A naptevékenység egyes megnyilvánulásairól a korai történelem szereplőinek is lehettek élményeik, de az első tudományosan is értékelhető észleléseket négyszáz éve készítette Galilei 1612 májusában. Ezek napkorongrajzok, melyeket jelenleg a Vatikánban őriznek; 1613-as rajzai pedig Firenzében vannak. Ezután több mint két évszázadon keresztül szórványos adatrögzítések és rajzsorozatok készültek, melyek hiányosak ugyan, tudományos jelentőségük mégis óriási, mert a napaktivitás hosszú távú vizsgálatához nélkülözhetetlenek. A napfoltok mágneses terét 1908-ben észlelte George Ellery Hale, és a puszta adatrögzítés évszázadai után ez nyitotta meg a naptevékenységi jelenségek elméleti értelmezésének lehetőségét.

A naptevékenység a Nap mágneses terének változásait és eseményeit jelenti. Alapvető folyamata az a váltakozás, amely a globális mágneses tér poloidális (a pólusokat kb. meridionális irányban összekötő erővonalrendszerű) és toroidális (az északi és déli félgömb belsejében gyűrűszerűen körbefutó) topológiájú állapotai között zajlik. A toroidális mágneses fluxusköteg egyes részei kiemelkednek a felszínre, itt hozzák létre nagy fluxussűrűségű részeik a napfoltokat és foltcsoportokat, általánosabb nevükön az aktív vidékeket, kisebb fluxussűrűségű halmazaik pedig a fáklyákat. Felszín fölé emelkedő íveik a külső atmoszféraréteg, a korona fűtésének fontos szereplői, a bennük kialakuló instabil állapotok robbanásszerű feloldódásai pedig a napkitörések. Ez utóbbiak az ún. mágneses átkötődés jelensége révén zajlanak le, mely a koronabeli fluxusköteg egy részét elszakíthatja a mágneses hurokrendszertől, és a szabaddá váló mágnesezett plazmafelhő, angol nevén Coronal Mass Ejection (CME) hatalmasra fúvódva több milliárd tonnányi anyaggal dobódik ki a bolygóközi térbe.

Ezeket a jelenségeket egyre nagyobb felbontású műszerek követik. A jelenlegi legambiciózusabb műszerfejlesztések, az amerikai ATST és az európai EST néhány másodperces időfelbontást és a napfelszínen 100 km alatti térbeli felbontást céloznak. Ez a nagy felbontás a napatmoszféra legfinomabb, leggyorsabban változó részleteinek vizsgálatához kell. Megvalósítása hatalmas technikai apparátust és anyagi hátteret igényel. Összehasonlításul, a hagyományos technikával a földfelszínről észlelhető legkisebb alakzatok, a fotoszferikus granulumok 1000–1200 km méretűek.

Az EAST- konzorcium (European Association for Solar Telescopes) tagjaként Magyarország részt vehet majd az EST-távcső munkájában. A hazai észlelő napfizika, a debreceni obszervatórium azonban bizonyos területeken saját lehetőségein belül is hozzá tud járulni a felbontás növeléséhez.

Mivel minden nap- és űrfizikai jelenség vizsgálatához speciális műszerezettség szükséges, ezért a nemzetközi munkamegosztásban minden intézménynek megvan a saját módszertani profilja, és a jelenségek komplex vizsgálata többnyire jelentős nemzetközi összefogással történhet. A debreceni obszervatórium eddigi (ötvennégy éves) története során fokozatosan vált a napfoltok részletes pozíció- és területadatainak legfontosabb forrásává. Eközben az észlelések végzésének és kiértékelésének olyan módszertana fejlődött ki, amelynek a legújabb űrfelvételekre alkalmazott változatai is a jelenlegi legrészletesebb adatokat szolgáltatják az adott észlelésekből.

