Egyedülálló magyar napfolt-adatbázis készült a Nap hosszú távú változásainak vizsgálatához

Napfoltok – a naptevékenység első számú jelzői

A naptevékenység legfontosabb és legrégebb óta megfigyelt jelenségei a napfoltok és az általuk alkotott foltcsoportok. A Nap belsejében az úgynevezett dinamómechanizmus révén erős mágneses terek keletkeznek, amelyekből időnként egy-egy mágneses fluxusköteg a Nap felszínként látható rétege fölé emelkedik. A nagyobb fluxuskötegek belsejében a hőmérséklet kb. 1500 fokkal alacsonyabb, mint a környező felszín kb. 5800-6000 Kelvin-fokos hőmérséklete, a hűvösebb területeket viszont sötétebbnek, azaz napfoltnak látjuk.

Mivel a napfolttevékenység a Napon zajló fizikai folyamatok egyik legalapvetőbb megnyilvánulása, megbízható dokumentálása kiemelt fontosságú a szoláris dinamó és a naptevékenység jellemzőinek megértése szempontjából. A hosszú távon zajló változások vizsgálatára pedig kizárólag a napfoltok adatsorai alkalmasak. Néhány korai történelmi feljegyzés bizonyítja, hogy néha szabad szemmel is meg tudtak figyelni nagyméretű foltokat, de csak 1610-től a távcső elterjedésével vált gyakorivá, hogy egy-egy tudós hosszabb-rövidebb ideig rendszeres napfoltmegfigyelést tudott végezni. A máig fennmaradt napfoltrajzoknak és feljegyzéseknek köszönhetően ettől az időszaktól kezdve többé-kevésbé jól dokumentáltnak tekinthető a naptevékenység.

Az 1850-es évek elején Edward Sabine csillagász és geofizikus felfedezte, hogy a Heinrich Schwabe által korábban leírt, kb. 11 éves napfoltciklust követi a földi mágneses tér változása. Ennek hatására 1858-ban megkezdődött a teljes napkorong rendszeres fotografikus észlelése látható (fehér) fényben a Sabine által vezetett Kew Observatoryban. 1859-ben pedig bekövetkezett az eddigi legnagyobb detektált űridőjárási esemény: R. C. Carrington egy fehér fényben látható napkitörést észlelt, ami után geomágneses zavart mértek Kew-ban, majd alacsony szélességeknél is látszó sarki fényt, elektromos zavarokat és a távírórendszerben fellépő szikrákat tapasztaltak világszerte.

Ez tovább erősítette azt a felismerést, hogy a Nap rendszeres megfigyelése elengedhetetlen a környezetünkben zajló események megértéséhez. A Nap fotografikus észlelési programja 1874-től a Royal Greenwich Observatoryban (RGO) folytatódott, és 1976-ig itt publikálták a napfoltcsoportok pozíciójának és területének adatait tartalmazó Greenwich Photoheliographic Results (GPR) katalógust. A legtöbb jelenlegi ismeretünk, ami a foltcsoportok térbeli és időbeli eloszlására és a napciklusra vonatkozik, a GPR-en alapszik. Évszázados időtartamra kiterjedő vizsgálatokra csak a napfoltszámnak nevezett adatsor áll rendelkezésre, ami minden naptári napra egy olyan számot tartalmaz, amelyet az adott napon a Nap felszínén látható foltok és foltcsoportok számából képeznek.

A naptevékenység hosszú távú és ciklikus változása a napfoltszám jelenleg elfogadott értékei alapján 1610-től kezdődően. A hosszú távú változás (fekete vonal) oka és pontos mértéke még ismeretlen, a kb. 11 éves ciklus kialakulását a szoláris dinamómechanizmus okozza. Forrás: Wikipédia

Debreceni napfolt-adatbázisok

A DNO-ban 1958-tól kezdődően nagy hagyománya volt a napkorong fehér fényben történő rendszeres észlelésének és a foltok mérésének. Ennek alapján 1976 után a Nemzetközi Csillagászati Unió felkérésére és az MTA jóváhagyásával a GPR katalógus adatokkal való feltöltése Debrecenben folytatódott. A Debrecen Photoheliographic Data (DPD) végül nem a korábbi napfoltkatalógus egyszerű folytatása lett, hanem olyan egyedülállóan részletes és információban gazdag adatbázist sikerült létrehozni, ami számtalan újfajta vizsgálatra nyújt lehetőséget.

