1 | 2 | 3 | 4

A napszél és a geomágneses tér közötti energiacsatolás változása a geomágneses és pulzációs aktivitás alapján

A Föld környezetének obszervatóriumi megfigyelése és az ureszközökön végzett mérések az elmúlt években számos összefüggést tártak fel a naptevékenység és a Föld körüli plazma állapotának rövid és hosszú periódusú változása között. A rövid periódusú változások és hatásai az uridojárás, a hosszú periódusú változások az urklíma fogalmába tartoznak. A napszél-magnetoszféra energiacsatolás mechanizmusának, a magnetoszféra szerkezetének és folyamatainak megismerésében nemzetközileg is kiemelt szerepe van az MTA Széchenyi István Geofizikai Obszervatórium széles spektrumú elektromágneses méréseinek. A számos tekintetben egyedülálló (négy napciklust átfogó) ULF, VLF, ELF adatok lehetoséget adnak a Nap-Föld energiacsatolás hosszú periódusú változásainak vizsgálatára is.
Közvetlen napmegfigyelésekbol tudjuk, hogy a naptevékenységnek van egy jól meghatározott, átlagosan 11 éves periódusa. Ez a periódus jellemzo a geomágneses tér és ezzel együtt a Föld plazmakörnyezete háborgatottságára is, de a geomágneses aktivitás szélsoértékei más források, valamint az energiacsatolás feltételeinek változása miatt jelentosen eltérhetnek a naptevékenység alapján várhatótól. A geomágneses indexek a geomágneses aktivitás többlépcsos növekedését jelzik az utolsó száz évben. Ezen belül is kiemelten aktív idoszaknak bizonyult a jelenlegi napciklusban az elmúlt három-négy év. Történeti adatokból tudjuk, hogy a naptevékenység, és vele együtt a geomágneses aktivitás, nemcsak a napcikluson belül, hanem hosszabb idotávon vizsgálva is jelentosen változott.
A geomágneses tér változásait aktivitási indexekkel jellemezzük. Az aktivitási indexek közül több napciklusra visszamenoleg rendelkezésünkre áll az aa index (1968 óta számítják), a legismertebb K indexet pedig Bartels 1939-ben vezette be.
A geomágneses aktivitás több jellegzetességére derült fény a folytonosan, hosszú idon át meghatározott indexek spektrális és statisztikai analízise során. A napszél és a magnetoszféra kölcsönhatását jellemzo geomágneses aktivitás követi a napciklust, de befolyásolja a Föld Nap körüli pályája és a Nap tengely körüli forgása is. A jól ismert, koronalyukak visszatérésébol adódó 27 napos periódus mellett egy 13.5 napos periódus is megfigyelheto. Az éves periódus a Föld pályájának a Nap forgástengelyéhez viszonyított szögeltérésébol adódik. A geomágneses aktivitás 11 éves periódusa a naptevékenységi ciklussal korrelál, de az aktivitásban 3 csúcs jelenik meg. Ezek közül a legnagyobb mindig a naptevékenység maximumot követo 2-3. évben van.
Az Obszervatórium a szokásos geomágneses obszervatóriumi szolgáltatás mellett egy egyedi, a folyamatos tellurikus regisztrátumokból meghatározott ún. T indexet is eloállít. A geoelektromos, vagy más néven tellurikus tér a Faraday féle indukciós törvény révén jön létre (rot E = - dB/dt), ezért a T index a geomágneses indexekhez képest inkább a nagyobb frekvenciás változásokat írja le. Itt a nagyobb frekvencia alatt a pulzációkat kell érteni.
A földi áramok nagy idobeli felbontású mérése 1957-ben kezdodött az obszervatóriumban. A regisztrátumokból folyamatosan számított paraméterek az órás átlagamplitúdók a 0-2, 2-6, 6-12, 12-24, 24-60 perces periódustartományban és az aktivitás erosségét jellemzo T index. A T indexet egy 0-tól 9-ig terjedo skálán 3 órás intervallumokban a legnagyobb és legkisebb elektromos térerosség különbsége alapján számítjuk. A skála lineáris, a lépésköz 1.8 mV/km. A T index értékeit 1957-tol egészen a ‘90-es évek elejéig analóg regisztrátum alapján határozták meg (a regisztálás sebessége 25 mm/óra).

