Burokban születtünk – Az űridőjárás alapjai

A Föld mágneses plazmakörnyezete

A változó mágneses tér

A földi mágneses tér sem térben, sem időben nem állandó. Míg a lassú időbeli változások, így a pólusfordulások a Föld mélyén zajló folyamatokból erednek, a napi és annál gyorsabb periódusú ingadozásokat az ionoszférában és a magnetoszférában végbemenő változások okozzák. Ezek közül a legismertebbek a mágneses viharok, amelyeket a Napból a nagy sebességű napszéllel érkező mágnesezett plazma és a magnetoszféra közötti kölcsönhatás indít be. A felszínen érzékelhető geomágneses vihart a magnetoszféra felületén (kezdő fázis), majd a Föld körül az egyenlítői síkban mintegy 10 000 kilométer magasságban folyó áram, az ún. gyűrűáram (főfázis) kelti. A mágneses tér napi szabályos változását a légkör napsugárzástól ionizált és felfűtött részében, az ionoszférában mintegy 100 kilométer magasságban folyó áramok okozzák. Az Egyenlítő táján, illetve a sarkvidéken ezekhez további, az ionoszférában folyó intenzív áramok, az ún. elektrodzsetek keltette mágnesestér-járulékok társulnak. A napi ingadozás közepes szélességeken, így Magyarországon a teljes térnek (kb. 48 000 nT) mindössze néhány ezreléke, de a legnagyobb mágneses viharok idején is mindössze néhány százaléka. A mai magnetométerekkel észlelhető legkisebb és leggyorsabb oszcillációk a magnetoszféra különféle hullámjelenségeihez köthetők.

Földi obszervatóriumok és geofizikai műholdak

A mágneses tér térbeli és időbeli változásainak megfigyelése a földmágneses, geofizikai obszervatóriumok feladata. Magyarországon ebből kettő is van, Tihanyban és Nagycenken. Az obszervatóriumokban nagy pontosságú kalibrált mérések folynak. Számuk világszerte mintegy kétszáz. Emellett több százra tehető a csak a gyorsabb változásokat követő, ún. variációs állomások száma. Az obszervatóriumok mellett a mágneses tér kutatásának legfontosabb szereplői a Föld körül keringő műholdak, ezek közül is elsősorban az alacsony földpályán, azaz mindössze 400–800 kilométer magasságban keringő geofizikai műholdak. A legjelentősebb mágneses műholdak a NASA MAGSAT (1979–1980), a dán Ørsted (1999–), a német CHAMP (2000–2010), jelenleg az ESA Swarm műholdtriója (2013–), valamint a kínai (CSES–01) műholdak. A műholdak előnye, hogy globális lefedettséggel szolgáltatnak homogén minőségű adatokat, viszont az adott helyen időben végbemenő változások követésére kevésbé alkalmasak. Ebben a földi állomások ma is nélkülözhetetlenek, és várhatóan azok is maradnak. A mágneses tér modelljének időről időre való frissítéséhez és pontosításához mindkét adatsorra egyformán szükség van.

A plazmaszféra

Az ionoszféra fölött a magnetoszféra anyaga teljesen ionizált állapotban van, azaz töltött részecskék alkotják (többnyire protonok és elektronok, kisebb részben hélium- és oxigénionok). Ezt nevezzük plazmaállapotnak. A Föld mágneses tere ezt a földközeli plazmát mintegy fogva tartja, a plazma a mágneses térhez kötve, azzal együtt forog. Ezt a Földdel együtt forgó plazmát hívjuk plazmaszférának. Külső határa, a plazmapauza a felszíntől néhány földsugárnyira van, mindenkori helyzete a geomágneses aktivitás függvénye. Geomágneses viharok idején összébb húzódik, nyugodt időszakban kiterjed. A plazmaszféra monitorozására hívtuk életre 2012-ben az EMMA magnetométer-hálózatot, amely Finnország északi részétől Olaszország közepéig húzódik. Az EMMA-állomások olyan mágneses erővonalak talppontjainál helyezkednek el, amelyek 0,5–6 földsugárnyira nyúlnak ki a plazmaszférába. Az állomásokon az erővonalak sajátrezgését, rezonáns frekvenciáját megfigyelve az erővonal menti sűrűség nagy pontossággal megbecsülhető belőle. Így folyamatos monitorozható a plazmaszféra a földfelszínről az űreszközökhöz képest kis költséggel. Ezt megvalósítása nemzetközi partnerekkel valósítottuk meg, a monitoringrendszer a világon egyedülálló.

