Kecskeméty Károly

A Nemzetközi Heliofizikai Év


Az idősebbek még emlékezhetnek a rádió 50 évvel ezelőtti híradásaira, amelyekben naponta jelentették be: a mai nap sem szabályos, sem különleges világnap nem volt. Az 1957-58-ban megszervezett Nemzetközi Geofizikai Év (International Geophysical Year, IGY) idején jellemezték így azokat a napokat, amikor nem volt sem napkitörés, erős geomágneses tevékenység, sem szervezett geofizikai megfigyelési kampány. Az IGY a tudományos világ addigi legátfogóbb erőfeszítését jelentette. 67 ország több mint 60 ezer kutatója végzett egyidejű geomágneses, sarkifény-, ionoszféra-, meteorológiai, szeizmológiai vizsgálatokat, de folytak kozmikus sugárzási, napaktivitási mérések is. 1957 októberében startolt a Szputnyik-1, és vette kezdetét az űrkorszak. Az idén érkeztünk el az IGY 50. évfordulójához. Méltó megünneplésére négy eseménysorozatot is szerveznek, amelyek a Föld és környezetének vizsgálatát gyakorlatilag az egész naprendszerre kiterjesztik. A Nemzetközi Poláris Év, az Elektronikus Geofizikai Év és a Föld Bolygó Éve mellett a legambiciózusabb a Nemzetközi Heliofizikai Év (International Heliophysical Year, IHY) elnevezést viseli. Ez a geofizika analógiájára megfogalmazott új, interdiszciplináris tudományt, a heliofizikát kívánja kibontakoztatni. Akárcsak a másfél évig tartó IGY esetében, valójában itt is hosszabb időszakról, 2 teljes évről van szó: az IHY az 2007 márciusa és 2009 februárja közötti időszakra terjed ki.

Az IHY deklarált célja a Napon, a Földön és a helioszférában uralkodó univerzális heliofizikai folyamatokra vonatkozó tudásunk fejlesztése, az IGY hagyományainak folytatása, illetve az űr- és földtudományok szépségének és fontosságának minél szélesebb körű megismertetése és népszerűsítése. A heliofizika az egész helioszférával foglalkozik: a helioszféra a Naprendszernek azt a részét jelöli, amelyet a Napból kiáramló nagy sebességű forró plazma, a napszél kitölt (1. ábra). Ennek pontos méretére csak nemrég derült fény, amikor 2004 decemberében a Voyager-1 űrszonda áthaladt a napszél megállását jelző terminációs lökéshullámon: azóta tudjuk, hogy e tartomány mintegy 200 csillagászati egység átmérőjű (1 CsE=150 millió km, az átlagos Nap-Föld-távolság).

1. ábra. A helioszféra és a legtávolabbi űrszondák (solarsystem.nasa.gov)

Előzmények
Az ez évi rendezvény több mint százéves múltra tekint vissza, előzményei között magyar vonatkozást is találunk. 1875 januárjában a bécsi tudományos akadémián az akkorra már komoly hírnévre szert tett sarkutazó, a monarchia flottájának sorhajóhadnagya, Carl Weyprecht (1838-1881) javaslatot tett arra, hogy nemzetközi együttműködéssel egyszerre több állomáson végezzenek megfigyeléseket az Északi-sark körül. Elképzelése az volt, hogy a meteorológia és a geofizika alapproblémáinak megoldását a sarkoknál kell keresni. Rövidesen ki is dolgozták a programot és 1882-83-ban nagy sikerrel tartották meg a Nemzetközi Poláris Évet, de ezt Wey-precht már nem érte meg. 12 ország - köztük Magyarország - összefogásával 15 expedíciót indítottak, me-teorológiai és mágneses megfigyeléseket végezve. Ennek egyik legfontosabb eredménye a sarki fény ovális szerkezetének és dinamikus voltának felismerése volt. 50 évvel később, a második poláris évben már 40 ország vett részt, nemzetközi sarki megfigyelőhálózat létrehozásával végeztek meteorológiai, geomágneses, atmoszféra- és ionoszféra-megfigyeléseket, amelyek már az Antarktiszra is kiterjedtek. A következő eseménnyel már nem vártak újabb 50 évet, 1957-58-ban a Nemzetközi Geofizikai Év haditechnológiák (rakéta és radar, az első műholdak) alkalmazása révén hatalmas sikert aratott. Napobszervatóriumok átfogó hálózatával sikerült rendszeres fler- (napkitörés-) megfigyeléseket végezni. Különlegesen erős napaktivitást észlelve riasztották az obszervatóriumokat, majd a következő napokat speciális világintervallumokká nyilvánították, amikor rakétákat és ballonokat bocsátottak fel. Az első műholdak segítségével fedezték fel a Van Allenről  elnevezett, Föld körüli sugárzási öveket, hozták létre műszerek átfogó hálózatait mágneses, kozmikus sugárzási, csillagászati vizsgálatokra, amelyekkel globális háromdimenziós szinoptikus adatokhoz jutottak. Új koncepciók születtek, azóta terjedt el a magnetoszféra, a szubviharok fogalma. Az IGY napfoltmaximum idejére esett; az ezt követő minimum idején, 1964-1965-ben megrendezték a Nyugodt Nap Nemzetközi Évét, amelyet 1979-1981-ben a Nap Maximum Év követett. Az űreszközök további fejlődése hatalmas lépésekkel vitte előre a helioszféra megismerését; a Napra és a Nap-Föld kapcsolatokra vonatkozó tudásunkat az 1995-ben felbocsátott SOHO napmegfigyelő obszervatórium eredményei szinte forradalmasították.

