KORONAL KÜTLE ATIMLARININ KOZMĠK IġINLARLA SAPTANMASI

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
kandemir.gulcin@gmail.com
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