A hagyományos napi foltcsoportadatok mellett a foltok adatai, a foltcsoportok képei, a teljes látható napkorongról és a látóirányú mágneses terekről információt adó képek egészítik ki az anyagot. Az adatbázis könnyen használható interaktív internetes felületen, és az adatok válogatását segítő szolgáltatásokon keresztül is szabadon hozzáférhető. Az adatbázis nemrégiben vált teljessé azáltal, hogy a GPR-ből és a DPD-ből egységes adatsort sikerült létrehozni, amit a magyar történelmi napfoltészlelések tesznek teljessé.

A DPD készítése 1992-ben kezdődött. Fejlesztéséhez nagyon sokan járultak hozzá észleléssel és/vagy adatfeldolgozási feladatok elvégzésével az elmúlt évtizedek alatt – őket külön köszönet illeti. A DPD-munkacsoportnak azonban csak három kutató volt a kezdetektől mostanáig tagja, akinek tevékenysége mindvégig meghatározó jelentőségű volt mind a DPD tartalmi és minőségi, mind az internetes megjelenítése szempontjából: Baranyi Tünde, Győri Lajos és Ludmány András. A két utóbbi kutató 2016. augusztus 20-án az adatbázis létrehozása érdekében végzett munkájáért, életművéért a Magyar Érdemrend lovagkeresztje kitüntetésben részesült.

Figyelemre méltó észlelések, izgalmas kérdések

Egy oldal a Debrecen Photoheliographic Data honlapjáról Forrás: MTA CSFK CSI Debreceni Napfizikai Obszervatórium

Első ábránkon balra egy vázlatos napkorongrajz látható, amely a Napfizikai Obszervatórium volt Gyulai Megfigyelő Állomásán fehér fényben észlelt foltcsoportok adataiból készült. A különböző foltcsoportokhoz tartozó foltokat eltérő színek különítik el; mellettük a foltcsoport azonosítására szolgáló számot tüntettük fel.

Jobbra a Kitt Peak-i Obszervatóriumban (USA) készített speciális napkorongészlelés (magnetogram) képe látható, ami a foltokban mérhető látóirányú mágneses tér polaritását és erősségét mutatja a szürke színskála különböző árnyalataival kódolva (fehér vagy világos – pozitív, északi, a Napból kifelé mutató mágneses tér; fekete vagy sötét – negatív, déli, a Napba befelé mutató mágneses tér).

A kisebb foltcsoportoknál megfigyelhető, hogy a kétféle polaritás viszonylag jól elkülönül: a jobb oldali (a Nap forgási irányát tekintve elöl lévő, vezető) része és a bal oldali (követő) része ellentétes polaritású. A legnagyobb foltcsoportban, az 5395-ös számúban az ellentétes polaritású területek összekeverednek.

Forrás: MTA CSFK CSI Debreceni Napfizikai Obszervatórium

Kinagyított képek az első ábrán bemutatott, NOAA 5395 számú foltcsoportról az 1989. március 9-én készült észlelések alapján. Balra a gyulai észlelés utólagosan színezett részlete látható, amelyen számokkal jelzett vonalak mutatják, hogy az alakzat melyik részéről milyen kódszámmal található meg az adatbázisban az adott időpontban mérhető pozíció és területadat.

Jobbra a Kitt Peak-i magnetogram azonos részlete, ami mutatja, hogy az ellentétes mágneses polaritású területek hogyan keverednek a foltcsoportban, ami lényegében egyetlen hatalmas foltot alkot. A bonyolult mágneses struktúrákban olyan gyors átrendeződési folyamatok történhetnek, amelyek óriási energia felszabadulásával járnak.

Ezek a napkitörések (angolból magyarosított nevükön flerek) mindig a nagy energiájú elektromágneses sugárzás megnövekedésével járnak együtt, amelyeket nem sokkal később a Földön sokszor követ nagy energiájú részecskék becsapódása. A napkitörések nagyon gyakran társulnak a naplégkör részecskéit és a hozzájuk tartozó mágneses teret a bolygóközi térbe kirepítő koronaanyag-kidobódásokkal (Coronal Mass Ejection, CME), amelyek néhány nap alatt érik el a Földet.

