Kálmán Béla
Mikor lesz a napfoltmaximum?


A 2012-es világvége-jóslatok egy részében szerepelt a naptevékenység is, miszerint 2012–13-ra szokatlanul magas napfoltmaximum várható, és a nagy napkitörések megsemmisítik a földi energiahálózatokat. Ehhez képest a napfizikusok az elmúlt években inkább az elhúzódó napfoltminimummal voltak elfoglalva, amikor meg 2009-ben elkezdődött a napfoltok számának növekedése, látható volt, hogy a mostani napciklus nem lesz túl magas. 2012-ben pedig arról jelentek meg találgatások, hogy talán már túl is vagyunk a napfoltmaximumon. Vegyük tehát szemügyre, hogy mit is lehet mondani a naptevékenységről a valóságban.

A napfoltok rendszeres távcsöves megfigyelését Galileo Galilei és Christopher Scheiner kezdték el az 1610-es évek elején. A kezdeti eredményeket Scheiner foglalta össze 1630-ban megjelent monumentális (913 oldalas) könyvében, a Rosa Ursina-ban. Ebben leírja a napfoltok szerkezetét, látszólagos mozgásukat a napkorongon és ennek változását amiatt, hogy a Nap egyenlítői síkja 7 1/4 fokos szöget zár be a földpályával, az ekliptikával. Ezután sokáig a csillagászok kevés figyelmet fordítottak a napfoltokra. Az érdeklődés akkor nőtt meg, amikor Samuel Schwabe felfedezte, hogy nagyjából 10 éves ciklussal változik a napfoltok megjelenésének gyakorisága, és többen arra is felfigyeltek, hogy a földmágneses háborgások gyakorisága ezzel párhuzamosan változik. Utóbbiak között volt Rudolf Wolf, aki ezután egész életét a napfoltok tanulmányozásának szentelte. Kidolgozott egy egyszerűen meghatározható mérőszámot, a (Wolf-féle) napfolt-relatívszámot. Létrehozott Zürichben egy csillagvizsgálót, ahol minden derült napon megfigyelte a Napot, meghatározva a napi relatívszámot. Megszervezett egy világméretű hálózatot, hogy a Zürichben borult napokra is legyen megfigyelés, továbbá hatalmas munkával az obszervatóriumok archívumaiból kikereste a régi napfolt-megfigyeléseket, és visszamenőleg az 1700-as évekig meghatározta a relatívszámokat, közzétéve a Zürichi Obszervatórium Közleményeiben. Ennek alapján állapította meg, hogy a napfoltciklus átlagos hossza 11,1 év, de nagyon szabálytalan. 1749-től kezdve minden hónapra tudott átlagos relatívszámot meghatározni, így az 1755 márciusában kezdődő ciklus volt az első, amely minden részletében tanulmányozható volt, Wolf után ettől számítva sorszámozzák a napfoltciklusokat, jelenleg a 24. ciklus maximuma környékén járunk (l. táblázat).

A relatívszám meghatározása nagyon egyszerű, képlete a következő:

Rz = k(10g + f),
amelyben Rz a (zürichi) relatívszám, g a megfigyelt napfoltcsoportok száma, f a napkorongon lévő összes folt száma, k pedig egy szorzótényező, amellyel az adott megfigyelő adatait Wolf számaival egyezővé lehet tenni, ennek értékét hosszabb időszak statisztikája alapján határozzák meg. Érdekességként megjegyezhető, hogy az első világháború előtt volt néhány év, amikor a relatívszám megfigyeléseinek jelentős hányadát (kb. harmadát) magyarországi csillagvizsgálók szolgáltatták (Ógyalla, Kalocsa, Herény, Kiskartal). A zürichi csillagvizsgálóban Wolf munkáját utódai, A. Wolfer, W. Brunner és M. Waldmeier folytatták egészen 1980. december 31-ig, amikor Waldmeier nyugalmazása után a relatívszám-adatközpont (SIDC = Solar Index Data Center) Brüsszelbe került, ahol jelenleg is működik. Adatai az interneten elérhetők. Mivel már nem Zürichben határozzák meg, jelenlegi megnevezése nemzetközi (internacionális) relatívszám, jelölése emiatt Ri.

