Supersmart romradar under bygging i Skibotn

Forskningsprosjektet «Radar Science with EISCAT 3D» som har vært ledet av den finske forskeren Juha Pekka Vierinen ved UiT, er delfinansiert av Troms Forskningsstiftelse. Om ikke lang tid blir nytt utstyr bygget for å overvåke plasma fra sola.

Forsker Vierinen modell 3D
I ROMMET: Fysiker Juha-Pekka Vierinen ved NT-fakultetet fortsetter arbeidet med Eiscat 3D-radaren i Skibotn. Foto: Magne Kveseth
Portrettbilde av Kveseth, Magne
Kveseth, Magne magne.kveseth@uit.no Kommunikasjonsrådgiver
Publisert: 23.06.22 10:30 Oppdatert: 23.06.22 12:27
Arktis Bærekraft Energi Naturvitenskap Teknologi Økonomi Tromsø

Romforskeren fra Finland

Møt Juha Pekka Vierinen, 42, fra Sjundeå/Siuntio i Finland, førsteamanuensis ved UiTs Institutt for fysikk og teknologi.

Han har bodd 6 år i Tromsø, er gift med Pauliina Vierinen og de har fire sønner som er 11–16 år gamle. Kona er ansatt ved BFE og arbeider administrativt med økonomi og finansiering av prosjekter. Selv spesialiserer han seg på utvikling av nye radar- og radiofjernmålingsteknikker, og bruker dem til vitenskapelige studier innen romplasmafysikk, atmosfærisk fysikk, romavfall og planetarisk vitenskap. 

Han jobber med store og små radarer, men mest med store. Dette arbeidet utføres med radarer over hele verden, inkludert for eksempel Arecibo Observatory-radaren i Puerto Rico, Sondrestrom-radaren på Grønland, Jicamarca Observatory-radaren i Peru, EISCAT-radarene og varmeanlegget, MMARIA meteorradarnettverket i Tyskland, og den usammenhengende spredningsradaren Millstone Hill i Massachusetts USA.»

Finlenderen Vierinen er åpenbart i ferd med å bli tromsøværing, for han sier han ikke begynte å stå på ski før han flyttet til Tromsø og nå er han en ihuga toppturentusiast. «Går opp og kjører ned, som han selv beskriver aktiviteten.»

Anlegget som prosjektet EISCAT 3D bygger i Skibotndalen i Norge, i Karesuando i Finland og i Kaisiniemi i Sverige skal gjøre det mulig å lese bevegelsene til plasma, meteorer, og romsøppel i verdensrommet med en større nøyaktighet enn hva som har vært tilfelle tidligere. I disse dager er byggingen av anlegget godt i gang. 

Knyttet til prosjektet har det vært ansatt fem doktorgradsstipendiater og hele 10 masterstudenter har arbeidet med EISCAT 3D-utviklingen. Forsinkelser har ført til noe seinere oppstart av prosjektets radarovervåking av rommet, men arbeidet pågår med uforminsket styrke.

 Har lært mye i prosjektet

Selv var Vierinen nokså streng med seg selv da han skrev sluttrapporten til Troms Forskningsstiftelse om prosjektet EISCAT 3D. Hvorfor han var så streng, forklarer han slik:

– Jeg er slik at jeg ikke liker å fortelle folk hva de skal gjøre. Jeg har ingen problemer med å diskutere ulike spørsmål med PhD-ene eller masterstudentene, men folk må få bestemme selv hvordan de skal løse sine oppgaver – og det er derfor jeg ser at andre kanskje har de kunnskapene som jeg ikke har og som heller bør lede et så stort prosjekt, sier han.

Og i sluttrapporten skriver han dette:

«I løpet av dette prosjektet har jeg lært at jeg mangler avgjørende ferdigheter og personlighetstrekk som kreves for å være en vellykket prosjektleder. Disse inkluderer overbevisende kommunikasjonsevner, budsjetteringskompetanse, langsiktig planlegging, innkjøpskompetanse og viljen til å fylle ut reisekrav.» Og Vierinen konkluderer selv med at sluttrapporten er forsinket, nettopp fordi han har disse manglene, som han selv kaller dem.

– Jeg tror lærdommen her er at man bør være mer klar til å søke hjelp fra andre som har ferdigheter som du selv ikke har. Selv om jeg ikke er perfekt, tror jeg at jeg har lært noe om prosjektledelse i løpet av dette arbeidet, skriver han.