Ebben a foltcsoportban március 6-ától kezdve szinte folyamatosan kisebb-nagyobb napkitöréseket lehetett észlelni, és majdnem mindennap produkált legalább egy olyan flert, amelyik a legnagyobb energiaosztályba (X) tartozott a kibocsátott röntgensugárzása alapján. A március 10-ei X-es flerrel együtt egy olyan CME is létrejött, ami március 13-án elérte a Földet, és a hatására kialakult geomágneses vihar miatt tönkrement az elektromos hálózat Kanada Québec tartományában.

Milyen gyakran fordulnak elő extrém nagy geomágneses viharok, amelyek technikai problémákat okozhatnak?

A fentebb bemutatott 1989. márciusi esemény hatása meg sem közelítette az 1859-es Carrington-féle esemény nagyságát. Az utóbbi most felbecsülhetetlen károkat okozna a modern technikára alapozott társadalmunkban, de az előbbihez hasonlóak is jelentős problémákat okozhatnak pl. a műholdakban, légi irányítási radarokban vagy a GPS-rendszerben. Ezért megnőtt az érdeklődés a múltbeli veszélyes méretű napkitörések iránt, hogy az ilyen események jövőbeli bekövetkeztét jobban meg lehessen becsülni.

Egy nemzetközi kutatócsoport például modern adatok és ismeretek alapján megvizsgálta az elmúlt 150 év legnagyobb geomágneses viharait (cikküket lásd itt) és az akkori napészleléseket azért, hogy meghatározzák az ezeket okozó foltcsoportok jellemzőit. Úgy találták, hogy összefüggés van a napkitörést produkáló foltcsoport mérete, a A flerekkel kapcsolatos vizsgálatokról nemsokára további érdekességeket lehet majd találni a Természet Világa c. folyóiratban megjelenés előtt álló hosszabb cikkben.CME becsült haladási sebessége és a geomágneses vihar nagysága között. Ehhez a munkához közvetve hozzájárult a DNO is a DPD adataival és a kalocsai napfoltrajzokkal.

1892. február 11-én készített napkorongrajz a kalocsai Haynald Obszervatóriumból. Ezen a napon egy napkitörés történt az itt látható hatalmas foltcsoportban, és az ebből származó CME extrém nagy geomágneses vihart okozott február 14-én. Látható, hogy a foltcsoport mérete és szerkezete (és ezért feltehetően a mágneses struktúrája is) nagyon hasonlít arra a foltcsoportéra, amelyik 1989 márciusában 6 millió embert érintő áramszünetet okozott Kanadában. Forrás: MTA CSFK CSI debreceni Napfizikai Obszervatórium

Mennyire biztos az, hogy a Nap hosszú távon változott az elmúlt 400 évben? Mekkora volt az aktivitás szintje az ún. Maunder-minimum alatt? Nem csak a régi észlelések korlátozott minősége és mennyisége miatt tűnik olyan alacsonynak a Nap akkori aktivitása? Volt-e „modern kori maximum”, vagy csak az új műszerekkel észlelünk több foltot, mint a régiek?

Ezek a kérdések mutatják, hogy a hosszú távú adatsorok karbantartása külön kihívást jelent. Időről időre felmerülnek ugyanis olyan új szempontok, amelyek miatt újra át kell vizsgálni a régebbi adatokat. Hogy a fenti kérdéseket megválaszolhassák, a szakemberek elkezdték a régi észleléseket felülvizsgálni, és egy többéves nemzetközi együttműködés-sorozat szerveződött a nemzetközi napfoltszám homogenitásának vizsgálatára.

A napfoltszám megváltoztatására tett javaslatok azonban széles körű vitát keltettek, ami jelenleg is tart. Az adatsorban esetleg rejtetten jelen lévő ugrásszerű változások realitásának tisztázása igen fontos abból a szempontból, hogy mondhassunk valamit a naptevékenység hosszú távú változásairól. Ebben a munkában a Napfizikai Obszervatórium kutatói is részt vettek, és a DPD-adatok felhasználásával egy új paramétert, a napciklus során felbukkanó mágneses fluxus mennyiségét javasolták a napaktivitás intenzitásának jellemzésére (a cikket lásd itt), mely kiküszöböli a napfoltszám eredeti definíciójának homályos fizikai jelentésével kapcsolatos problémát.