A napszél
A heliofizikai folyamatok alapját a naptevékenység jelenti. A Nap aktivitásának legszembetűnőbb jelei, a napfoltok és ezek számának átlagosan 11 éves, nagyjából periodikus változása évszázadok óta ismert, a legfontosabb földi hatások okozói azonban nem közvetlenül a napfoltok, hanem az ugyancsak az aktív területeken megjelenő, 1859-ben felfedezett flerek, illetve a csak 1973 óta ismert koronakitörések. A napfoltok nemcsak a környezetüknél hidegebb és ennek folytán sötétebb területek, hanem rendkívül intenzív mágneses aktivitás színterei is, melyekben erős mágneses terek akadályozzák az energia feláramlását a forró, mélyebb tartományokról a felszínre. Felfelé haladva a Nap légkörében a fotoszférától a hőmérséklet rohamosan emelkedik, a koronában mintegy 2 millió fokot ér el. E rendkívül magas hőmérséklet létrejöttének pontos okát még nem tudjuk. Korábban a plazmában terjedő Alfvén-hullámokkal magyarázták; egy másik, valószínűbb hipotézis szerint az egész Nap felszínét behálózó mágneses terekben létrejövő erővonal-átkötődésekre vezethető vissza, amelyek mikroszkopikus flereket produkálnak. A forró korona nem stabil, külső részeiből a plazma állandóan gyorsulva kifelé áramlik és a felszíntől néhány napsugárnyi távolságban már szuperszonikus sebességet ér el. A napszélnek elnevezett, nagy sebességű áramlást az első űrszondák fedezték fel 1962-ben. Több mint 30 év elteltével, az ekliptikára majdnem merőleges pályán keringő Ulysses fedezte fel, hogy a Nap egyenlítője körüli övből eredő lassú (300-500 km/s, ritkán ennél gyorsabb) napszéllel szemben a sarki területekről jóval gyorsabb (~800 km/s) és sokkal egyenletesebb a plazmaáramlás (2. ábra). Parker vette észre 1958-ban, hogy a gravitáció olyan hatást gyakorol a plazmaáramlásra, mint a hidrodinamikában ismert Laval-fúvóka, ennek köszönhetően gyorsul fel a plazma szubszonikus (a hangénál kisebb) sebességről szuperszonikusra. A napszél közvetlen forrásaira sincs még végleges magyarázat, a kétféle sebességű napszelet feltehetően lényegesen eltérő mechanizmusok gyorsítják fel. A gyors napszél esetében leginkább elfogadhatónak a SOHO által megfigyelt, a napkorona sötétebb és hidegebb, nagy kiterjedésű tartományai, a koronalyukak nyitott mágneses erővonalai által alkotott tölcsérek tűnnek, amelyekbe a körülöttük levő néhány ezer kilométer méretű mágneses hurkok plazmája áramlik befelé mágneses átkötődés révén. A napszélplazma igen jó vezetőképességének köszönhetően magával viszi a mágneses teret, amely így arkhimédészi spirális alakot vesz fel; a napegyenlítő alatti és feletti féltérben a mágneses polaritás különböző, ezeket egy hullámos áramréteg választja el egymástól, a hullám amplitudója a naptevékenységgel növekszik. A he-lioszféra ekliptikán kívüli részének mágneses tere kevésbé ismert, valószínűleg az erővonalak nem egy kúp mentén csavarodnak fel, hanem közelednek az ekliptikához.
 
