Årsrapport 2011 Romforskning/ROMFORSK (2003-2018) Året 2011 Norske forskere har i 2011 deltatt i prosjekter knyttet til ESA-satellittene SOHO, Cluster, Cassini, Planck, CryoSat, EarthCare, GOCE og SMOS, samt på den japansk-europeiske solsatellitten Hinode, Canadas Radarsat-2 og Tysklands TerraSAR-X. Data fra Hinode leses ned på KSATs stasjon på Svalbard og distribueres til europeiske forskere via et datasenter i Oslo. Det er stor norsk aktivitet på EISCAT, et anlegg som spiller en stor og viktig rolle både i Nord- Norge og på Svalbard, og rundt den øvrige romforskningsinfrastruktur i nordområdene (Andøya Rakettskytefelt, ALOMAR, SvalRak). Norske forskere utnytter også det nordiske teleskopet NOT på Kanariøyene. Den norske forskningsdeltakelsen fordelte seg mellom UiO, UiB, NTNU, UiT, UMB og UNIS, samt FFI, Nansensenteret og NILU. NIVA, Norsk Polarinstitutt og NORUT IT deltar som samarbeidspartnere i prosjekter innenfor jordobservasjon. Programmet finansierte i 2011 11 doktorgradsstipendiater og 6 postdoc-stipendiater. Publiseringsaktiviteten ligger på et høyt nivå, med sterk vekt på allmennrettet formidling. Program for Romforskning er videreført i ny periode fra 2011 til 2018. Fra 2008 er det startet opp en ny satsing på grunnleggende forskning innen jordobservasjon under program for Romforskning. Norske forskere har tilgang til data fra ESAs rekke av nye forskningssatellitter Earth Explorers - med planlagt oppskytning i tidsrommet 2009-2013. Disse satellittene forventes å levere ny informasjon om en rekke klimaparametre, som for eksempel havstrømmer, isdekke, vindhastigheter, skydekke og forurensning. De to første satellittene GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Explorer) og SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) hadde vellykkede oppskytninger i 2009, og CryoSat ble skutt opp i april 2010. Disse tre satellittene leverer nå unike data, og programmet støtter en rekke forskningsprosjekter som utnytter slike data i PhD-utdanning og samarbeid mellom universitetsgrupper og forskningsinstitutter. Programmets mål Forskningsprogrammet Romforskning er et grunnforskningsprogram innenfor feltene astrofysikk, romfysikk og jordobservasjon. Programmet fortsetter rekken av romforskingsprogrammer som Forskningsrådet har hatt i sin portefølje fra starten av. Dette er et rent følgeforskningsprogram rettet mot norsk deltakelse i organisasjonene European Space Agency (ESA), European Incoherent Scatter (EISCAT) Scientific Association og Nordic Optical Telescope (NOT) Scientific Association. Engasjement i større prosjekter, som deltakelse i satellitter, raketter eller bakkebaserte teleskop gjennom internasjonalt samarbeid, er sentrale elementer for programmet. Fra 2008 inkluderer programmet satsing på grunnleggende forskning innenfor jordobservasjon med vekt på klimaovervåkning, ressurskartlegging, forurensning ved petroleumsvirksomhet, overvåkning og forvaltning av polarområdene. De tre prioriterte forskningsområdene for programmet er: Sol-Jord fysikk med vekt på forståelsen av grunnleggende prosesser i solen og dens atmosfære og hvordan solvind og solaktivitet påvirker det globale miljøet. Universets utvikling med vekt på forståelsen av fundamentale astrofysiske prosesser.
