A naptevékenység és az időjárás

Szombati Máté
Kecskeméti Református Kollégium Gimnáziuma


Mindennapos tapasztalat, hogy Napunk hatással van a földi életre. Amikor felkel, máris érezhetjük melegét, nyáron pedig árnyékba rejtőzünk előle. Ezért a melegért az elektromágneses sugárzás felelős, de ezen kívül a Nap még részecskéket is bocsát ki, melyek a Föld mágneses terére, valamint a légkörre, és így az időjárásra is hatással vannak.

A Debreceni Egyetem meteorológiai tanszékével együttműködve az MTA Csillagászati Kutatóintézetének Napfizikai Obszervatóriumában is foglalkoznak ezen folyamatok tanulmányozásával, amibe rövid időre én is bekapcsolódhattam. Mielőtt azonban rátérnék ennek ismertetésére, át kell tekintenünk a főbb folyamatokat.

A naptevékenység

A Nap erősen ionizált gázból, úgynevezett plazmából áll, melyre nagy mérete és vezetőképessége miatt érvényes a befagyási tétel. Ez egyszerűen azt jelenti, hogy az anyag és a benne található mágneses tér egymástól elválaszthatatlanok. Mivel a Nap tengely körüli forgásának szögsebessége az egyenlítőnél nagyobb, mint a sarkoknál, ezért a befagyási tétel következtében a kezdetben még észak–déli irányítottságú mágneses erővonalak az idő előrehaladtával feltekerednek és az egyenlítő felé torlódnak (1. ábra). E megközelítőleg 11 éven át tartó folyamatnak a végén a mágneses pólusok átfordulnak, majd kezdődik az egész elölről.


1. ábra

Mindeközben a feltekeredő erővonalkötegek helyenként kitüremkednek és hurkot formálva felemelkednek. E hurkoknak a fotoszférával alkotott metszetei alkotják a napfoltpárokat (1. ábra), a felszíntől távolodva pedig ezek adják a napkorona jellegzetes szerkezetét (2. ábra). Az ilyen, aktív vidékeknek nevezett régiók gyakorisága a feltekeredési folyamat közepe táján a legnagyobb. Ezt naptevékenységi maximum, míg a feltekeredési időszak kezdeti és végső szakaszát minimum időszaknak nevezzük.


2. ábra

A Nap felszínéről folyamatosan válnak le azon részecskék, melyek túllépik a szökési sebességet. Ezek áradatát napszélnek hívjuk, és a nyugodt Nap esetében azon területekről „fúj” a legerősebben, ahol a mágneses erővonalak a bolygóközi tér felé nyitottak – ezek a koronalyukak (2. ábra). Ez érthető, hiszen a befagyási tétel következtében a kisebb energiájú anyagáramlások csak a mágneses erővonalak mentén mozoghatnak.

A földi hatásokért viszont leginkább az aktív régiókban kialakuló, és ezért a naptevékenységi maximum időszakban gyakori napkitörések, a flerek felelősek. A fler egy-egy bonyolult szerkezetű aktív vidékben lejátszódó, hatalmas energiafelszabadulással járó folyamat, aminek következtében nagy sebességű és óriási méretű részecskefelhő hagyja el a Napot, a „belefagyott” mágneses térrel együtt (3. ábra). Az ilyenkor megerősödött napszelet űrviharnak is nevezik.


3. ábra
 

Az űridőjárás és a földi mágneses tér

Ha a világűr valóban üres lenne, akkor a magnetoszférának nevezett földmágneses tér a rúdmágnes teréhez hasonlóan szimmetrikus alakot öltene. Ezzel ellentétben a bolygóközi teret híg plazma tölti ki, amire hatással van a napszél áramlása. Ezen híg plazmába „fagyott” földmágneses teret a napszél eltorzítja; a Nap felőli oldalon összébb nyomja, az ellentétes oldalon pedig megnyújtja azt, kialakítva ezzel a magnetoszféra uszályát (4. ábra).


4. ábra

A napkitöréseket követő űrviharok idején, a magnetoszférán áthaladó átlagosnál erősebb lökéshullám hatására az uszály helyenként összenyomódik és az ott található plazma – főleg elektronok – a Föld mágneses sarkainál lévő nyitott erővonalakból álló tölcséren (sarkifény-övezet) át nagy sebességgel bepréselődik a légkörbe (4. ábra). Az energia, ami egy-egy ilyen alkalommal a légkörben elnyelődik, megegyezik egy közepes méretű atombomba energiájával, és az esetek jelentős részében jól behatárolható, ciklon nagyságú területen oszlik szét.

Eközben a részecskeáram jelentős hatást gyakorol környezetére, melyek közül a leglátványosabb a levegő részecskéinek gerjesztése következtében kialakuló sarki fény jelensége. A mágneses tér ilyenkor fellépő ingadozásait mágneses viharnak nevezik. Ennek következtében a sarkvidékek térségében az iránytűk erősen ingadoznak, a rövidhullámú rádiózás lehetetlenné válik, a távvezetékekben pedig – a változó földmágneses tér miatt – veszélyes túláramok indukálódhatnak. Ez történt 1989-ben az Amerikai Egyesült Államokban, amikor egy napkitörést követően közel 6 millió ember maradt áram nélkül, a transzformátorállomások túláram miatti leégésének következtében.

Bár a Nap elektromágneses sugárzása által szállított energia hét nagyságrenddel nagyobb, mint a részecskesugárzásoké, de míg az előbbi a naptevékenységi ciklus folyamán megközelítőleg változatlan, addig az aktív vidékekkel kapcsolatban álló részecskesugárzások intenzitása nagymértékben változik, attól függően, hogy minimum-, vagy maximumidőszak van-e. Ráadásul míg az elektromágneses sugárzások megváltozása egyformán érinti az egész földgolyót, addig a részecskesugárzások hatása koncentráltan, csak a sarkifény-övezetekben jelentkezik (4. ábra).