 

2. ábra. A sarki koronalyukakból kiinduló napszél gyorsabb, mint az egyenlítői (Ulysses-SOHO, McComas et al., Geophys. Res. Lett. 1998)

Flerek és koronakitörések
A flerek a Nap kromoszférájában és koronájában napfoltcsoportok környezetében végbemenő hatalmas energiájú kitörések, melyek során a plazma több tízmillió fokra melegszik fel. A jelenség oka instabil mágneses elrendeződés kialakulása, melyben az ellenkező irányú erős mágneses tereinek átkötődésével kialakuló elektromos tér néhány perc alatt közel fénysebességre képes gyorsítani az elektronokat és ionokat, emellett intenzív elektromágneses sugárzást bocsát ki a rádióhullámoktól kezdve egészen a gamma-sugárzásig. Energia- és gyakorisági spektrumuk igen széles, a legnagyobbak néhányszor fordulnak elő egy napciklusban, az észlelhető legkisebb nano- és pikoflerek gyakorlatilag folyamatosan jelennek meg. A felgyorsított töltött részecskék néhány órától néhány napig terjedő időtartamú szoláris nagyenergiájú részecskeeseményeket (SEP) keltenek, amikor a néhány megaelektronvolt energiájú protonok fluxusa 4-5 nagyságrenddel is megemelkedhet. A koronakitörések (coronal mass ejection, CME) a Naprendszer leghatalmasabb összefüggő alakzatai, ugyancsak aktív területekről kiinduló, több milliárd tonnányi anyagot tartalmazó plazmabuborékok (3. ábra). A Nap felszínén az aktív területek fölötti mágneses fluxuscsövek felemelkednek, a belső mágneses nyomás hatására hatalmasra felfúvódnak és radiális irányban kirepülnek. Napfoltminimum idején nagyjából hetente egy, maximumban viszont naponta 2-3 is elhagyja a Napot változatos, 100-2500 km/s közötti sebességgel. Gyakran kapcsolódnak flerekhez, de a közöttük levő összefüggés még nem tisztázott. A bolygóközi térben terjedve tovább gyorsítják a töltött részecskéket, a legnagyobb SEP-eket a koronakitörések okozzák. A Föld szempontjából a felénk irányuló, ún. halo-CME-k a legfontosabbak, általában a kitöréstől számított 1-3 napon belül érik el a Földet. A SOHO felvételein ezek a Napot körülvevő halvány gyűrűként rajzolódnak ki, felénk irányuló sebességüket azonban nem tudjuk mérni. A 2006. október 25-én felbocsátott STEREO űrszondapár alapvető célja éppen az, hogy a Föld felé irányuló koronakitöréseket két oldalról, sztereoszkopikusan lehessen megfigyelni, a Nap-Föld irányú sebességkomponens mérésével pedig a Földhöz való megérkezés időpontját sokkal pontosabban megjósolni. A STEREO-A 2006. december 4-én, B jelzésű párja pedig 2007. január 22-én állt egy-egy Hold-manőver segítségével Nap körüli pályára; eddig minden műszer jól működik rajtuk. Évente mintegy 22 fokkal mozognak előre, illetve hátra a Földhöz rögzített koordináta-rendszerben, így mostanra már reálissá válik a koronakitörések terjedésének rekonstruálása (3. ábra).

3. ábra. Koronakitörés 2000. február 27-én a SOHO LASCO koronográfjának felvételén

