Předkládaný výzkumný záměr vychází z problematiky úspěšného výzkumného záměru MS113200004 "Výzkum Země a vesmíru metodami teoretické, počítačové a experimentální fyziky", který byl na Matematicko-fyzikální fakultě UK řešen v letech 2001-2004. Je orientován na syntetické pojetí věd o vesmíru a Zemi metodami současné teoretické a experimentální fyziky, využívajícími náročné matematické přístupy, počítačové modelování a moderní technologie. Navrhovaný záměr má přirozeně interdisciplinární charakter. Jednotlivé, dále specifikované oblasti a "klíčová témata" jsou přitom sjednocovány nejen vzájemně souvisejícími a ovlivňujícími se objekty zkoumání, Země-Sluneční soustava-vesmír, základní fyzikální interakcí - gravitací, která právě v nich hraje důležitou roli, ale i řadou konkrétních metod a postupů aplikovaných při jejich studiu. O některých z nich se zmiňujeme dále na různých místech, podrobněji v souvislosti s níže uvedeným ilustrativním schématem.
Stěžejním cílem navrhovaného záměru je souhrnný základní výzkum struktury a dynamiky hmoty, polí a přenosu energie v geofyzikálních, planetárních a astrofyzikálních systémech. Chceme přispět k hlubšímu pochopení procesů v zemském tělese a jeho atmosféře, včetně těch, které jsou ovlivňovány lidskou činností, ke studiu dynamiky asteroidů i slunečního větru a magnetických polí v plazmatu ve sluneční soustavě, k výzkumu astrofyzikálních systémů jak například klasických dvojhvězd tak těch, které v důsledku silných gravitačních polí vyžadují použití aparátu obecné teorie relativity (např. neutronových hvězd a černých děr). Budeme řešit otázky kosmologické jak z hlediska globální struktury vesmíru tak některé otázky mikrofyziky s kosmologickými implikacemi jako např. problémy vzniku a stability složitých molekul, mj. těch, které by mohly vést k tvorbě molekul biologického charakteru. Uvedená tématika je pěstována na prestižních pracovištích v zahraničí a je financována předními institucemi jako např. americkou National Science Foundation, hlavními agenturami podporujícími základní výzkum ve Velké Británii, Německu, Francii, Japonsku a v dalších zemích.
Výzkumné záměry předkládané našimi univerzitami dnes obvykle zahrnují širší tématiku. Navrhovaný záměr spojuje několik oborů, které jsou pěstovány na MFF UK výzkumnými skupinami na pracovištích, jež měly tradičně těsné vztahy: Ústav teoretické fyziky a Astronomický ústav již řadu let vytvářejí společné centrum a jejich pracovníci spolu řešili různé specifické grantové úkoly z relativistické fyziky a astrofyziky. Katedra geofyziky a katedra meteorologie a ochrany prostředí tvořily mnoho let společné pracoviště, v posledních letech společně zajišťovaly rozsáhlý evropský projekt MAGMA, v rámci něhož byla na MFF UK organizována řada mezinárodních workshopů a seminářů, které navštívilo téměř 200 hostů. Někteří někdejší studenti teoretické fyziky jsou dnes vynikajícími astrofyziky resp. geofyziky, participujícími v záměru. Kromě odborných seminářů probíhajících již řadu let budeme organizovat také kolokvia, na nichž budou vystupovat všechny skupiny zahrnuté do záměru, abychom podpořili jejich vzájemnou spolupráci.
Z hlediska struktury se navrhovaný výzkumný záměr člení na šest vzájemně propojených témat:
Každé z těchto témat je prudce se rozvíjejícím oborem samo o sobě. Zde uvedeme jen stručnou charakteristiku problémů řešených v jednotlivých částech a jejich vzájemné propojení v tomto záměru.
