Projekt OP VVV: Unikátní výzkum kosmického záření a jevů v atmosféře

V Ústavu jaderné fyziky AV ČR se studiu kosmického záření a radiačních jevů v atmosféře věnuje multidisciplinární tým - jedná se totiž o problematiku protínající oblasti meteorologie, fyziky atmosféry, fyziky ionizujícího záření, šíření elektromagnetického signálu atmosférou, kosmického počasí, studia bleskových výbojů a ionizace obecně.

„Kosmické záření a bouřková činnost mají překvapivě mnoho společného. Stav atmosféry působí na sekundární částice kosmického záření měřených na zemském povrchu. Kosmické záření ovlivňuje procesy probíhající v atmosféře hlavně prostřednictvím ionizace, například spouštění blesků nebo změnu podmínek pro šíření elektromagnetických vln v různých vrstvách atmosféry. Bouřkový oblak funguje jako přírodní urychlovač částic způsobující krátkodobá zvýšení intenzity ionizujícího záření či velmi zajímavé nadoblačné blesky. CRREAT se těmito otázkami zabývá a zmíněné jevy zkoumá v různých nadmořských výškách - na zemi, v atmosféře i na oběžné dráze pomocí přístrojů umístěných na družicích, letadlech, dronech, stratosférických balonech, speciálně vybavených automobilech a četných pozemních stanicích na observatořích,” přibližuje Ondřej Ploc.

Projekt je svým zaměřením a komplexností unikátní, co je jeho cílem a jaká byla motivace vedoucí k tvorbě takto multidisciplinárního výzkumu uvedených jevů?

V komplexních projektech je nutné jednotlivé vědecké obory propojovat. Zkoumáme-li například radiaci z bouřek, jednoduše potřebujeme odborníky na detekci ionizujícího záření a odborníky na počasí a elektrické výboje. Vývoj nových přístrojů a zařízení testovací laboratoře vyžaduje další odborníky. Výzva MŠMT “Podpora excelentních týmů” na takové propojení odborníků byla přímo stavěná. Našimi cíli bylo a je za prvé detailněji popsat souvislosti mezi radiací detekovanou v atmosféře a bouřkami, a za druhé objasnit jevy způsobující variace sekundárního kosmického záření v atmosféře. Právě kosmickému záření se náš tým na Ústavu jaderné fyziky (ÚJF) věnuje dlouhodobě, projekt CRREAT tak navazuje na dobrou tradici ústavu. Ale vůbec nejsilnější motivací bylo vědomí, že máme nadšený mladý tým a podporu Prof. Karla Kudely, vědecké kapacity světového formátu, který se stal také prvním klíčovým zahraničním vědeckým pracovníkem projektu. Velmi nás mrzí, že se pokračování projektu nedožil.

Můžete stručně popsat realizační tým a jakým aktivitám se v rámci projektu nejvíce věnují?

Jádro vědeckého týmu tvoří klíčoví vědečtí pracovníci se zkušenostmi ze zahraničí, ale významnou část aktivit pokrývají doktorandi. Velkou oporou týmu jsou zahraniční kolegové.

Tématicky byl projekt rozdělen podle zaměření jednotlivých specializací organizací na tři oblasti výzkumu, jejichž členové se měsíčně setkávají a své činnosti koordinují. Za realizaci v oblasti výzkumu zabývající se dozimetrií ionizujícího záření v atmosféře zodpovídá tým pracovníků ÚJF. Otázkami fyziky bouřkových oblaků a nadoblačných procesů se zabývají pracovníci Ústavu fyziky atmosféry AV ČR, v.v.i (ÚFA). Otázkám charakteristik elektromagnetického záření v atmosféře se věnují vědečtí pracovníci Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze (FEL).

Výzkumný tým z ÚJF provádí měření ionizujícího záření - primárního předmětu zkoumání v tomto projektu. Zabývá se také vývojem nových dozimetrů, jejich testováním a kalibrací na urychlovačích v ČR a v Japonsku, jejich instalací a zprovozněním na observatořích v ČR i v zahraničí. V rámci projektu provádíme měření i prostřednictvím mobilních detektorů ionizujícího záření umístěných na palubách letadel, na stratosférických balonech a na družicích v kosmu (na Mezinárodní kosmické stanici či na cubesatech SOCRAT-R a Lucky-7). Další vesmírné mise (Matroshka III a ruský návratový modul BION-M2) jsou v procesu příprav. Pro získávání dat o iniciaci blesků a radiaci generované bouřkou jsme přístrojovou technikou vybavili tři měřící vozy pro lov bouřek.

Výzkumný tým z ÚFA je zapojen do analýzy a měření elektromagnetických signálů vyzařovaných během vzniku a vývoje bleskových výbojů. K tomuto účelu používá síť nově vyvinutých širokospektrálních antén SLAVIA umístěných na celkem osmi místech v Evropě (4 v Česku). Pracovníci ÚFA byli dále zapojeni do jedinečného francouzského projektu zaměřeného na zkoumání bleskových výbojů a nadoblačných bouřkových jevů prostřednictvím družice TARANIS, jejíž start se v listopadu 2020 bohužel nezdařil. I když se nepodaří postavit a vypustit družici znovu, tak lze analyzátor použít pro měření radiových signálů na jakékoliv podobné družici či stratosférickém balónu. Pracovníci ÚFA se dále zabývají měřením vertikálního profilu velikosti hydrometeorů v bouřkovém oblaku a meteorologických cílů (déšť, sníh led a kroupy). Vyvíjejí elektrizační model (model vzniku a vývoje elektrického pole v oblačnosti a vznik blesků) pro numerický model předpovědi počasí s explicitní oblačnou mikrofyzikou. Milešovka se stala klíčovým místem pro monitorování bouřek v CRREATu a to díky vstřícnosti ÚFA, pod který spadá správa této observatoře.