A planetáris hullám, ciklonok, anticiklonok

Az Egyenlítő mentén a levegő felmelegszik és kitágul, míg a sarkoknál ennek az ellenkezője játszódik le. Ebből következően az Egyenlítőnél a magasban a sarki területekhez képest nagyobb lesz a légnyomás, és légáramlás indul meg a sarkok felé, ami a Föld forgásának következtében fellépő Coriolis-erő miatt kelet felé térül. Így alakul ki részben a sarkifény-zóna alatt a nyugati széláramlás rendszere, ami a sebesség-, illetve a légnyomáskülönbségek miatt behullámosodik, ezek a planetáris hullámok (4. ábra). Ennek kanyarulataiban pedig ott találhatók az időjárásunkat is alakító alacsony, illetve magas nyomású légörvények, a ciklonok és az anticiklonok.

Megállapíthatjuk tehát, hogy a világűrből a Földre érkező részecskesugárzások számára kapuként szolgáló sarkifény-övezet alatt a meteorológiai folyamatok szempontjából érzékeny területek találhatók.

A naptevékenység és az időjárás

Érdemes tehát megvizsgálni, hogy az űrviharokat követően a légkörbe hatoló töltött részecskék által leadott energia milyen hatással van a tengerszinti légnyomás értékére, illetve az időjárási folyamatokban fontos szerepet játszó képződmények viselkedésére.

Arról, hogy a magnetoszféra uszályából induló részecskék áradata hol lépett be a légkörbe, a legegyszerűbben a fékeződő elektronok által kibocsátott röntgensugárzás, illetve a gerjesztett levegőmolekulák által kibocsátott ultraibolya, és más elektromágneses sugárzások detektálásával szerezhetünk tudomást. Mivel a fékezési röntgensugárzás csak ott jelentkezik, ahol a részecskék a légkörbe záporoznak, ezért az sokkal alkalmasabbnak bizonyult a kérdéses tartomány behatárolására, mint más hullámhosszak.

Erre a célra Debrecenben a NASA Polar elnevezésű mesterséges holdján elhelyezett Polar Ionospheric X-ray Imaging Experiment nevű röntgenkamera által szolgáltatott adatokat használják, míg a légnyomásváltozásokat a Kanadai Meteorológiai Szolgálat adatai alapján követik nyomon. Így lehet összevetni a légköri eseményeket a Nap felszínén történtekkel, azaz hogy légkörünkben hol, és hogyan fejtik ki hatásukat a napkitörésekből származó plazmafelhők.


5. ábra

Ezen mérések eredményei közül mutatok be egy szép példát (5. ábra), amely éppen az ott-tartózkodásom idején készült. Az ábra egy 2000. február 12-én éjféltájt (j=78°, l=114° földrajzi koordinátájú középponttal) bekövetkező részecskezápornak (függőleges csíkozott terület jelöli) a tengerszinti légnyomásra gyakorolt hatását mutatja. A vízszintes tengelyen az idő, míg a függőleges tengelyen baloldalt a tengerszinti légnyomás, jobboldalt pedig annak idő szerinti differenciálhányadosa látható. A részecskék által besugárzott terület alatt, a geometriai középpontban mért légnyomásértékeket világos körökkel, az idő szerinti differenciálhányadosukat pedig fekete négyszögekkel jelöltük.

Mindkét görbén egyértelműen látható, hogy a kérdéses helyen a részecskezápor hatására több mb-ral is csökkent a tengerszinti légnyomás. Ennek oka a légkör magasabb rétegeinek a részecskezápor hatására bekövetkező felmelegedésében keresendő. Mivel e részecskezáporokat az űridőjárási, és így végső soron a Napon történt események váltják ki, és mivel a légnyomás ilyen mértékű megváltoztatása már befolyásolja a meglévő áramlási rendszerek között fennálló egyensúlyt, belátható, hogy a naptevékenység ténylegesen hatással van az időjárási folyamatokra.

Köszönetet mondok témavezetőmnek, Tóth Lászlónak (tudományos munkatárs, MTA KTM CsKI Napfizikai Obszervatórium, Debrecen), aki sokat magyarázott nekem ezekről a folyamatokról, és olvasnivalókkal látott el. Köszönöm Ledó Nórának, hogy segített az angol szövegek fordításában, valamint Szombati Zoltánnénak, Szombati Zoltánnak és Szombati Balázsnak a közreműködését.

Irodalom

Almár Iván, Horváth András: Űrhajózási lexikon, Akadémiai Kiadó, Zrínyi Katonai Kiadó, Budapest 1981.
Kimberly Burtnyik, Anatomy of an aurora, Sky and Telescope, Vol. 99, No. 3, 2000.
Koppány György: Az időjárás hosszú távú előrejelzése, Magvető Kiadó, Budapest
Marik Miklós: Csillagászat, Akadémiai Kiadó, Budapest, 1989
Nemerkényi Antal: Általános természetföldrajz, Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2000.
Rákóczi Ferenc: Életterünk, a légkör, Mundus Magyar Egyetemi Kiadó, Budapest, 1998.
Sten Odenwald, Solar Storms: Sky and Telescope ; Vol. 99, No. 3, 2000.
László Tóth, Sándor Szegedi: Relationships Between Ionospheric Disturbances and Changes of Sea Level Pressure over the Arctic, ESA SP–463, p. 529, 2000.
 


Természet Világa, 133. évfolyam, 9. szám, 2002. szeptember
http://www.chemonet.hu/TermVil/ 
http://www.kfki.hu/chemonet/TermVil/


Vissza a tartalomjegyzékhez