Hogyan működik a szoláris dinamó? Várható-e a napaktivitás csökkenése?

A múlt század eleje óta nem volt ilyen gyenge napciklus, mint a jelenleg tartó. Ez a rendhagyó ciklus meglepte a kutatókat. Bizonyos mérési eredmények azt vetítik előre, hogy a gyengülés tovább folytatódhat, és lehetségesnek tűnik, hogy egy újabb Maunder-minimumhoz hasonló, alacsony napaktivitású időszak előtt állunk. Ha ez bekövetkezne, az már valószínűleg a földi klímára is hatással lenne, mert korábbi vizsgálatok során úgy találták, hogy az alacsonyabb naptevékenységi időszakok Európában és Észak-Amerikában egybeesnek a hűvösebb időjárású évtizedekkel vagy évszázadokkal.

Jelenleg tehát nyitott kérdés, hogy vajon vár-e ránk a közeljövőben egy alacsony átlagos naptevékenységgel és magas kozmikus sugárzási szinttel járó időszak, vagy sem. Ahhoz, hogy ezzel kapcsolatban megbízható előrejelzést lehessen adni, jobban kellene értenünk a szoláris dinamó működését. Azt például nem ismerjük pontosan, hogy hogyan alakul át a Nap belsejében lévő, fánkszerű toroidális tér rúdmágnesszerű poloidális térré 11 évenként. A jelenlegi ismereteink szerint ebben a folyamatban fontos szerepet játszik az, hogy a foltcsoportok vezető és követő részét összekötő képzeletbeli egyenes nem párhuzamos a Nap egyenlítőjével. Az így meghatározott dőlésszög átlagosan olyan, hogy a követő rész valamivel közelebb van a Nap pólusaihoz, mint a vezető rész.

A jelenlegi ismereteink a dőlésszögekről elsősorban a Mount Wilson Observatory fehér fényű észleléseiből (1917–1985) származó adatokon alapulnak. Nemrég azonban a DNO-ban végzett összehasonlító munka eredményeként kiderült, hogy ezeknek az adatoknak több mint 40%-a nem valódi dőlésszöget mutat (a cikket lásd itt). Ez azt jelenti, hogy az összes olyan eredményt, amit korábban ezekre a dőlésszögekre vonatkozóan publikáltak, felül kell vizsgálni.

Első lépésként a DNO-ban a dőlésszögek heliografikus szélesség szerinti függését (Joy-szabály) vizsgálta meg Baranyi Tünde amerikai kollégáival (Y.-M. Wang, R. C. Colaninno és J. Li) együttműködve a DPD-ből származtatott új dőlésszög-adatbázis felhasználásával (a cikket lásd itt). Nyitott kérdés maradt azonban, hogy a szélességfüggés mennyire változik a napciklus erősségének függvényében. Külföldi napfizikusok összehasonlították ennek a cikknek az eredményeivel a Maunder-minimum előtti és utáni észlelésekből származó dőlésszögeket, és nem találtak lényeges eltérést (a cikket lásd itt).

Ezek szerint a dőlésszögek alapján nem lehetett volna a Maunder-minimumot előre jelezni, ami kérdésessé teszi, hogy az adott ciklus dőlésszögeiből lehet-e előrejelzést készíteni a következő ciklus erősségére, ahogy az a dinamóelméletből következne. Az előttünk álló évtizedekben várható napaktivitás szintjére vonatkozóan tehát még nem tudunk becslést előállítani, de azt már láthatjuk, milyen fontos a naptevékenység minden jellemzőjét nagyon részletesen és pontosan mérni, hogy a lehető leghosszabb távon megbízható adatokra alapozhassuk a kutatást. A nemrég folytonossá vált Greenwich–Debrecen adatsor mostantól lehetővé teszi azokat a további vizsgálatokat, amelyek a napfelszín mágneses alakzatainak térbeli, időbeli és orientációs mintázatait, valamint belső dinamikáját célozzák immár másfél évszázados időskálán.