1. kép. Christopher Scheiner rajzai
néhány, 1626-27-ben megfigyelt
napfoltcsoport átvonulásáról a
napkorongon. Látható, hogy a Nap
forgástengelyének hajlása miatt
márciusban más íven vonulnak a
napfoltok, mint szeptemberben (a szerző
felvétele)

2. kép. A szerző Scheiner könyvével a
szombathelyi Gothard Asztrofizikai
Obszervatórium könyvtárában

3. kép. Rudolph Wolf (1816-1893), a
Zürichi Csillagvizsgáló alapítója, a
napfolt-relatívszám megalkotója
(a szerző archívuma)

Meghatározásából kifolyólag a relatívszám nem fizikai mennyiség, mint pl. a napfoltok összterülete vagy a Nap rádió-, esetleg röntgensugárzásának erőssége. Mindazonáltal könnyű meghatározhatósága miatt a leghosszabb adatsor, és a napaktivitás egyéb jelenségei is vele párhuzamosan változnak, emiatt széles körben használatos, sőt a napfoltmaximumok és -minimumok időpontjának meghatározásában döntően ez használatos. Mint a grafikonokon is látható, a relatívszám erősen ingadozó, előfordul (mostanában különösen gyakran), hogy a Napnak csak az egyik oldalán vannak foltok, így körbefordulásának 27 napja alatt egyszer magas, másszor alacsony a relatívszám. Másik érdekesség, ami a napi adatokat mutató képen jól látható, hogy a relatívszám, ha nem nulla, akkor minimális értéke (k=1 esetén) 11. Egy folt esetén az egy csoport (g=1) és egy folt (f=1). Emiatt célszerű havi átlagokat használni. Még ezek is észrevehetően ingadoznak, emiatt a napciklus jellemzésére 13 hónapos mozgó átlagolást használnak, az adott hónap, valamint az előtti és utáni 6 hónap átlagát, a két szélső hónapot csak felerészben figyelembe véve.  Ennek az ún. havi simított napfolt-relatívszámnak a legkisebb, illetve legnagyobb értéke elérésekor van a napfoltminimum, illetve -maximum. A módszerből következően csak utólag, legalább egy év, de maximum esetében előfordulhat, hogy több év eltelte után mondható határozottan, hogy túl vagyunk a minimumon (maximumon).

4. kép. A havi simított relatívszámok menete 1750-től kezdve (SIDC adatok alapján)

5. kép. A legutolsó teljes (23.), és a most zajló (24.) napciklus (SIDC adatok)

Ha a mostani, a 23. és 24. ciklus közti minimumot nézzük, láthatjuk, hogy szokatlan volt, de nem példátlan. A napfizikusokat elkényelmesítette az előző négy (19–22.) ciklus, amelyek, bár különböző magasságúak voltak, de időbeli lefolyásuk meglehetősen hasonlított (talán a 20. volt egy kicsit hosszabb). Emiatt a kutatók 2006. elején nyugodtan jósolták, hogy 2006. vége felé túljutunk a minimumon, és ismét növekedni kezd a napfoltok száma. A Nap azonban nem törődött az elméletekkel, és a simított relatívszám folytatta a csökkenést egészen 2008 decemberéig, ezáltal a 23. ciklus hossza elérte a 12,6 évet. Ez, bár hosszú, de nem rekord, a 4., ill. 6. ciklusok tovább tartottak (l. táblázat). Olyan félelmek is megjelentek nyomtatásban, hogy a naptevékenység egészen leáll, vagy minimális szinten folytatódik, amire volt már példa az 1650–1700. évek közt bekövetkezett, felfedezőjéről Maunder-minimumnak elnevezett időszakban. A napfoltok száma azonban lassan növekedésnek indult, már 2008 januárjában megjelent az új ciklus első foltcsoportja (ez helyzetéből és mágneses tulajdonságaiból meghatározható), és elindult a 24. naptevékenységi ciklus. Már indulásából láthatóan nem ígérkezett túlságosan magasnak, ezért az előrejelzések fokozatosan egyre későbbi és egyre alacsonyabb ciklust jeleztek.

6. kép. A 24. napciklusra vonatkozó előrejelzések változása az idő előrehaladtával (NOAA, Boulder, USA)

7. kép. A legutolsó 5 teljes, és a most folyó napciklus egymásra rajzolva (SIDC adatok)

A napfoltok számának növekedésével a relatívszámok is növekedtek, különösen (a mostani szinthez képest) magas értékeket értek el 2011 novemberében. Mivel utána is közepesen magas szinten maradt a naptevékenység, a simított relatívszámok is magasan maradtak, sőt 2012 februárja után már csökkenni is kezdtek. 2012 végére már megjelentek az első találgatások, hogy elértük-e már a napfoltmaximumot, vagy esetleg túl is vagyunk rajta. Mondhatjuk-e ezt? Most még semmiképpen, ha végignézzük a naptevékenység eddig részletesen megismert több, mint két és fél évszázadát. Átnézve az eddigi ciklusokat, a 12., 14. és 16. tűnik hasonlónak az indulás alapján. Ilyen alacsony ciklusoknál a maximumban még erős ingadozások lehetségesek, és a múlt példái alapján teljes mértékben lehetséges 2013–14-ben egy, a 2011 novemberinél magasabb maximum.