Űridőjárás
Az elmúlt években egyre pontosabb ismereteket szereztünk a naptevékenységnek a Föld magnetoszférájára, azon keresztül az ionoszférára és a légkörre, és ennek révén bolygónk felszínére gyakorolt hatásáról. Maga a napfoltok számával jellemzett naptevékenység a hosszabb időre visszanyúló megfigyelések szerint befolyásolja a Föld éghajlatát is: az átlagnál hosszabb napciklusok során az átlaghőmérséklet magasabb, az extrém alacsony napaktivitási periódusokban, mint a XVII. századi ún. Maunder-minimum idején Európában szokatlanul kemény telek voltak. Az űrkorszak beköszöntével egyértelműek lettek a naptevékenység rövid távú hatásai is: az űrtevékenységet, a légköri repülést, a műholdas kommunikációt és helyzet-meghatározást, a távközlést, valamint az energiaszolgáltató hálózatok működését is mind komolyan befolyásolja. A napszél aktuális állapotát jellemző űrbeli körülményekre, amelyek hatással vannak a Földre, a technológiai rendszerekre, megalkották az űridőjárás fogalmát. Az űridőjárást a napszél sebességében és sűrűségében és a plazma mágneses terében bekövetkezett változások alakítják, melyek alapvetően a Napon végbemenő jelenségek következményei. Ez utóbbiak a flerek, a koronakitörések és az általuk keltett lökéshullámok, amelyek a flerekkel együtt hatalmas energiákra gyorsítják a töltött részecskéket. A földi hatások körébe tartoznak a geomágneses viharok és szubviharok, a sarki fény (4. ábra), a geomágnesesen indukált földfelszíni áramok. A nagyenergiájú töltött részecskék viharai veszélyeztetik a Föld mágneses és atmoszferikus védőpajzsán kívülre merészkedő űrhajósokat, de magukat az űrszondák érzékeny elektronikus berendezéseit is. Kisebb mértékben, de a nagy magasságban repülő gépek utasai is sugárterhelésnek vannak kitéve, illetve például a földi globális helymeghatározásra szolgáló műszerek pontatlan adatokat szolgáltathatnak. A földmágneses tér hirtelen változásai hatalmas áramokat indukálnak nemcsak a földben, de az elektromos vezetékhálózatokban, esetenként túlterhelést
és kiesést okozva.

4. ábra. Sarki fény. Ezt az Aurora Australist - déli fényt - a Discovery fedélzetéről fényképezték le 1991-ben (NASA)

Univerzális folyamatok
Az IHY tudományos célja a helioszférában uralkodó univerzális folyamatok minél több szempontból való megfigyelése, analízise és modellezése. Az ehhez kapcsolódó tudományágak között van a napfizika, a bolygómagnetoszférák, a helioszféra és kozmikus sugárzás fizikája, a bolygók ionoszférájának, termoszférájának és mezoszférájának, illetve éghajlatának vizsgálata, de idetartozik a heliobiológia is. A sokféle tudományos tevékenységet koordinált kutatási programokba szervezik: eddig 66 programjavaslatot nyújtottak be, és ez a kör folyamatosan bővül. Az univerzális folyamatokat az alábbi 5 fő témába sorolták.

1) A mágneses struktúrák és tranziensek keletkezése és fejlődése. Ilyenek a mágneses fluxuscsövek, áramrétegek, sejtszerkezetek, turbulencia, flerek, CME-k, a magnetoszférák szubviharai. Ez a téma foglalja magába a bolygómagnetoszférák összehasonlító vizsgálatait.
2) Energiátadási és csatolási folyamatok: hirtelen energiafelszabadulás, mágneses erővonalak átkötődése, hullám-részecske kölcsönhatás, gyorsítási mechanizmusok, töltésátadás, ionizáció és rekombináció, magneto-hidrodinamikai instabilitások. Az összehasonlító vizsgálatok segítenek a bolygók körüli plazmafolyamatok, például a sarki fény megértésében.
3) Áramlások és cirkulációk: nyírások, örvények, kiáramlások, dinamók, konvekció, turbulens áramlások, nem adiabatikus expanzió.
4) Határfelületek: mágneses burkok, lökéshullámok, réteges határfelületek.
5) A csatolt Nap-bolygó-helioszféra rendszer együttes, szinoptikus vizsgálata 3 dimenzióban: a helioszféra 3D szerkezete, lassan változó mágneses, ionoszferikus struktúrák a Föld és a bolygók körül, illetve a Napon.