A plazmaszféra földi monitorozását egészíti ki az alacsony földpályán keringő geofizikai műholdak (CHAMP, Swarm) méréseire alapozott plazmapauza-észlelő rendszer. Az ezt a célt szolgáló, a mágneses erővonalak menti áramok eloszlásának vizsgálatán alapuló új technikát az elmúlt évtizedben dolgoztuk ki. Magyar–német fejlesztésként 2020-ra beépül a nyilvánosan hozzáférhető ESA-adattermékek rendszerébe mint az űridőjárás megfigyelésének egy fontos eleme.

ULF hullámok a felső ionoszférában

A magnetoszférabeli hullámok közül a legrégebb óta ismertek a Föld felszínén is észlelhető ún. geomágneses pulzációk, vagy más néven ULF hullámok. Felszíni amplitúdójuk ritkán haladja meg a néhány nT-t, periódusidejük a másodperces–perces tartományban van. A pulzációkat jellemző periódusuk és jelalakjuk alapján osztályozzák. A Magyarországról leggyakrabban megfigyelhető, ún. Pc3-as pulzációk viszonylag szabályos oszcillációk 10–45 másodperc közötti periódusidővel. Idetartoznak a geomágneses erővonalak már említett sajátrezgései, a geomágneses erővonal-rezonanciák. Ezeket a magnetoszféra orránál, azaz a Nap felőli oldalon keletkező és onnan a Föld felé terjedő kompressziós (nyomásingadozással járó) hullámok keltik. Ezeket keletkezésük okán upstream hullámoknak nevezi a szakirodalom. Az upstream hullámok is észlelhetők a felszínen, frekvenciájukból a napszél mágneses terének erősségére, amplitúdójukból a napszél sebességére lehet következtetni, azaz szintén felhasználhatók űrkutatási célra. Komoly meglepetést okozott, amikor ezeket a hullámokat 2007-ben az egyenlítői ionoszférában keringő CHAMP műhold adataiban is kimutattuk. A megfigyelések hatására felülvizsgálták az elméleti modellek alapján a magnetoszféra-beli hullámterjedésről és az ionoszférával való kölcsönhatásról korábban alkotott képet.

Hazai kutatástörténet

Német kezdeményezésre (a mannheimi székhelyű Societas Meteorologica Palatina) már a 18. században szerveztek nemzetközi mérőhálózatot geomágneses észlelések összehangolására. A megfigyelések akkor a deklináció napi háromszori leolvasására szorítkoztak. A mai értelemben vett mágneses obszervatóriumok története az 1830-as évekre nyúlik vissza (Gauss–Weber-féle Magnetischer Verein). Az első magyarországi mágneses obszervatórium a nagyszombati csillagdában létesült, amely azonban az egyetemmel együtt még a 18. században Budára költözött. Több budai helyszín után végül Konkoly-Thege Miklós Ógyallán (Hurbanovo), saját birtokán építette fel az akkor hosszú távon fenntarthatónak tűnő magyar obszervatóriumot. A szakmai ítélet helyes volt, az obszervatórium ma is működik, azonban Trianon óta már Szlovákiában. Átmeneti megoldások után a ma is működő hazai mágneses obszervatórium alapkövét Tihanyban tették le 1954-ben. A nemzetközi geofizikai év (1957) alkalmából az MTA Nagycenken létesített geofizikai obszervatóriumot, melynek geomágneses adatsora 1961-ben indult.

A geomágneses pulzációk vizsgálata hazánkban az 1960-as években, a soproni csoport, különösen Verő József munkásságával vette kezdetét. Első széles nemzetközi érdeklődést keltő eredménye a szovjet kutatók által az upstream hullámok és a napszél között feltárt összefüggések első független megerősítése volt 1978-ban, bár ezek után még évtizedekig elhúzódott a vita arról, hogy a Pc3-as pulzációk napszéleredetűek-e, vagy az erővonal-rezonanciák megnyilvánulásai. Verő és szerzőtársai az 1990-es évekre igazolták, hogy mindkettő egyszerre igaz: az eltérő térbeli tulajdonságokkal bíró upstream hullámok és az erővonal-rezonanciák váltakozva, olykor gyors egymásutánban jelentkeznek az idősorokban, s utóbbiakat az előbbiek keltik. Az 1990-es évek második felétől a pulzációkutatás mindinkább intézetünkben, az egykori Magyar Állami Eötvös Loránd Geofizikai Intézetben (ELGI; később: Magyar Földtani és Geofizikai Intézet [MFGI]; ma: Magyar Bányászati és Földtani Szolgálat [MBFSZ]) folytatódott, nagymértékben építve a soproni, különösen a Verő által elért eredményekre.

Heilig Balázs