Nagy felbontás rövid távon

A nagy felbontás nyilván nem öncél, egyszerűen azt jelenti, hogy a releváns részletek azonosíthatóvá válnak. Ennek rövid és hosszú távon különbözőek a szempontjai. Rövid időtáv alatt most a foltcsoportok élettartamát értjük. Az a cél, hogy egy-egy aktivitási esemény minden lényeges elemét dokumentáljuk. Mivel a földi észlelések az éjszakák miatt csak napos mintavételt tesznek lehetővé, a jelzett cél csak űrbeli észlelések birtokában teljesíthető. Ezt a lehetőséget nyitotta meg a SOHO-nevű (Solar Orbiting and Heliospheric Observatory) napfizikai űrlaboratórium MDI (Michelson Doppler Interferometer) műszerének közel másfél évtizedre kiterjedő észlelési anyaga.

A SOHO/MDI-műszer oszcillációs mérései mellett mintegy mellékes termékként kontinuum fényben fotoszféraészleléseket és magnetogramokat készített a teljes napkorongról. Az ezekből alkotott közel egyidejű párokból ki lehetett válogatni egy olyan sorozatot, mely 1–1,5 órás egymásutánban követi a napfelszín mágneses alakzatait. Ezen észlelések felbontása még kisebb (1024×1024), mint a földi távcsöveké, de a folyamatos észlelés és főleg a mágneses tér adatai korábban elképzelhetetlen részletességű napfolt-adatsor megalkotását tették lehetővé. A munka első fázisát a debreceni obszervatórium egy ESA-támogatással elvégzett fejlesztés révén valósította meg.

A munka teljes elvégzése nagy számítási és adattárolási kapacitások mellett jelentős élőmunka-ráfordítást is igényelt. Ehhez nyújtott támogatást az az európai FP7-es projekt, melyet a Napfizikai Obszervatórium kezdeményezett és szervezett, és tizenhat európai kutatóintézet részvételével 2008 és 2011 között zajlott SOTERIA-néven (SOlar-TERrestrial Investigations and Archives). Az obszervatórium két legfontosabb vállalása egy minden korábbinál részletesebb napfoltkatalógus és a fotoszferikus fáklyák első katalógusának elkészítése volt az MDI-műszer működése – az 1996–2010-es évek időszakára. Az eredmény az SDD nevű (SOHO/MDI-Debrecen sunspot Data) adatbázis (Győri et al., 2011). Elkészítéséhez mintegy ötvenezer észleléspárt kellett összeválogatni, az erre a célra kifejlesztett kiértékelő szofvereket lefuttatni, az eredményeket ellenőrizni, és a foltcsoportokat azonosítani.

Az eredmény egy kb. 1 Tbyte terjedelmű katalógus numerikus táblázatokkal, napkorongképekkel, mintegy 350 ezer aktív vidék képével, amelyek azonosított foltokat tartalmaznak, könnyen kezelhető html-böngészővel és MySQL keresővel.

Az SDD másfél órai időközönként tartalmazza minden foltcsoport és folt umbrájának és penumrájának pozíció-, terület- és átlagos mágneses tér adatait, így jelenleg ez a legnagyobb tér- és időbeli felbontású napfoltadatbázis. Az anyag jelentősége, hogy először teszi lehetővé, hogy nagy statisztikai anyagon tanulmányozzuk az aktív vidékek fejlődésének, belső szerkezetének, átrendeződéseinek, morfológiájának, aszimmetriáinak, növekedésének és lecsengésének részleteit. E sajátságok a mágneses fluxuskötegek felbukkanásáról és a környező sebességterekkel való kölcsönhatásukról szolgáltatnak információkat, ezek a szoláris dinamó legkisebb léptékű részletei.

A SOTERIA jelentős siker volt, a tizenhat intézet egy sor hasonlóan újfajta adatbázist készített, és több mint 130 közleményt publikált. A résztvevők egy része ezután új pályázatot készített, az EC ennek is támogatást ítélt, és 2012 márciusában eHEROES-néven (Environment for Human Exploration and RObotic Experimentation in Space) elindulhatott az új projekt, mely a következő években meghatározza kutatásainkat. Ennek célkitűzései részben különböznek a SOTERIA profiljától, elsősorban űrbéli tevékenységek várható körülményeit kell megbecsülni, előrejelezni. A SOTERIA-konzorcium tagjainak többsége ebben is részt vesz, és többnyire épp az előző projektben elért eredményekre építve. A debreceni hozzájárulás egy újfajta napkitörés-előrejelzési módszer kifejlesztésére és tesztelésére, valamint az aktív heliografikus hosszúságok kutatására irányul, mindkét új kutatás kezdeti eredményei biztatók.