 

Vierinen antenne radar
EN FAVORITT: Denne radaren i Puerto Rico (Arecibo Observatory-radaren) er den Juha Pekka Vierinen kaller sin favotitt - og derfor har han bilde av den på kontoret sitt.  Foto: Magne Kveseth

Plasma i rommet

EISCAT 3D-prosjektet er designet for å utvikle nye analysemuligheter for radarmåling av plasma i rommet. Vierinen forklarer at energien fra solstormer utenfor vår atmosfære består av enorme mengder energi. Anlegget som prosjektet EISCAT 3D skal bygge i Skibotndalen i Norge, i Karesuando i Finland og i Kaiseniemi i Sverige skal gjøre det mulig å lese bevegelsene til plasma, meteorer, og romsøppel i rommet med en større nøyaktighet enn hva som har vært tilfelle tidligere. Gjennom å benytte tre målepunkter, tilsvarende som professor Carl Størmer gjorde da han startet sin nordlysforskning i Finnmark, vil radarmålinger av den ioniserte atmosfæren fra rommet kunne si noe om mengden plasma som slynges mot jorda når sola har «utbrudd». EISCAT 3D skal måle distanse og hastighet fra jorda til de ulike objektene fra flere punkter – og det er snakk om å kunne lese av omkring 2000 ulike objekter per time.

Følg Juha Vierinens blogg her

Nye kapasiteter

– Dette multinasjonale prosjektet utvikler nye tekniske kapasiteter, som kan avdekke farene som kan oppstå når rommet leder sine geomagnetiske strømmer mot jorda. Her kan det i enkelte tilfeller oppstå skader på ulik type infrastruktur, alt fra strømforsyning og telekommunikasjon, og til forstyrrelser på gps-signaler fra satellitt. Det er mye energi, som nevnt i dette – og det som kan være interessant i framtida, er å finne ut mer om hvorvidt de enorme mengdene energi på noen måte kan høstes og transformeres til bruk på jorda, men jeg tror ikke det er mulig å fange denne energien. Så langt er det mulig å forutsi og lage et varslingssystem som sier noe om hvordan jorda reagerer på solarenergien – og vi utvikler bedre modeller for å kunne si hva som skjer i rommet, forteller Vierinen.

– Når du nevner forstyrrelser på gps, så er det nærliggende å spørre om de forstyrrelsene som luftfartsmyndighetene i Norge har rapportert om «jamming» av gps-signaler i fly kan komme fra rommet, eller om det er russerne som forstyrrer signalene i grenseområdene i nord?

– Hvis dette skjer i grenseområdene, så er det nok mest sannsynlig russerne som står bak, men man kan også oppleve at gps-signaler forstyrres ved en slags naturlig «jamming» - på den måten at mottakeren eller satelittensatellitten som skal formidle signalene ikke er operativ, det er slikt som kan skje, sier han.

3d radar
LYNRASKE ANTENNER: For å fange bevegelser i rommet er de nye planlagte 3D-antennene best egnet, fordi man ikke har en radar som må dreies alt etter hva som oppdages i rommet. Foto: Eiscat scientific foundation

Framtida for anlegget

Egentlig skulle EISCAT 3D -anlegget i Skibotndalen ha vært ferdig og satt i drift, men ulike forhold har ført til forsinkelser.

– Likevel er nå grunnarbeidet gjort, fiberoptikken og strømforsyningen er på plass, så mye er klart og i sommer skal de mange antennene monteres. Så er det en enorm datakraft som skal til for å prosessere all informasjonen som blir hentet inn. Så kanskje dukker det opp en komet eller en asteroide som vi ikke har sett noe til eller «hørt» noe fra før. Vierinen snakker seg varm nå om blant annet hvordan folk som er redd for at jorda skal gå under som følge av en kollisjon med en meteoritt eller en asteroide, egentlig kan ha grunn for sin frykt, vel og merke hvis man oppdager store asteroider. Men ved Eiscat 3D- radaren vil man hovedsakelig studere de små partiklene, helt ned til det vi kaller for støv.

– Vi kan mulig også måle dem i størrelse, de ulike romfenomener og vi skal kunne lese av hastighetene på dem. Selv oppdaget jeg en asteroide i 2013 som bare var 26000 kilometer fra jorda – noe som er nærmere enn hva enkelte kommunikasjonssatellitter er. Og tilfeldigvis på samme dag får vi vite om at det har styrtet en meteoritt på størrelse 10 til 20 meter i den russiske byen Cheliabinsk. Den eksplosjonen som oppsto der ble filmet av særdeles mange russiske bilførere som har kamera på dahsbordetdashbordet i bilene sine, angivelig mest av hensyn til bilforsikringen sin. Men, Hher sammenstilte vi en rekke av disse filmene som vi fant på nettet og kunne ved hjelp av dem som vi tilfeldig fant på YouTube og andre kanaler bedømme retningen, for hvor meteoritten kom fra. Men det skulle altså vise seg at disse to hendelsene, den asteroiden som jeg oppdaget og denne meteoritten i Cheliabinsk, det var to atskilte og fullstendig tilfeldig sammenfallende hendelser, forklarer Vierinen.