8. kép. A mostanihoz eddig leginkább hasonló (12., 14., 16.) ciklusok (SIDC adatok)

De miért is fontos számunkra a napfoltmaximum, mi okozza a földmágneses háborgásokat? Az első lépéseket ennek földerítésére G. E. Hale tette meg 1908-ban, amikor kimutatta a napfoltokban található erős mágneses teret (a Föld mágneses terének több ezerszerese). A másik jelentős felfedezés szintén Hale érdeme, az általa kifejlesztett spektroheliográf és spektrohelioszkóp lehetővé tette a Nap fényes felülete, a fotoszféra feletti naplégköri réteg, a kromoszféra megfigyelését. A kromoszféra a napfoltcsoportok fölött jóval fényesebb, de időnként ezeken az amúgy is fényes helyeken gyorsan változó kifényesedések, flerek jelennek meg. Ezek változó nagyságúak, élettartamuk kb. 10 perc és több óra közt lehet. A megfigyelések, különösen a Nemzetközi Geofizikai Év (1957-58) és az ezt követő összehangolt együttes mérések kiderítették, hogy főleg a flerek felelősek a földi hatásokért.

A naptevékenység folyamataiban fontos szerepet játszik a Nap kiterjedt légköre, a kromoszféra felett elhelyezkedő, millió fokos hőmérsékletű napkorona is. Ez, mint a napfogyatkozások idején is látható, fokozatosan átmegy a bolygóközi térbe, de a magas hőmérséklet miatt egy állandó részecskeáramlás, a napszél formájában betölti az egész Naprendszert. A Föld környezetében a napszél átlagos sűrűsége kb. 10 proton/cm3, sebessége néhány száz km/s. A Föld mágneses tere kialakít egy védett üreget, a magnetoszférát a napszélben, amibe nyugodt körülmények között alig jutnak be a napszél részecskéi, csak a mágneses sarkok környezetében, a sarkifény-övezetben. A napaktivitás következtében a napszél egyenletes áramlását megzavaró részecskefelhők, és a bennük hordozott mágneses tér megzavarhatja a magnetoszférát (ez okozza a mágneses vihart), a sarkifények közelebb húzódhatnak az Egyenlítőhöz.

9. kép. A legutolsónak megfigyelt jelentős
fler képei 2012. okt. 23-án. Balra fent
napkorona, a függőleges zöld vonal a CCD
érzékelő telítődését jelzi a nagy fényesség
miatt. Balra lent kromoszféra, látható
egy nem túl nagy, a felszín fölött lebegő
protuberancia is. Jobbra lent a fotoszféra
képe a napfoltcsoporttal, jobbra fent pedig
a fotoszférában lévő látósugár irányú
mágneses tér térképe (zöld, kék: északi
polaritás, sárga, vörös: déli polaritás)
(NASA SDO)

A naptevékenység legfontosabb szereplője a mágneses tér, ami a napfoltok megjelenésének oka, és ami hozzájárul a napfoltcsoportok felett a kromoszféra és korona kifényesedéséhez, és amelynek energiája táplálja a flereket és más aktív jelenségeket. A flerek és következményeik magyar elnevezései nem egyértelműek. A napkitörés szó, értelme szerint, valamilyen anyagkidobódásra enged asszociálni, ami, bár gyakori a flerekben, de nem fordul elő minden esetben, különösen a kisebbeknél. A fler angolul csak kifényesedést jelent. Maga a jelenség egy hirtelen energiafelszabadulást jelent a napkoronában, ahol addig békésen egymás mellett léteztek ellentétes irányú mágneses terek az anyag jó elektromos vezetőképessége miatt. Ha valamilyen folyamat (pl. turbulencia) rontja a vezetőképességet, az addig ott folyó elektromos áramok a megnőtt ellenállás miatt elkezdik felmelegíteni a korona anyagát 50–70 millió fokra, emellett gyorsított, nagyenergiájú részecskék is keletkeznek, amelyek a mágneses erővonalak mentén részben lefelé, a kromoszférába, részben kifelé, a napszélbe jutnak. A kromoszférába becsapódva azt felmelegítik (ez a spektroheliográffal látható kifényesedés), valamint röntgensugárzást is keltenek. Az energiafelszabadulás többnyire egy buborékot is fúj a napkoronában, amely aztán kifelé tovaterjed a napszélben, ezt hívják koronakitörésnek (angol rövidítése CME). Koronakitörés fler nélkül is létrejöhet, a koronában létező mágneses terek átrendeződésekor.