Část měřící aparatury na Milešovce: stanice SEVAN, Cloud profiler a antény SLAVIA

Výzkumný tým na FEL se zabývá vývojem přesných vícefrekvenčních přijímačů pro studium chyb navigačních systémů, modely a širokopásmovými softwarovými přijímači pro měření rušení v radiofrekvenčních pásmech L, S a C. Významnou investicí bylo pořízení vysokoproudového generátoru elektrických výbojů, díky němuž experimentálně zkoumáme radiační jevy vyvolané bleskovými výboji v laboratorních podmínkách. Členové laboratoře se podílejí na rozvoji bezkontaktních metod měření hodnoty bleskového proudu. Dále byl na FEL vyvinut VHF interferometr pro studium procesů tvorby blesků v oblacích. Rovněž se studují metody přesné lokalizace s využitím rádiových signálů v pásmu velmi dlouhých vln generovaných bleskovým výbojem.

V jaké fázi je dnes realizace projektu, zasáhla ji současná pandemická situace?

Dotace nám má skončit příští rok v říjnu, ale pak pokračujeme šestiletým obdobím udržitelnosti. Pandemie nás připravila o podstatnou část naplánovaných cest do zahraničí (konference, experimenty, studentské stáže). Částečným řešením je, že konference probíhají online a přístroje do zahraničí posíláme s tím, že samotný experiment provedou strategičtí partneři projektu. Pandemie ještě ztížila i za normálního stavu dost obtížnou situaci s nákupem materiálu a pracovních pomůcek a přístrojů. Prodloužení projektu o několik měsíců by v některých činnostech řešilo dorovnání skluzu. Pandemie bohužel připravila o život našeho strategického partnera v Moskvě, dobrého člověka, Prof. Panasyuka.

Projekt sice ještě není ukončen, ale máte již nějaké publikované výsledky či závěry?

Do současné doby bylo publikováno okolo 43 vědeckých článků v impaktovaných vědeckých časopisech, bylo referováno na více než 50ti konferencích a seminářích. Byly schváleny dva patenty. Vznikla celá řada nových detektorů záření a unikátních měřicích metod. Investicí do detektoru SEVAN jsme se zapojili do mezinárodní monitorovací sítě. Umožňuje nám to porovnání odezvy během různých radiačních jevů nejen v čase, ale i prostoru. Zjistili jsme, že bouřkovou radiaci je možné detekovat i v našich nadmořských výškách, což se dosud podařilo jen v Japonsku díky jejich specifickým zimním bouřkám s jinými parametry. Podařil se také dosud světově nejrozsáhlejší experiment REFLECT srovnávající přímo za letu dopravního letadla několik desítek přístrojů používaných k měření kosmického záření.

Nastiňte, prosím, čtenářům, jak mohou být využity výsledky vašeho výzkumu v praxi?

Poznatky projektu pomohou zlepšit prvky radiační ochrany posádek a cestujících letadel. O důležitosti tohoto tématu svědčí srovnání našich měření v letadle a v evakuovaných oblastech Fukušimy krátce po havárii. Jasně ukazují, že na letadlech je úroveň zhruba o polovinu vyšší. A to za běžných podmínek. Jevy, kterým se tu věnujeme, mohou tyto dávky záření ještě mnohonásobně navýšit. Když si to spojíte s tím, že v každém okamžiku je ve vzduchu zhruba milion lidí, tak je zřejmé, že praktická aplikace našeho výzkumu je co do bezpečnosti letecké dopravy veliká.

V rámci projektu byla vyvinuta celá řada nových přístrojů, jejichž výrobní dokumentace je veřejně přístupná. Zvýšení přesnosti navigačních systémů zlepší bezpečnost v dopravě. Na výsledky naší práce již navázaly další projekty aplikovaného výzkumu.

K výsledkům s dlouhodobým potenciálem bezesporu patří i činnost našich doktorandů, kteří v rámci svého studia získávají další cenné zkušenosti.

Chtěl byste dodat ještě něco, co v rozhovoru nezaznělo?

Projekt těchto rozměrů má mezinárodní přesah a to nejen prostřednictvím zahraničních excelentních pracovníků v projektu, ale zejména naším zapojením v projektech mezinárodní spolupráce. Kromě toho máme opravdu široké mezinárodní zastoupení ve vědeckém poradním orgánu z Arménie, Česka, Francie, Japonska, Německa, Ruska a USA. Složení našeho SAC dokazuje, že věda národy spojuje.

Co bychom neradi zapomněli zmínit je poděkování celému realizačnímu týmu: vědeckým pracovníkům, postdokům, doktorandům, ale i našemu administrativnímu týmu, který činí naší vědeckou práci jednodušší.

Děkujeme za rozhovor!

Podrobnější informace o projektu naleznete zde.

Zdroj: MŠMT