Et omfattende prosjekt

Prosjektet har ansatt fem doktorgradsstudenter. Alessandra Serrano og Torbjørn Tveito har jobbet med planetarisk radar, Johann Stamm med EISCAT 3D og ionosfærisk plasmamåleteknikker. Andreas Kvammen har disputert om optiske måleteknikker for studier av nordlys, og Derek McKay for å jobbe med kosmisk radiostøyabsorpsjon på grunn av nordlysnedbør. Dr McKay, Dr Kvammen, og Dr Stamm er uteksaminert, og Torbjørn Tveito uteksamineres våren 2023.

anleggstomt radaranlegg
ANTENNEBYGGING: Her på dette området i Skibotn kommer det en av tre nye radaranlegg i Eiscat 3D-prosjektet. Foto: Eiscat scientific association

– Alessandra Serrano bestemte seg dessverre for å avslutte studiene etter det første året, men hun fortsetter å jobbe i feltet for planetariske studier, nå i USA. Vi har fortsatt jevnlig kontakt og nå arbeider hun ved et av de store teleskopene i USA, forteller Vierinen.

 Prosjektet har så langt også inkludert 10 masteroppgavestudenter.

Vierinen nevner dem alle sammen:

  • Elisabeth Røynestad og Martinius Paulsen har jobbet med observasjon av romrester for å bestemme alvorlighetsgraden av dette menneskeskapte miljøproblemet som utspiller seg i verdensrommet, der det som har blitt omtalt som romsøppel fortsetter i bane, selv om utstyret i satellittene for eksempel ikke lengre sender signaler til bakkestasjonene.
  • Markus Floer jobbet med å designe og bygge en åpen kildekode HF-radar (High frequency) for å studere ionosfærisk plasma som alle fritt kan bruke.
  • Torbjørn Tveito laget et kart over månen ved hjelp av langbølgelengderadar og identifiserte en mystisk mørk region på radaren på størrelse med Norge. Denne skyggen forteller oss om geologisk utvikling av vår nærmeste planetariske følgesvenn, månen.
  • Zoe Bazilchuk jobbet med å forklare mystiske feltjusterte plasmastrukturer som er skapt av ionosfæriske modifikasjonseksperimenter som forårsaker høyfrekvente radiobølger som man skal kanalisere.
  • Eirik Enger jobbet med å utvikle en teori for spredning av elektromagnetiske bølger fra plasma med supratermiske elektroner og et magnetfelt, som i fremtiden kan brukes til å hjelpe oss med å studere våre energiske partikler fra solen i samspill med jordens atmosfære
  • Ole Nordeunet jobbet med meteorradarer for å studere atmosfærisk turbulens ved hjelp av en ny teknikk for å studere hvordan kinetisk energi er korrelert i rom og tid
  • Pavithiran Sivasothy jobbet med en teknikk for timing av nordlys under millisekunder utslipp ved hjelp av halvlederdetektorer, som vil tillate fysiske modeller av rask pulserende nordlysstrukturer som skal testes
  • Jens Floberg jobber for tiden med å bygge en over-horisonten-radar for å studere termosfæriske gravitasjonsbølger,
  • Andrea Alvsaker jobber med å utvikle en ny teknikk for å lage radar målinger av månen ved hjelp av EISCAT 3D, ved å invertere Doppler nord-sør tvetydighet.

Prosjektets fire hovedmål

Juha Pekka Vierinen forteller at sluttrapporten for prosjektet Eiscat 3D skissere fire mål for denne forskningen, der man skulle utvikle nye radarmålingsanalyseteknikker for og bruke dem i praksis når den nye radaren var operativ. I Sluttrapporten til Troms Forsknoingsstiftelse som har vært blant de finansierende samarbeidspartnere heter det at prosjektets mål skulle utvikle evnen til å:

  • Måle tredimensjonale orbitalparametere og radartverrsnitt av meteoroider, som går inn i jordens øvre atmosfære, og gir oss informasjon som trengs for å bestemme hvor mye meteorisk materie som kommer ned på jorden, hvor den kommer fra, og hvordan denne materien interagerer med jordens atmosfære.
  • Estimere posision, hastighet og diametrene til romavfallsobjekter, gi informasjon om mengden romobjekter i jordens bane og hjelper oss med å forutsi hvordan dette miljøproblem vil utspille seg i verdensrommet.
  • Estimer volumetriske plasmaparametre i jordens ionosfære, noe som gir oss innsikt om magnetosfære-ionosfære-termosfære-interaksjoner, for eksempel hvordan fenomener kjent som aurora borealis/nordlys påvirker jordens øvre atmosfære.
  • Kartlegge månens overflate- og undergrunnsreflektivitet, og gir informasjon om den geologiske sammensetningen og strukturen, og gir nye ledetråder om hvordan månen ble dannet og hvordan har den utviklet seg geologisk i løpet av de siste fire milliarder år.