10. kép. Az „állatorvosi Nap”, az
SDO képeiből összeállított montázs
2012 második felének néhány
napfoltcsoportjának naponként
délben készült felvételeiből. Látható
a foltcsoportok fejlődése, és a Nap
forgástengelyének ferdesége. Az egyes
napfoltcsoportok megfigyelési dátumai,
felülről (észak) lefelé (dél): 11543 –
2012. aug. 7-19., 11591 – okt. 12-24.,
11560 – aug. 29-szept. 7. és 11504 – jún.
9-20., minden nap 12:00 világidőkor.
(NASA SDO)

A flereknek többféle hatása van a Földre. Az említett magas hőmérséklet miatt a Nap ibolyántúli sugárzása fler idején többszörösére, röntgensugárzása több nagyságrenddel megnőhet. Ezek a Föld felső légkörét felmelegítik,felfújják, ezért a mesterséges holdak jobban fékeződnek ilyenkor. A Nap ibolyántúli sugárzása hozza létre az ionoszférát, amely a rövidhullámú rádiózásban játszik fontos szerepet, a távoli rádióadások erről visszaverődve jutnak el hozzánk. A fler idején megnövekedett ionizáció miatt megnövekedik az elnyelés, emiatt zavar állhat be a rádióvételben. Ezek a hatások egyidejűek a távcsővel megfigyelt flerrel. A napszélbe befogódott korona-buboréknak viszont idő kell, míg megteszi a Nap-Föld 150 millió km távolságot, ráadásul nem is teljesen egyenes úton terjed, így 1-2 nap után éri el a Föld magnetoszféráját. A kölcsönhatás nagyrészt attól függ, hogy a részecskefelhő által hordozott mágneses tér iránya egybeesik-e a földmágneses térével. Ha igen, akkor a részecskék nem nagyon zavarják meg a magnetoszférát. Ha viszont a részecskefelhő mágneses tere ellentétes irányú, akkor itt is bekövetkezik a kölcsönhatás, energiafelszabadulás, és a Napból származó részecskék bejutnak a Föld környezetébe, megzavarják a mágneses terét, mágneses vihart hoznak létre. A nagyenergiájú részecskék veszélyeztetik az űrhajósok egészségét (árnyékolt helyiségbe kell vonulniuk), a keringő műholdak műszereit, amelyektől egyre jobban függünk (távközlés, GPS). A földmágneses tér ingadozásai miatt indukált áramok pedig megzavarhatják a póluskörnyéki országok elektromos rendszereit (egyszer Kanada keleti felében félnapos hálózatkimaradást okozva), vagy megnövelik a hosszú földalatti csővezetékek korrózióját. A hatások tisztázása után azonban ma már a mérnökök a védekezésre is gondolnak.

A Nap megfigyelését az utóbbi évtizedekben az űrszondák is nagyban segítik. A SOHO nevű nagy napkutató szonda a Nap és a Föld közti egyensúlyi pont környezetében kering, 1,5 millió kilométerre a Földtől. Mivel nem földkörüli pályán van, állandóan figyeli a Napot, sosem kerül a Föld árnyékába. Megfigyelései néhány óra feldogozás után azonnal az internetre kerülnek. Bár a SOHO nagyon eredményesnek bizonyult, képérzékelői mindössze 1024x1024 képpont nagyságúak,  ami kb. 2 ívmásodpercnek felel meg. 2010-ben bocsátotta föl a NASA a Solar Dynamics Observatory-t (SDO), ami a napfizikusok Hubble űrtávcsövének felel meg. Ennek képérzékelői már 4096x4096 képpontosak, tehát a földfelszínről alig elérhető fél ívmásodperc részletességű képeket készítenek, kétszer annyi hullámhosszon, mint a SOHO. Ez azért fontos, mert a fotoszféra, az ott található mágneses terek és a kromoszféra mellett a napkorona nagyon különböző hőmérsékletű helyeit tudja megfigyelni. Bár a mostani naptevékenységi ciklus aktivitása nem túl nagy, azért számos érdekesebb napfoltcsoportot össze lehetett gyűjteni az SDO megfigyeléseiből 2012 második feléből, valamint az utolsó negyedév legnagyobb flerjének fényképét is, a Nap légkörének különböző rétegeit ábrázoló képeken.

A cikk címében feltett kérdésre az válaszolható, hogy lehetséges, de nem valószínű, hogy már túl is vagyunk rajta, biztosat majd valamikor 2014-15 táján lehet mondani. Ámbár a Nap mindig kész valamilyen meglepetéssel szolgálni, ez a szépsége a kutatómunkának.


Természet Világa, 144. évfolyam, 3. szám, 2013. március
http//www.termeszetvilaga.hu/ 
http://www.chemonet.hu/TermVil/