Live τώρα    
17°C Αθήνα
ΑΘΗΝΑ
Ελαφρές νεφώσεις
17 °C
14.7°C18.4°C
0 BF 82%
ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ
Ελαφρές νεφώσεις
13 °C
12.0°C14.9°C
1 BF 75%
ΠΑΤΡΑ
Αραιές νεφώσεις
17 °C
15.0°C17.6°C
2 BF 81%
ΗΡΑΚΛΕΙΟ
Σποραδικές νεφώσεις
18 °C
16.1°C18.0°C
2 BF 72%
ΛΑΡΙΣΑ
Ασθενείς βροχοπτώσεις
9 °C
8.9°C12.5°C
0 BF 100%
Επεκτείνοντας τη ματιά μας στον Ήλιο
  • Μείωση μεγέθους γραμματοσειράς
  • Αύξηση μεγέθους γραμματοσειράς
Εκτύπωση

Επεκτείνοντας τη ματιά μας στον Ήλιο

Σημεία Λαγκράνζ: από τη Μηχανική του 18ου αιώνα στις σύγχρονες διαστημικές αποστολές

Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα της Μηχανικής υπήρξε ο αναλυτικός προσδιορισμός της κίνησης τριών σωμάτων που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω της βαρύτητάς τους. Το πρόβλημα αυτό, το οποίο αποτελεί υποπερίπτωση του αντίστοιχου προβλήματος των «Ν-σωμάτων», παραμένει ακόμη και σήμερα μια πρόκληση και απασχόλησε τους μαθηματικούς από την εποχή της νευτώνειας Μηχανικής.

Μια πρώτη απλούστευση είναι να θεωρήσει κανείς ένα σύστημα δύο σωμάτων τα οποία περιστρέφονται το ένα γύρω από το άλλο και τα οποία συγκεντρώνουν τη μεγαλύτερη μάζα του συστήματος και να εξετάσει το είδος των τροχιών υποθετικών μικρών, σχεδόν αβαρών σε σχέση με τα άλλα δύο, σωμάτων στην περιοχή τους. Τα σημεία ισορροπίας Λαγκράνζ (Lagrange) είναι σημεία που βρίσκονται στην περιοχή των δύο σωμάτων στα οποία εάν τοποθετηθεί ένα μικρότερο σώμα, αυτό θα τεθεί σε σχετικά σταθερή τροχιά γύρω από αυτά τα σημεία. Τα σημεία αυτά ανακαλύφθηκαν από τον Ελβετό μαθηματικό Euler και τον Ιταλό μαθηματικό και αστρονόμο Joseph-Louis Lagrange. Μάλιστα, το έργο του τελευταίου στη νευτώνεια Μηχανική τη μεταμόρφωσε σε έναν σχεδόν εξολοκλήρου νέο κλάδο, αυτόν της λαγκρανζιανής Μηχανικής.

Τα σημεία Λαγκράνζ είναι πέντε και συμπεριστρέφονται μαζί με το σύστημα των δύο σωμάτων. Τα τρία από αυτά (L1, L2 και L3) βρίσκονται στην ευθεία που ενώνει τα δύο σώματα, από τα οποία μόνο το L1 βρίσκεται μεταξύ των δύο σωμάτων. Τα L4 και L5 προηγούνται και έπονται, αντίστοιχα, επί της τροχιάς του μικρότερου σώματος. Οι θέσεις των σημείων Λαγκράνζ μπορούν να υπολογιστούν για κάθε ζεύγος σωμάτων τα οποία περιστρέφονται το ένα γύρω από το άλλο και έτσι κάνουμε λόγο για τα σημεία Λαγκράνζ Ήλιου-Γης, Γης-Σελήνη, Ήλιου-Δία κ.λπ.