A háromórás intervallum megfelelo idobeli felbontást biztosít a geomágneses jelenségek teljes körének vizsgálatához.
Mint minden aktivitási mérték, a T-idex is sok szempontból hasznos, ugyanakkor a felhasználhatósága korlátokba ütközik. Az aktivitási szint nagymértékben függ a helyi idotol, a geomágneses szélességtol és persze az elektromos eroteret a geológiai struktúrák is erosen befolyásolják (a fajlagos vezetoképesség eloszlása). Ebbol a szempontból az obszervatórium fekvése nagyon elonyös. Korábban végzett magnetotellurikus (MT) mérések azt mutatják, hogy az obszervatórium területén a kristályos aljzatot 1500 m vastag jól vezeto üledék fedi. Ennek fontos következménye, hogy a 8 percnél rövidebb periódusú tartomány az ún. „S” intervallumban fekszik, azaz az MT szondázási görbének a kis ellenállású üledéket jelzo részére esik, ahol az elektromos és a mágneses tr közötti fázistolás 0 közeli, a bemeneti impedancia pedig állandónak tekintheto. A Maxwell-egyenletekbol következoen, az obszervatórium alatti geológiai struktúrák miatt, a mágneses és elektromos változások nagysága (nT-ban, illetve mV/km-ben kifejezve) a napi járásnak megfelelo periódustartományban számértékileg megegyezik, míg a szubviharok periódustartományában az elektromos tér változása a mágneses tér változásának 2-5-szöröse, a pulzációk tartományában ez az arány akár 100-szoros is lehet. A regionális hatások gyenge anizotrópiát okoznak. A mágneses és elektromos térkomponenseket összekapcsoló átviteli függvényt idorol idore meghatározzuk, hogy az obszervatóriumi mérések skálaértékeit ellenorizhessük. Mindent összevetve a T indexet a geomágneses indukció reprezentatív jelzoszámának tekinthetjük. A fellépo zajokat illetoen, a vastag jólvezeto üledék megfelelo védettséget biztosít a mesterséges zavarokkal szemben. A mesterséges eredetu ULF zavarok vizsgálatából nyilvánvalóvá vált, hogy a zaj amplitúdója nagyságrenddel alacsonyabb, mint a szignifikáns természetes eredetu jeleké, de hosszú idosorok spektrumában már torzulást okozhat.
A geoelektromos térre vonatkozó folyamatos adatsor nagyon kevés van a világon. Egyrészt azért, mert az elektromágneses térben az elektromos tér sokkal érzékenyebb a mesterséges zavarokra mint a mágneses tér, másrészt az obszervatórium alatti geológia is alkalmas kell, hogy legyen. Ebbol következoen a tellurikus tér sajátosságait, hosszú távú változását kevéssé ismerjük, holott nagyon fontos lenne számos uridojáráshoz kapcsolódó területen, különösen a geomágneses indukciós kockázat felmérésében.

4. ábra. A T index napi összege 1962-2003.

A T index napi összegét mutatja a 4. ábra 1962 és 2004 közötti idoszakra. A T index adatsorán közvetlenül nehezen azonosítható a 11 éves periódus. Az 5. ábrán látható az alulátereszto szuron átbocsátott (periódus>1 év) napfoltszám adat és T index adatsor. Különösen magas geoelektromos aktivitási csúcsok jelennek meg a szoláris ciklus leszálló ágában, illetve naptevékenységi minimum alatt is. (A két ábra ugyanarra az idointervallumra vonatkozik, csak az 5. ábrán a dátum helyett az 1962. január 1. óta eltelt napok száma szerepel 2003. november 30-ig.) Az 6. ábrán a napi T index és a napfoltterület közötti kereszt-korrelációs függvény látható. A korreláció végig viszonylag ala-csony, 0.1 körüli, de figyelembe véve az adatmennyiséget (14610) és a görbe menetét, a számított korreláció szignifikáns. Természe-tesen, ha bizonyos idotartamú átlagértékekkel számoltunk volna magasabb korrelációs értéket kapunk.

5. ábra. 1 éves aluláteresztõ szûrõvel transzformált napfoltszám és T index adatsor

6. ábra. Keresztkorrelációs függvény a napfoltterület és a T index között

A keresztkorrelációs függvényre vonatkozó fobb észrevételek:

az 6. ábra „0” pontjához tartozó nagyon keskeny csúcs bizonyos egyideju változásokat indikál, melyek valószínuleg a flare-ek fokozott ionizáló hatásának tudható be. Ez a hatás fénysebességgel (~8 perc alatt) éri el a Földet (sfe-k nincsenek eliminálva a T index számításánál).
A 11 éves periódus megjelenik a naptevékenységnek megfeleloen.
A T értékeinek relatív késése kb. 3 év. Ez annak az eredménye, hogy a napciklus lecsengo fázisában a gyors napszél nyalábok szerepe megno és a még viszonylag magas naptevékenységgel együtt eredményezik a fönti maximumot.