Grunnleggende forskning innen jordobservasjon med vekt på klimaovervåkning, ressurskartlegging, forurensning ved petroleumsvirksomhet, overvåkning og forvaltning av polarområdene. Hovedmål: Å bidra til å gi vesentlig, grunnleggende kunnskap om verdensrommet gjennom øket forståelse av viktige fysikalske prosesser samt utvikling av de nødvendige teknologiske verktøy. Innen jordobservasjon skal programmet bidra til økt forståelse av Norges store og nordlige havområder, klimaendringenes innvirkning på hav, is og land, miljøtrusler, samt nasjonal kartlegging og overvåkning. Økonomi og prosjektomfang Disponibelt budsjett i 2011: 35,5 MNOK Forbruk i 2011: 18,6 MNOK Programmets finansieringskilder i 2011: KD, MD, UD Antall og type prosjekter i 2011: Totalt 33 prosjekter: 32 forskerprosjekter (som inneholder Ph.D.- og postdoc-stipender), ett gjesteforskerstipend. Vurdering av måloppnåelse og faglige utfordringer Målene som er satt for programmet er i høy grad oppnådd. Under ESAs vitenskapsprogram har norske forskere deltatt i satellittene SOHO, Cluster, Cassini og Planck, samt på den japanskeuropeiske Hinode. Innen jordobservasjon arbeider norske forskere på prosjekter knyttet til ESAs CryoSat, EarthCare, GOCE og SMOS, samt Canadas Radarsat-2 og Tysklands TerraSAR-X. Norske firmaer som Kongsberg Defence & Aerospace har oppnådd kontrakter for bygging av instrumenter som leveres i forbindelse med prosjektdeltakelsen. Data fra Hinode leses ned på KSATs stasjon på Svalbard og distribueres til europeiske forskere via et datasenter i Oslo. Norske forskere og norsk industri har fått oppdraget med å lese ned og distribuere de vitenskapelige rådataene som satellitten samler inn. Det er stor norsk aktivitet på EISCAT, et anlegg som spiller en stor og viktig rolle både i Nord-Norge og på Svalbard, og rundt den øvrige romforskningsinfrastruktur i nordområdene (Andøya Rakettskytefelt, ALOMAR, SvalRak). Norske forskere utnytter også det nordiske teleskopet NOT på Kanariøyene. Totalt antall stipendiater (PhD og postdoc) er vesentlig høyere enn målsettingen på seks til åtte årsverk i forskerutdanning. Publiseringsaktiviteten ligger på et høyt og tilfredsstillende nivå med sterk vekt på allmennrettet formidling. Eksempler på direkte nytteverdi av denne forskningen ligger i forståelsen av effekten solen har på klimaet og påvirkningen sol- og geomagnetiske stormer kan ha på elektriske systemer i satellitter og på bakken, radiokommunikasjon og navigasjonssignaler ( romværet ). Jordobservasjonsdata har mange anvendelser innen overvåkning og forvaltning, ikke minst i nordområdene. Universitetet i Tromsø deltar i Preparatory Phase-prosjektet for EISCAT_3D, finansiert av EUs 7. rammeprogram, med tanke på utviklingen av en moderne fasestyrt radar som på sikt kan komme til å erstatte dagens EISCAT-anlegg i Nord-Skandinavia. EISCAT_3D er et prosjekt på ESFRIs veikart for fremtidige europeiske forskningsinfrastrukturer, etter forslag fra Sverige og med støtte fra Norge og Finland. Installasjonene for romforskning på Svalbard utgjør viktige elementer i ESFRI-prosjektet SIOS (Svalbard Integrated Earth Observing System). 2
Nøkkeltall, 2011 Antall prosjekter: Totalt 33; herav 18 nye i 2011 Dr.gradsstipendiater: 6,7 årsverk, herav 3,0 kvinner Postdoktorstipendiater: 5,0 årsverk, alle menn Prosjektledere: 35, herav 2 kvinner Kommentarer til tallene: Totalt antall stipendiater (dr. grad og postdoc) er vesentlig høyere enn målsettingen på seks til åtte årsverk i forskerutdanning. Kvinneandelen er høyere enn i 2010, men fortsatt lavere enn målsetningen om minst en tredjedel kvinneandel i rekrutteringsstillinger. Resultatindikatorer, 2011 Resultatindikatorer Antall Publisert artikkel i periodika og serier 129 Publisert artikkel i antologi 9 Publiserte monografier 1 Rapporter, notater, artikler, foredrag på møter/konferanser rettet mot prosjektets målgrupper 90 Populærvitenskapelige publikasjoner (artikler/bøker, debattbøker/-artikler, høringer, utstillinger, skjønnlitteratur etc.) 3 Oppslag i massemedia (aviser, radio, TV ) 22 Ferdigstilte nye/forbedrete metoder/modeller/prototyper 5 Kommentarer til tallene: Publiseringsaktiviteten ligger også i 2011 på et høyt nivå med mange publikasjoner i internasjonale tidsskrifter og sterk vekt på formidling, slik at programmets målsettinger her er oppfylt. Viktigste aktiviteter i 2011 Forskningsfaglige: Programmet finansierte i 2011 9 prosjekter under satsingen på grunnleggende forskning innenfor jordobservasjon, med øremerkede midler fra MD og UD og forsterket med midler fra KDs generelle bevilgning. Norske forskere har tilgang til data fra ESAs rekke av nye forskningssatellitter