Strukturu kosmických objektů i vesmíru ve velkém měřítku určuje rozhodujícím způsobem gravitační interakce. Zatímco při studiu Země i většiny astrofyzikálních systémů stačí pro popis gravitace Newtonova teorie, v okolí těles o velké hustotě nebo energii a v kosmologii je třeba používat relativistické teorie gravitace, jejichž zdaleka nejdůležitějším a experimentem nejlépe ověřeným reprezentantem je obecná teorie relativity. V návaznosti na tradici relativistického výzkumu na MFF UK bude naše skupina studovat celou řadu problémů souvisejících s aplikacemi obecné relativity při popisu astrofyzikálních systémů a jevů (procesy v okolí černých děr důležité např. v rentgenových dvojhvězdách a v jádrech galaxií, relativistické efekty v nebeské mechanice, gravitační čočky či vývoj kosmologických perturbací). Budeme se věnovat také aktuálním tématům samotné teorie - hledat a interpretovat přesná a numerická řešení Einsteinových rovnic, studovat asymptotické vlastnosti zářivých prostoročasů, prostoročasy se symetriemi, zákony zachování a pojem kvazilokální hmotnosti, analyzovat vznik gravitačních vln, studovat chování částic a polí na pozadí daných prostoročasů, vyšetřovat gravitomagnetické jevy atd. Budeme studovat také kvantové modely se zářením a klasické i kvantové kosmologické modely. Tento výzkum je na jedné straně motivován novými styčnými body mezi teorií a experimentem, které se v řadě oblastí objevily v uplynulém desetiletí nebo jejichž význam během této doby vzrostl (zejména díky nové generaci družic pozorujících gama, rentgenové, infračervené a mikrovlnné záření, díky interferometrii s dlouhou základnou, moderním experimentům s gyroskopy či přesným měřením času a polohy). Na druhé straně zůstávají otevřené i některé základní otázky teorie. Kromě již zmíněných jde například o hypotézu tzv. kosmické cenzury, dynamiku černých děr, podstatu temné hmoty a temné energie, kvantové procesy v silných gravitačních polích a možnosti zobecnění Einsteinovy teorie.
Zásadním cílem astrofyzikálního výzkumu bude přispět ke zdokonalení znalosti dynamiky a základních fyzikálních vlastností těles sluneční soustavy, hvězd a hvězdných soustav. Slunce je hlavním zdrojem veškeré energie na Zemi a lepší pochopení fyziky a dynamiky Slunce i těles sluneční soustavy je proto předpokladem i k rozvoji a zdokonalování věd o Zemi. Nové poznatky o tělesech sluneční soustavy mohou být využity jak pro lepší globální modelování geofyzikálních procesů a klimatických změn na planetě Země, tak pro lepší plánování kosmických letů a při přípravě aktivní obrany proti tělesům, u nichž hrozí budoucí kolize se Zemí. Zpřesnění znalosti fyzikálních vlastností hvězd a hvězdných soustav napomůže jak k prohlubování teorie stavby a vývoje hvězd, tak soudobému extragalaktickému výzkumu, např. zlepšením škály vzdáleností a dokonalejším popisem záření hvězd. Lepší pochopení povahy vysokoenergetických zdrojů záření gama může napomoci rozvoji fyziky vysokých energií.
Parametry plazmatického prostředí ve sluneční soustavě se pohybují v širokých mezích - od horkého, hustého izotermického plazmatu v atmosférách Slunce, přes neizotermické plazma zachycené v magnetickém poli planet, až po slabě ionizované plazma v jejich atmosférách. Avšak interakce plazmatu s pevným objektem nebo jeho povrchem podléhá stejným zákonitostem, i když v závislosti na charakteru a rozměrech objektů a typu plazmatu, které objekty obklopuje, se mění charakter dominující interakce, a tedy i metody zkoumání. Produkty těchto interakcí mají důležité vazby na další směry výzkumu v rámci výzkumného záměru. Sluneční aktivita zprostředkovaná slunečním větrem doprovázeným zamrzlým meziplanetárním magnetickým polem významně ovlivňuje život na Zemi i procesy v okolí dalších planet. Poruchy sluneční činnosti deformují magnetické pole Země a způsobují například geomagnetické bouře, které mohou ovlivnit zdraví lidí, vést ke krátkodobým poruchám v elektrických sítích a radiokomunikacích, v globálním měřítku mohou ovlivnit klima celé planety. Poslední studie dokazují, že statisticky významným prekurzorem velkých zemětřesení je zvýšení intenzity elektromagnetického šumu v plazmatu ionosféry Země. Naopak malá prachová zrna v mezihvězdném plazmatu poskytují povrch nutný k vytváření složitějších molekul a jejich shlukováním vznikají větší objekty jako jsou hvězdy a planety, čímž má výzkum prachového plazmatu výrazné astrofyzikální aplikace. Ve vysoké atmosféře Země prach vytváří kondenzační jádra, a proto jsou procesy v prachovém plazmatu i významným, meteorologickým faktorem. Také chemie vysoké atmosféry a ionosféry (a s ní související odbourávání důsledků lidské činnosti) je podstatně ovlivněna procesy v prachovém plazmatu, protože při nízkých tlacích probíhají veškeré reakce převážně v kondenzátu na povrchu prachových zrn.