Γενικά, η γνώση των σημείων ισορροπίας γύρω από μεγάλα σώματα όπως πλανήτες και αστέρες, το είδος των τροχιών και της ευστάθειάς τους έχουν μεγάλη σημασία για τη δυναμική εξέλιξη ενός συστήματος σωμάτων. Με τη βοήθεια των τεχνικών της Δυναμικής Αστρονομίας, όπως ονομάζεται ο σχετικός κλάδος, υπολογίζουμε τις τροχιές διαστημικών αποστολών, πλανητών σε συστήματα αστέρων και αστεριών σε γαλαξίες. Ένα παράδειγμα από το ηλιακό μας σύστημα είναι τα σημεία L4 και L5 του συστήματος Ήλιος-Δίας, στα οποία βρίσκονται αντιστοίχως δύο ομάδες αστεροειδών οι οποίοι ονομάζονται «Τρωικοί» και κινούνται μαζί με τον Δία στην τροχιά του. Οι αστεροειδείς που προηγούνται του Δία και βρίσκονται στο L4 ονομάζονται «Έλληνες», ενώ αυτοί που βρίσκονται στο L5 έπονται του Δία και ονομάζονται «Τρώες».

Στη σύγχρονη διαστημική εποχή, πιο άμεση και με σημαντικές επιπτώσεις εφαρμογή είναι αυτή των διαστημικών αποστολών, η οποία μας επιτρέπει να γνωρίζουμε όχι μόνο την τελική θέση ενός οργάνου στο διάστημα αλλά και την τροχιά που θα ακολουθήσει μέχρι να φτάσει εκεί, τον χρόνο και τα καύσιμα που θα χρειαστεί κ.λπ.

Πιο συγκεκριμένα, τα σημεία Λαγκράνζ του συστήματος Ήλιος-Γη (αλλά και άλλων συστημάτων όπως π.χ. Γης-Σελήνης κ.λπ.) έχουν μεγάλη σημασία για τις διαστημικές αποστολές, καθώς εκεί μπορούν να τοποθετηθούν όργανα τηλεπισκόπησης ή επιτόπιων μετρήσεων. Πράγματι, αυτό έχει συμβεί με το διαστημικό παρατηρητήριο SoHO (Solar and Heliospheric Observatory), μία από τις πιο επιτυχημένες διαστημικές αποστολές, τοποθετημένο στο σημείο L1 του συστήματος Ηλίου-Γης. Το SOHO ήταν αποτέλεσμα συνεργασίας μεταξύ των διαστημικών υπηρεσιών της Ευρώπης και των ΗΠΑ (ESA και NASA) και, παρ’ όλο που η αρχική διάρκεια της αποστολής είχε οριστεί στα τρία έτη, αυτή έχει πλέον ξεπεράσει τα είκοσι τρία και κάποια από τα όργανα που μετέφερε προσφέρουν αδιάκοπες παρατηρήσεις του Ήλιου από το 1995.

Ο διαστημικός καιρός

Με τον όρο «διαστημικός καιρός» αναφερόμαστε στο σύνολο των συνθηκών του διαστημικού χώρου, κυρίως στο περιβάλλον της Γης αλλά και γενικότερα μέσα στο ηλιακό σύστημα. Οι συνθήκες αυτές μπορούν συχνά να γίνουν απειλητικές για στις εκατοντάδες των τεχνητών δορυφόρων που έχουμε σε τροχιά γύρω από τον πλανήτη μας, ενώ τα πιο έντονα φαινόμενα που σχετίζονται με τον διαστημικό καιρό μπορούν να επιδράσουν ακόμα και στην ασφάλεια των αστροναυτών στον διεθνή διαστημικό σταθμό και στις αεροπορικές πτήσεις.

Κύριος υπαίτιος του διαστημικού καιρού είναι ο Ήλιος είτε μέσω της διαρκούς ροής σωματιδίων που εκπέμπει (τον ηλιακό άνεμο) ή μέσω έκτακτων εκρηκτικών φαινομένων που συμβαίνουν στην ατμόσφαιρά του, όπως οι εκλάμψεις και οι εκτινάξεις στεμματικής μάζας. Κατά τη διάρκεια των εκλάμψεων εκπέμπονται τεράστια ποσά ακτινοβολίας σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα και επιταχύνονται σωματίδια σε τεράστιες ταχύτητες, ενώ με τις εκτινάξεις στεμματικής μάζας τεράστια ποσά υλικού της ηλιακής ατμόσφαιρας εκσφενδονίζονται στο Διάστημα.