Earth Explorers - med planlagt oppskytning i tidsrommet 2009-2013. De to første satellittene GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Explorer) og SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) hadde vellykkede oppskytninger i 2009, og CryoSat ble skutt opp i april 2010. Disse tre satellittene leverer nå unike data som vil gi ny informasjon om en rekke klimaparametre. Det er behov for å styrke norske forskningsmiljøers utnyttelse av disse dataene til grunnforskning og utdanning av kandidater innen grunnleggende signalforståelse, med tanke på videre anvendelser innen klimaovervåking, ressurskartlegging, forurensning ved petroleumsvirksomhet, overvåking og forvaltning av polarområdene, satellittnavigasjon og kommunikasjon for økt aktivitet og ferdsel i våre nordlige havområder og overvåking av miljøtrusler. Dette er også en viktig del av Forskningsrådets satsing på forskning i og for nordområdene, basert på de unike forskningsmulighetene i de nordlige landsdeler. Ved oppstart av ny programperiode fra 2011fikk programmet en mindre økning i budsjettrammen. Fordelingen på fagfelt av de innvilgede søknader stemmer godt overens med programmets målsetting. Programstyret la som før vekt på å sikre rekrutteringen gjennom finansiering av et forholdsvis stort antall årsverk i forskerutdanning. Kvinneandelen er høyere 3
enn i 2010. Det legges vekt på at prosjektene skal inneholde formidlingstiltak, blant annet gjennom nettsider og popularisering av resultatene. Forskningen har et sterkt internasjonalt preg, både siden enkeltprosjektene er for dyre for et lite land som Norge til å kjøre alene, og fordi programmet er rettet mot følgeforskning forbundet med medlemskap i de internasjonale organisasjonene og anleggene til ESA, EISCAT og NOT. Den norske forskningsdeltakelsen fordelte seg mellom UiO, UiB, NTNU, UiT, UMB og UNIS, samt FFI, Nansensenteret og NILU. NIVA, Norsk Polarinstitutt og NORUT IT deltar som samarbeidspartnere i prosjekter innenfor jordobservasjon. Driftsrelaterte aktiviteter: Divisjonsstyret for vitenskap godkjente i november 2010 ny programplan og videreføring av programmet i ny periode fra 2011 til 2018. Det nye programstyret avholdt sitt første møte 9. desember 2011 og behandlet her til sammen 24 søknader. Det ble ikke registrert inhabilitet knyttet til behandling av noen av disse søknadene. Høydepunkter og funn Analysen av data fra Planck foregår med stor kraft, men kosmologiske resultater er konfidensielle inntil 2013. Men i desember 2011 ble 26 ikke-kosmologiske artikler med resultater fra første scan av himmelen publisert i Astronomy & Astophysics. Disse artiklene beskriver karakterisering av satellitten og instrumentene, samt en stor mengde resultater om astrofysiske objekter, både i vår galakse og utenfor. Spesielt interessant er oppdagelse ved Sunyaev-Zeldovich-effekten av en stor galaksehop ved rødforskyvning omkring 1 og forståelse av fenomenet "spinning dust". Av de 26 artiklene har 24 en eller flere medforfattere fra forskningsgruppen ved Institutt for teoretisk astrofysikk (ITA), Universitetet i Oslo. Det ble stor internasjonal oppmerksomhet i media om et preprint av Gurzadyan og Penrose som påsto at de i dataene fra NASAs romsonde WMAP fant spor av konsentriske sirkler på himmelen som kunne være en rest fra et tidligere univers. En analyse av Wehus (Fysisk Institutt, UiO) og Eriksen (ITA) som ble publisert i Astrophysical Journal (Letters) viste at dataanalysen til Gurzadyan og Penrose var helt feilaktig og at det ikke kan påvises spor etter slike sirkler. Ved en pressekonferanse i Bologna 13. februar 2012 offentliggjorde den europeiske romorganisasjonen ESA tre store oppdagelser gjort med data fra Planck-satellitten: dataene beviste at mikroskopiske støvpartikler som roterer med ekstreme hastigheter bidrar vesentlig til mikrobølge-strålingen i Melkeveien, de gjorde det mulig å kartlegge med stor nøyaktighet fordelingen av CO-gass i Melkeveien, og de viste klart at det er en mystisk stor sky omkring sentrum av vår galakse som sender ut både mikrobølge-stråling og gamma-stråling. Ingen av disse tre oppdagelsene hadde vært mulige uten de beregningsintensive statistiske metodene for å separere de forskjellige komponentene av mikrobølge-strålingen som har vært utviklet ved Institutt for teoretisk astrofysikk, Universitetet i Oslo. Koronaen, som sees som et hvitt lysende slør omkring solen ved totale solformørkelser, har en temperatur på over en million grader, ja, deler av den kan komme opp i flere millioner grader. Et av de mest seiglivede mysteriene i studiet av solen er nettopp spørsmålet om hvorfor koronaen kan være så mye varmere enn overflaten, selv om vi vet at energien kommer fra midten av solen. De siste tiårene har en rekke teoretiske modeller vært foreslått for å forklare dette, men mangelen på detaljerte observasjoner har hindret framskritt. På bilder av solen med meget høy oppløsning kan man se fingre av relativt kjølig gass som blir skutt opp i koronaen fra lagene like over fotosfæren, disse kalles spicules. Mats Carlsson og Viggo Hansteen ved 4