Molekulární procesy a zejména procesy neelastických srážek elektronů s molekulami hrají zásadní úlohu jak ve vyšších vrstvách zemské atmosféry a planetárních atmosfér obecně, tak i v mezihvězdném prostoru. Například proces disociativního záchytu elektronu na molekulách má určující roli pro vznik ozonové díry. V mezihvězdném prostředí a zejména v mlhovinách bylo objeveno mnoho molekul, studium jejichž stavu je důležitým zdrojem informace. Pro správnou interpretaci pozorování jsou nutná přesná data, které určují dynamiku všech procesů vzniku a zániku molekul. Zásadní význam mají molekuly v raných stádiích vývoje vesmíru, kde zprostředkují důležitý mechanizmus chlazení horkého prostředí. V současné době se pro popis těchto procesů ukazuje jako nejlepší tzv. nelokální rezonanční model. Implementace tohoto modelu na realistické případy je ale velice obtížná. Proto tato část výzkumného záměru bude věnována detailnímu rozpracování teorie tohoto modelu a jeho aplikacím na molekuly, které jsou relevantní pro atmosférické a astrofyzikální aplikace. Data procesů jako je disociativní záchyt, vibrační excitace a asociativní odtržení elektronu jsou velmi vzácná, nebo neexistují. Přitom jsou žádaná z mnoha oblastí základního i aplikovaného výzkumu. Účelem je vypracovat nové modely a vytvořit databázi účinných průřezů.
Atmosférické prostředí je vytvářeno složitými procesy přenosu a transformací hmoty, hybnosti a energie, které ve svém souhrnu generují všeobecnou cirkulaci atmosféry i dílčí cirkulace širokého spektra prostorových měřítek. V interakci s termodynamickými ději pak vznikají podmínky pro formování počasí. Významné souvislosti existují vzhledem k podmínkám transportu, prostorového rozptylu a transformací znečišťujících příměsí v ovzduší ve vztahu k důležitým environmentálním aplikacím. Na řešení právě zmíněných tematických okruhů se zaměřuje toto klíčové téma. V první řadě zde jde o výzkum základních struktur a vazeb v systému atmosféry Země, a to především s uvážením nelineárního charakteru probíhajících procesů. Výzkum se zaměří na analýzy dějů probíhajících v klimatickém systému s výstupy směřujícími k aplikacím v problematice klimatických změn, antropogenních vlivů na klima i dopadů klimatické změny na hospodářství. Dalším tematickým okruhem bude studium interakcí mezi aktivním povrchem a atmosférou, modelování proudění nad komplexním povrchem s aplikacemi v oblasti studia a modelových hodnocení transportu znečišťujících příměsí v ovzduší. Výzkum je motivován potřebou zpřesnění poznatků pro meteorologické předpovědi, pro znalosti o mechanismech uplatňujících se v klimatickém systému a problémy v ochraně čistoty ovzduší. Tato tématika souvisí přirozeně s ostatními klíčovými tématy: zemský povrch představuje společnou okrajovou podmínku meteorologických a geofyzikálních procesů, zemská atmosféra a magnetosféra tvoří v řadě ohledů jednotný systém ovlivňovaný heliofyzikální vlivy. Obecně lze na meteorologii pohlížet jako na speciální případ fyziky planetárních atmosfér.
Nové typy povrchových a družicových měření otevírají cestu k dosažení významného pokroku v pochopení fyzikálních procesů v zemském nitru. Naším cílem je rozvíjet kvantitativní modelování geodynamických procesů. Gravitační a magnetické pole budeme studovat novými metodami konstrukce trojrozměrných (3D) modelů viskozity a elektrické vodivosti v zemském plášti. Modely sjednotíme s představami, které o procesech v plášti poskytne matematické modelování termální konvekce a pohybu litosférických desek. Desky, zejména v subdukčních oblastech, budeme studovat s cílem pochopit vazby mezi napěťovým polem a zemětřesnou činností, dlouhodobou evoluci zlomů a kumulaci napětí z hlediska reologie a ve vztahu k procesům náhlého porušení při zemětřesení a buzení seismických vln. V teorii seismických vln se zaměříme na metody výzkumu kompletních polí v 3D složitých obecně anizotropních prostředích, jak s cílem přispět k zlepšení tomografického obrazu hlubokého nitra, tak s cílem vypracovat lepší podklady pro vývoj algoritmů s možným budoucím uplatněním v mělkém strukturním průzkumu. Nové metody, které vypracujeme pro simulaci silných pohybů půdy, přispějí k lepšímu fyzikálnímu pochopení ničivých účinků zemětřesení, a k zpřesnění odhadů zemětřesného ohrožení. Metody vytvořené pro studium Země se pokusíme v rámci mezinárodních projektů použít i při studiu jiných těles (planet a měsíců) zemského typu.