7. ábra. 1 éves aluláteresztõ szûrõvel transzformált T és Kp index adatsor

A keresztkorrelációs függvény lapos maximuma a naptevékenységi maximum után 1 évvel kezdodik és rá 3 évvel végzodik, szignifikánsan minden ciklusban.
Bár részletekben van eltérés, a 7. ábrán jól látható az alulátereszto szurovel simított napi összesített T index és a hasonlóan szurt Kp geomágneses aktivitási index együttfutása.

8. ábra. A T és Kp indexek összefüggése

Az eltérések magyarázata részben az, hogy a geomágneses aktivitás és a T index kapcsolata nem lineáris. A két index kapcsolatát a 8. ábrán láthatjuk. Az illesztett polinom meredeksége növekvo Kp mellett no egészen a legmagasabb napi Kp értékig, ahol a maximális T indexek (9) gyakoribbak, így ezen a szakaszon a görbe meredeksége kisebb. A mért napi T összeg és a Kp-bol számított polinomiális közelítés kapcsolata a várakozásnak megfeleloen lineáris. A mért és a számított T közötti különbséget a 9. ábrán tanulmányozhatjuk. Jól kiveheto egy hosszúperiódusú változás az ábrázolt különbségben.

9. ábra. A T-T*(Kp) adatsor

További vizsgálatok tárgyát fogják képezni a megjeleno negatív és pozitív csúcsok. Valószínu azonban, hogy ezek oka a nagy amplitúdójú pulzációk elofordulására vezetheto vissza, így a pozitív csúcsok általában nyáron jelennek meg, nagy pulzációs aktivitás idején, míg a negatív csúcsok intenzív naptevékenység idején eloforduló téli hónapokra esnek, mikor a pulzációs aktivitás téli anomáliája miatt ezek amplitúdója alacsony.
Ezt a feltételezést támasztja alá a 10. ábrán látható teljesítmény-spektrum, ahol a legszignifi-kánsabb komponens a féléves periódusú.

10. ábra. A T-T*(Kp) teljesítménysûrûség spektruma

Valójában mind a téli anomália, mind a nyári maximum rövidebb hat hónapnál, ezért a spektrum csak részben adja vissza a pulzációk hatását a T indexre.
A mért T napi összegének spektrumában (11. ábra) a szoláris ciklushoz kapcsolható 11 éves periódus szignifikánsan jelenik meg. Az 1 és 11 év közötti periódustartományban sok csúcs különítheto el, ezt részben a napciklus aszimmetriája okozza. A teljes tartományban a féléves „geo-elektromágneses” periódus a domináns, de megjelenik az éves periódushoz tartozó csúcs is. A nagyobb frekvenciájú csúcsok következo csoportja a Nap 27 napos forgási periódusához kötodik, annak második és har-madik felharmonikusával, ezen-kívül megjelenik a Hold hatásának

11. ábra. A T index teljesítménysûrûség spektruma

28 napos periódusa. A 27 napos periódus második felharmonikusa a legerosebb, illetve a harmadik harmonikus is erosebb az alapharmonikusnál.
A Carrington-rotáció 27 napos forgásának megfelelo csúszóátlagolással készült a 12. ábrán bemutatott T-adatsor, a 13. ábrán pedig a napfoltterület és a napi T összeg értékeit látjuk a Carrington rotáció periódusa szerint tördelve.

12. ábra. A T index adatsor 27 napos mozgóátlagolással

13. ábra. A napfolt terület és a T index 27 napos ciklusa

Jól elkülöníthetok a geomágneses aktivitás fobb forrásai: a vízszintes struktúrák napkitöréseket, a függolegesek pedig az ún. koronalyukakat (nyitott erovonalak mentén kiáramló nagysebességu plazmanyalábokat) jeleznek. Ezenkívül az is látszik, hogy a napszél és a Föld mágneses tere közötti energiacsatolás révén a Föld környezetébe jutó energia a vártnál lényegesen kisebb mértékben változik a napciklus során. Ez azonban nem zárja ki azt, hogy a naptevékenységben megfigyelt hosszú periódusú (néhány 100 éves változások) – mint pl. a Maunder-minimum – ne okozhatnának akár globális mértéku változásokat is a Föld energiaháztartásában. Érdekes egybeesés az is hogy a geomágneses aktivitásnak az elmúlt 100, de különösen az elmúlt 40 évben tapasztalt erosödése a Föld globális homérsékletének növekedésével jár együtt. Ez a statisztikai vizsgálat megerosítette azt, hogy azok az ismert periódusok, amelyek a 11 éves napciklussal, illetve Föld forgásával kapcsolatosak, jelen vannak, de az aktivitásnak a vizsgált idoszakon belüli változása sokkal bonyolultabb annál, mint azt a hagyományos egyszeru modell alapján magyarázhatnánk.