ITA har, sammen med amerikanske partnere, vist i en artikkel publisert i Nature i juli 2011 at Alfvenbølger fyller solens kromosfære og korona og at de har nok energi til å akselerere solvinden og varme opp i hvert fall deler av koronaen. http://www.mn.uio.no/astro/forskning/aktuelt/aktuelle-saker/astronytt/2011/astronytt-2011-08-16.html Bilde tatt av solsatelitten SDO i ekstremt ultrafiolett lys i februar 2011. Foto: NASA/SDO and the AIA, EVE, and HMI science teams. 5
Solvindens kobling til jordas atmosfære fører til raske variasjoner, bølger og turbulensfenomen i jordas øvre atmosfære. Svalbard har unik beliggenhet for å studere hvordan solvinden kobler til jordas magnetfelt og jordas atmosfære på dagsiden. I mørketida midtvinters synliggjøres denne koblingen gjennom dagnordlyset, og norske forskningsgrupper har lange tradisjoner for å studere storskala dynamikk med radar (EISCAT Svalbard Radar og CUTLASS HF radar) og optiske metoder (Kjell Henriksen Observatoriet i Longyearbyen og Sverdrup stasjonen i Ny- Ålesund), og med satellitter (for eksempel DMSP, NOAA og Cluster). I samband med dagnordlyset er det to romværfenomen som er av spesiell interesse for forstyrrelser på kommunikasjon og navigasjonssignaler. Dette er instabiliteter og turbulens i samband med elektronskyer som dannes i dagnordlyssonen og driver over polkalotten, og instabiliteter og turbulens som dannes i samband med strømningskanaler som er forbundet med intense nordlysformer. Direktemålinger er helt avgjørende for å avdekke drivkreftene for instabiliteter og turbulens og rundt nordlys og elektronskyer. Svalbard er det eneste stedet i verden hvor man kan kombinere radar og optiske målinger fra bakken med detaljerte målinger med rakett (multiskala studier). Problemstillingene er komplekse, og det er planlagt en serie raketter over en 11- års solflekksyklus. 5. desember 2008 fant det sted en vellykket oppskyting av ICI-2, som er den første raketten i serien. ICI-prosjektet ledes av forskere ved Fysisk Institutt, Universitetet i Oslo og førte frem ICI-3, som ble skutt i 3. desember 2011. Målet med ICI-3 kampanjen var å skyte raketten gjennom dagnordlys med kraftige vindskjær, for å studere betydningen av instabiliteter som mekanisme for å generere turbulente elektronstrukturer. Basert på observasjoner fra bakkemålinger, EISCAT Svalbard radar, nordlysobservasjoner med kameraer og SuperDARN HF radar, lyktes man med å skyte ICI-3 i den ønskede geofysiske situasjonen. Det vil enda ta noe tid før rakettdataene er ferdig analyserte, men partikkeldataene viser at raketten gikk gjennom nordlys partikkelnedbør det meste av flukten. Resultatene vil kunne formidles dem Statens Kartverk og andre som trenger kunnskap om ionosfæreforstyrrelser på radiobølger. Et hovedmål i Nova-GOCE prosjektet på Universitetet for miljø- og biovitenskap (UMB) er å validere GOCE-satellittens gradiometridata. Satellitten gjør målinger i en bane rundt jorden, 250 km over overflaten. Satellittgradiometeret måler den deriverte av tyngdeakselerasjonen. Uavhengige observasjoner av tyngdens akselerasjon er foretatt på bakken. Dataene fordeler seg i et nettverk av punkter over Norge, og derfor må en matematisk overføring finne sted. Man kan overføre bakkedata til rommet og sammenligne de deriverte der, eller man kan overføre satellittdata til bakken og sammenligne der. Det må tas hensyn til at satellitten responderer på summen av alle masser i jordkloden og har en geografisk oppløsningsevne på ca. 100 km. Det betyr at mange bakkepunkter må integreres over en topografisk flate. Overføring fra satellitthøyde til bakke er et invers matematisk problem med risiko for numerisk ustabilitet. Den nasjonale tyngdedatabasen er sammensatt av relative målinger foretatt over de siste 60 år. Det er benyttet absoluttgravimetre til å kalibrere flere referansepunkter i nettverket. Disse punktverdiene er 100-500 ganger mer presise enn de overførte satellittverdiene og benyttes til å etterprøve og korrigere verdiene i tyngdedatabasen. Absoluttmålingene avslører også tyngdekraftens endring med tiden pga. landhevningen etter siste istid. Endringsverdiene benyttes til å beregne tyngdeverdier for nåtid, som er tidspunktet for satellittmålingene fra GOCE. 6