Αν και δεν είναι απειλητικά για τη ζωή στη Γη, τα φαινόμενα αυτά επιδρούν στις ραδιοφωνικές τηλεπικοινωνίες, στους δορυφόρους που έχουμε στο Διάστημα καθώς και σε επίγεια δίκτυα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας κ.λπ. Ειδικά στις τελευταίες δεκαετίες, που ο τεχνολογικός μας πολιτισμός εξαρτάται όλο και περισσότερο από αυτές τις υποδομές, μια πιθανή καταστροφική επίδραση του διαστημικού καιρού μπορεί να έχει τεράστιο κόστος και να ταλαιπωρήσει εκατομμύρια κόσμου. Για αυτό τον λόγο, η επιστημονική κοινότητα έχει αφιερώσει μεγάλο μέρος των προσπαθειών της στην κατανόηση των ηλιακών φαινομένων και την επίδρασή τους στον διαστημικό καιρό, ενώ ταυτόχρονα οι καινοτόμες προσπάθειες για την πρόγνωση του διαστημικού καιρού αυξάνονται. Όλες αυτές οι προσπάθειες στηρίζονται στην εντατική μελέτη των ηλιακών φαινομένων μέσω διαστημικών και επίγειων παρατηρήσεων και στη διαρκή επισκόπηση του Ήλιου και του διαστημικού περιβάλλοντος που προσφέρουν συγκεκριμένες διαστημικές αποστολές.

Η πρόγνωση του διαστημικού καιρού και το σημείο L5

Σήμερα υπάρχουν ήδη αρκετές διαστημικές αποστολές που εξυπηρετούν την επιστημονική έρευνα στην ηλιακή και διαστημική Φυσική. Κάποια από αυτά τα διαστημικά παρατηρητήρια προσφέρουν παρατηρήσεις του Ήλιου που δεν μπορεί κανείς να λάβει από την επιφάνεια της Γης (π.χ. συλλέγοντας την υπεριώδη ακτινοβολία του Ήλιου), ενώ άλλα εκτελούν επιτόπιες μετρήσεις της ταχύτητας και της σύστασης τους ηλιακού ανέμου. Οι παρατηρήσεις αυτές είναι υψηλής ποιότητας και βελτιώνονται όσο βελτιώνεται η τεχνολογία των οργάνων μέτρησης που στέλνουμε στο Διάστημα. Πολλά από αυτά τα όργανα εκτελούν προγράμματα παρατηρήσεων τα οποία σχεδιάζονται σε ετήσια βάση από ομάδες ερευνητών και συχνά συνοδεύουν παρατηρήσεις από τη Γη ή άλλα διαστημικά όργανα. Ένα παράδειγμα ενός τέτοιου οργάνου είναι το IRIS (Interface Region Imaging Spectrograph https://iris.gsfc.nasa.gov/), με το οποίο απεικονίζουμε τα θερμά στρώματα της ηλιακής ατμόσφαιρας σε συγκεκριμένες περιοχές του ηλιακού δίσκου.

Για να μπορεί ένα διαστημικό παρατηρητήριο να εξυπηρετεί εκτός από επιστημονικούς σκοπούς και επιχειρησιακά προγράμματα πρόγνωσης του διαστημικού καιρού, θα πρέπει να πληροί κάποιες επιπλέον προδιαγραφές. Προκειμένου να είμαστε σε θέση να κατασκευάσουμε ακριβή μοντέλα πρόγνωσης (είτε συμβατικής στατιστικής ή χρησιμοποιώντας Τεχνητή Νοημοσύνη), θα πρέπει να έχουμε στη διάθεσή μας αδιάκοπες και σταθερής ποιότητας παρατηρήσεις του ηλιακού δίσκου ή/και μετρήσεις των συνθηκών του διαστημικού πλάσματος. Στην περίπτωση της παρατήρησης του Ήλιου χρειαζόμαστε αδιάκοπες παρατηρήσεις του συνόλου του ηλιακού δίσκου, οι οποίες να μεταδίδονται σε (σχεδόν) πραγματικό χρόνο στη Γη. Ένα όργανο που πληροί αυτές τις προδιαγραφές είναι το SDO (Solar Dynamics Observatory https://sdo.gsfc.nasa.gov/), το οποίο παρέχει σχεδόν αδιάκοπα παρατηρήσεις του ηλιακού δίσκου από το 2010. Οι απεικονίσεις του μαγνητικού πεδίου στην επιφάνεια του Ήλιου (τη φωτόσφαιρα) χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μοντέλων πρόγνωσης των ηλιακών εκρήξεων από μια σειρά από υπηρεσίες πρόγνωσης ανά την υφήλιο, όπως το πρόγραμμα MAG4 (https://www.uah.edu/cspar/research/mag4-page) του Πανεπιστημίου της Αλαμπάμα, το διεθνές ευρωπαϊκό πρόγραμμα FLARECAST (http://flarecast.eu/) που ολοκληρώθηκε πρόσφατα κ.ά.