A vizsgálatokhoz űrbeli és földfelszíni megfigyelések egyaránt szükségesek. A Napot a még legalább 2 évig működő SOHO, a flereket figyelő TRACE, a gamma-sugárzást észlelő RHESSI és az említett STEREO mellett a 2006 szeptemberében elindult japán Hinode figyeli látható fényben, ultraibolya és röntgentartományban. A bolygóközi teret az ekliptikára csaknem merőlegesen haladó Ulysses és a két Voyager szonda mellett a töltött részecskéket mérő ACE pásztázza, a földi magnetoszférát a 4 Cluster, illetve a Polar, a sarki fényt pedig az IMAGE műhold vizsgálja. Speciálisan a földi mágneses szubviharokat detektálja ez év februárjától az 5 részből álló Themis műholdrendszer. Az IHY azonban nemcsak űrbeli mérésekre épít: erőteljesen támogatja a kisméretű, olcsó földfelszíni műszerek, például magnetométerek, rádióantennák, GPS-vevők, egész égboltot vizsgáló kamerák elterjesztését elsősorban a fejlődő országokban, hogy a mérőhálózatok minél jobban lefedhessék az egész Földet.

Miben vesz részt Magyarország?
Hazánk a heliofizikai kutatások különböző területein régóta részt vesz és aktívan közreműködik az IHY-ban tervezett együttműködésekben. Az 50 évvel ezelőtti IGY során létesítették Nagycenken a geomágneses obszervatóriumot és kezdte meg működését Budapesten, a KFKI-ban egy föld alatti müonteleszkóp. Az előttünk álló eseménysorozatban 8 magyar intézmény vesz részt. Az eddig bejelentett 65 koordinált megfigyelési program közül 2 indult magyar kezdeményezésre: nagyon alacsony frekvenciájú (ULF) hullámok a magnetoszférában (Tihany), illetve szupertermális és nagyenergiájú töltött részecskék szoláris és helioszferikus forrásai napaktivitási minimum idején (KFKI RMKI).

A debreceni Napfizikai Obszervatórium napfolt-adatbázisok fejlesztését folytatja saját megfigyeléseik és a SOHO mérései alapján, végeznek flermegfigye-léseket, vizsgálják a napfoltcsoportok fejlődését, a szoláris mágneses és sebességterek kölcsönhatását. Az ELTE Csillagászati Tanszéke bekapcsolódik az Európai Unió SOLAIRE hálózatába, amely a napatmoszféra mágneses csatolódásának, illetve ennek a bolygóközi térre való hatásának komplex vizsgálatát tervezi. Emellett elméleti úton tanulmányozzák a mágneses erővonalak átkötődésének turbulens hatásait, a Nap felszín alatti mágneses fluxuscsöveinek dinamikáját. A KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézete (RMKI) részecskeesemények numerikus szimulációjával és az IMPACT detektor töltöttrészecske-méréseinek kiértékelésével vesz részt a STEREO programban. A KFKI Atomenergia Kutató Intézetével együtt részt vesz az ESA Rosetta üstökösprogramjában. Az Eötvös Loránd Geofizikai Intézet (ELGI) tihanyi obszervatóriumában a plazmaszféra dinamikáját vizsgálják az említett ULF-hullámok mellett. Az ELTE Űrkutató Csoportja földi és űrszonda- (DEMETER és Compass-2) mérések alapján a felsőlégkör ULF-VLF-hullámai alapján analizálja a plazmaszféra és a mezoszféra jellemzőinek változását. A soproni Geodéziai és Geofizikai Kutatóintézetben az ionoszféra függőleges szondázása és a Schumann-rezonancia mérése mellett a geomágneses tér monitorozása folyik az INTERMAGNET hálózat keretében. Az MTA Csillagászati Kutatóintézetében a semleges felsőlégkör vizsgálata mellett üstökösmegfigyelése-ket végeznek.

A Nemzetközi Heliofizikai Év alatt zajló tevékenységet hazánkban a KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézete koordinálja. Ennek igen fontos eleme az ismeretterjesztés, amelynek keretében a nagyközönség számára nyílt nap lesz 2007. június 10-én, ekkor több tudományos intézetben fogadják az érdeklődőket. Emellett az ország több pontján szabadtéri távcsöves bemutatások lesznek, ahol központi csillagunkat lehet megfigyelni. Ez év szeptember 21-én Earth Electro-magnetism címmel rendeznek konferenciát a nagycenki obszervatórium megnyitásának 50. évfordulójára.

IRODALOM:
Kálmán B. (2006). Meteor csillagászati évkönyv, Magyar Csillagászati Egyesület, Budapest, 191. o.
Weboldalak: http://ihy2007.org, http://www.rmki.kfki.hu//kffo/IHY


Természet Világa, 138. évfolyam, 6. szám, 2007. június
http://www.termeszetvilaga.hu/ 
http://www.chemonet.hu/TermVil/