 2010, Rom. Journ. Phys., 55, 239-246. - NASA, 2009, NASA Science, May 29, 2009. - Russell, C.T., Mulligan, T., 2002, Planetary and Space Science, 50, 527-534. 53