Οι συστηματικές παρατηρήσεις που χρησιμοποιούμε μέχρι στιγμής απεικονίζουν το τμήμα του ηλιακού δίσκου που είναι ορατό από τη Γη. Το SDO, για παράδειγμα, βρίσκεται σε μια γεωσύγχρονη τροχιά σε ύψος περίπου 35.000 χιλιομέτρων, ενώ το SΟHO, όπως ήδη αναφέρθηκε, βρίσκεται στο σημείο L1 μεταξύ Ήλιου και Γης. Η παρατήρηση μόνο του ορατού από τη Γη ηλιακού δίσκου περιορίζει τον ορίζοντα πρόγνωσης των ηλιακών φαινομένων μόνο σε αυτά που προέρχονται από περιοχές οι οποίες έχουν παρατηρηθεί για τουλάχιστον λίγες ημέρες. Για τις περιοχές που βρίσκονται ακόμη πίσω από το ορατό ανατολικό χείλος δεν έχουμε πληροφορία.

Μια εξαίρεση σε αυτό αποτέλεσε η αποστολή STEREO (Solar Terrestrial Relation Observatory, https://stereo.gsfc.nasa.gov/), η οποία εκτοξεύτηκε το 2006. Η αποστολή αποτελούνταν από δύο σκάφη τα οποία τέθηκαν σε τροχιά γύρω από τον Ήλιο, στην απόσταση της Γης, με τέτοιο τρόπο ώστε το ένα να προηγείται και το άλλο να έπεται της Γης. Η απόσταση μεταξύ των δύο σκαφών συνεχώς αυξανόταν, με αποτέλεσμα αυτά να παρατηρούν τον Ήλιο από διαφορετικά σημεία, προσφέροντας, κατά το μεγαλύτερο μέρος της αποστολής, στερεοσκοπικές παρατηρήσεις της ηλιακής ατμόσφαιρας. Ωστόσο, η αποστολή αυτή δεν είχε σχεδιαστεί ώστε να μπορεί να υποστηρίξει επιχειρησιακά προγράμματα πρόγνωσης και επιπροσθέτως σχετικά σύντομα χάθηκε η επαφή με το ένα από τα δύο σκάφη. Παρ’ όλα αυτά, ήταν από τις λίγες περιπτώσεις που είχαμε τη δυνατότητα να παρατηρήσουμε τον Ήλιο από διαφορετική θέση.

Σήμερα πλέον σχεδόν το σύνολο της επιστημονικής κοινότητας των ηλιακών και διαστημικών φυσικών αναγνωρίζει τα σημαντικά πλεονεκτήματα μιας διαστημικής αποστολής στο σημείο L5, το οποίο, όπως αναφέρθηκε, βρίσκεται επί της τροχιάς της Γης και υπολείπεται αυτής κατά 60 μοίρες. Στο σημείο αυτό μια αποστολή θα μπορεί να παρατηρεί τον ηλιακό δίσκο πέρα από το ορατό σε εμάς ανατολικό χείλος, έχοντας τη δυνατότητα να «βλέπει» περιοχές οι οποίες ακόμα δεν είναι ορατές σε εμάς.

Αντιλαμβανόμενη τα οφέλη, η ευρωπαϊκή διαστημική υπηρεσία έχει ήδη ξεκινήσει τη διερεύνηση μιας πιθανής αποστολής στο σημείο L5 σε συνεργασία με επιστημονικούς φορείς και ειδικούς σε διαστημικά συστήματα. Υπολογίζεται ότι μέσα στους επόμενους μήνες θα επιλέξει το τελικό σχέδιο αυτής της αποστολής ώστε σύντομα να ξεκινήσει η κατασκευή της.

Γιάννης Κοντογιάννης

ΣΧΕΤΙΚΑ ΑΡΘΡΑ

ΓΝΩΜΕΣ

ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ

EDITORIAL

ΑΝΑΛΥΣΗ

SOCIAL