Hovedutfordringen med prosjektet som allerede var identifisert i forslaget var at EISCAT 3D kan bli forsinket. Imidlertid ble EISCAT 3D-radarprosjektet finansiert, det skulle bygges, og det var behov for en stor utviklingsinnsats for å sikre at måleanalyseteknikk ville gjøre det tilgjengelig for denne nye radaren. En forsinkelse i byggingen av prosjektet førte til å flytte fokus fra reelle målinger til simuleringer, samt bruk av andre eksisterende instrumenter rundt om i verden. Mange aspekter av arbeidet kan også oppnås ved å bruke andre radarer rundt om i verden. Og Vierinen slår fast at selv om mange av målene som forskerne hadde satt opp for seg selv i prosjektet har blitt oppnådd, kunne de ikke utføre målinger med EISCAT 3D, fordi fullføringen er forsinket med minst tre år.

«Som med ethvert forskningsprosjekt, har tilfeldigheter også spilt en betydelig rolle i arbeidet vårt, noe som har resultert i mange studier, samarbeid og resultater som ikke var planlagt i starten av prosjektet. Selv om ikke alle disse ble nevnt i prosjektplanen, er de innenfor feltet radiovitenskap, den hovedfeltekspertisen til PI-en til prosjektet. Et av eksemplene på er den ferske studien som undersøkte ionosfæriske forstyrrelser forårsaket av vulkanutbruddet i Tonga i 2022, som vi fant å være forårsaket av Lammebølger som reiste rundt i verden og produserte påvisbare ionosfæriske forstyrrelser som forplantet seg rundt om i verden tre ganger (Zhang, Vierinen et.al., 2022).», heter det i sluttrapporten. 

Dette arbeidet om Tonga-utbruddet var Vierinen en del av

Svimlende små partikler

Alt i vår verden er bygget opp av bitte små atomer. I et lite sandkorn er det rundt 1 000 000 000 000 000 000 000 atomer. Atomet er bygget opp av enda mindre partikler, som for eksempel elektroner.

Fysiker Juha Vierinen klarer å få øye på elektroner tusen kilometer over bakken, skrev Trude Haugseth Moe i en artikkelserie om forskning på verdensrommet. (se lenke nedenfor)

Hun skriver at det blir som om du fra Oslo, klarer å få øye på noen bitte små insekter som surrer rundt i Bodø.

– Vi klarer å se enkeltelektronene i grupper. Vi måler tettheten i elektroner per kubikkmeter, fordi det er tettheten som avgjør hvor mye forstyrrelser vi kan få i vår elektriske trafikk, forklarer Vierinen. Som altså jobber med å utvikle nye høyteknologiske 3D-romradarer, for å få best mulig data til blant annet nordlysforskningen.

Les historien om Romvokterne her

Supermoderne romradarer 

Fysikerne ved UiT har siden 1970-tallet vært blant hoveddrivkreftene i det multinasjonale EISCAT-prosjektet, et stort anlegg med romradarer  - såkalte "scattere" - i Ramfjord utenfor Tromsø. Det er et samarbeid mellom mange europeiske land, samt Japan og Kina. Radarene driftes til studier av jordens øvre atmosfære. Prosjektet har i årenes løp tiltrukket seg forskere fra hele verden til Tromsø.

I 2022/2023 avløses EISCAT av et splitter nytt romradar-anlegg i milliardklassen – EISCAT 3D. I alt 10.000 radarantenner skal plasseres ut i Skibotndalen, samt Kaiseniemi i Sverige og Karesuando i Finland. I tillegg til forskning, kan det være EISCAT 3D vil få en operativ rolle med internasjonal varsling av romvær.

De nye radarene vil bli mye mer avanserte enn forgjengerne; de kan forandre retning lynraskt om noe skjer i rommet, og får mye høyere oppløsning og brennvidde.

En av Vierinens første studenter skrev denne artikkelen om blant annet romsøppel

radar romsøppel
FORLØPERNE: De beveglige radarene er ikke like raske til å oppdage det som skjer i rommet. Foto: Eiscat Scientific Foundation
Kveseth, Magne magne.kveseth@uit.no Kommunikasjonsrådgiver
Publisert: 23.06.22 10:30 Oppdatert: 23.06.22 12:27
Arktis Bærekraft Energi Naturvitenskap Teknologi Økonomi Tromsø
Vi anbefaler