A napkitörések vagy flerek okai olyan mágneses konfigurációk, amelyekben egymás mellett jelentős fluxussűrűségű és ellentétes irányú mágneses terek vannak. Ezek instabil alakzatok, stabilabb állapothoz vezető átrendeződésük erővonal-átkötődések, rekonnekciók révén valósul meg. Arra vonatkozóan korábban számos vizsgálat történt, hogy a flerek valóban ilyen helyeken lépnek fel, a mi célunk azonban a fler előtti események dinamikájának vizsgálata, mert ennek ismeretében lehet megbecsülni a fler valószínűségét. Az ellentétes polaritású foltok közötti mágneses tér

horizontális irányú megváltozásának mértéke az átkötődés valószínűségének fontos jellemzője, ennek az időbeli viselkedését követjük abban a térrészben, amelyben ez az ún. gradiens érték a legerősebb a foltcsoporton belül. Az 1. ábrán a NOAA 10486 számú foltcsoport képe látható a 2003. október 28-i híres Halloween-fler előtt fél órával. A három panelről leolvasható az SDD adatainak részletessége és teljessége.

A bal oldali panel a foltcsoport képét mutatja, a jobb oldali a mágneses terét (magnetogramját, a fehér/fekete színek a mágneses pozitív/negatív polaritású területeket jelzik), a középső panel pedig a foltcsoport rekonstruált képe az SDD-katalógus adatai alapján. Látható, hogy a katalógus minden folt pozíció-, terület- és mágneses tér adatát tartalmazza. A többi létező napfoltkatalógus erre a foltcsoportra és ennek a napnak egyetlen időpontjára három független adatot ad meg, az SDD közel tízezret. Ez a felbontás teszi lehetővé, hogy gyors belső változások követhetők legyenek.

Ez a részletesség a foltcsoportfejlődés egyéb vonatkozásainak vizsgálatai számára is új lehetőségeket nyitott. A 2. ábra a NOAA 10988 számú foltcsoport fejlődését mutatja, a vezető és követő polaritású részek területváltozásának követésével. Jól látható a két rész különböző súlya, hasonló fejlődési görbéjük, fáziseltolódásuk és különböző méretük. A felbukkanást és az eltűnést különböző fizikai folyamatok irányítják, ezek vizsgálata most nagy statisztikai anyagon vált lehetővé.

A további előrelépés a legújabb napfizikai észlelő műhold, az SDO (Solar Dynamics Observatory) észleléseivel lehetséges, melyek képmérete 4000x4000 pixel. Az észlelések időbeli egymásutánja egy percnél rövidebb. Már készül nálunk az a fejlesztés, mely az egyes foltokat egyenként képes követni. Ez még nagyobb számítógépes kapacitást igényel, de az aktív vidékek belső dinamikájának újabb sajátságairól ígér részleteket.

Nagy felbontás hosszú távon

A foltcsoportok élettartamánál jóval hosszabb távnak, a napciklusoknak és azok egymásutánjának vizsgálata ugyancsak megkívánja a nagy felbontást, ami a hosszabb karakterisztikus idő miatt napi egyszeri mintavételt jelent, de minden foltról és foltcsoportról. Ez a kívánalom azonban egyelőre messze nem teljesül. Az egyetlen ilyen részletességű anyag a Debrecen Photoheliographic Data (DPD, 1977–2012), a Greenwich Photoheliographic Results (GPR, 1874–1976) napfoltkatalógus folytatása. Ezt a GPR sem teljesíti, mert csak a foltcsoportok adatait tartalmazza. A jelenlegi leghosszabb adatsor a Nemzetközi Napfoltszám (International Sunspot Number – ISN, az ún. Wolf-szám utóda), de ez naponta egyetlen adatot jelent az egész napkorongról 1818-tól, tehát térbeli felbontása nincs, 1749-től havonta, 1700-tól évente, még korábbról pedig csak sporadikus adatok vannak.

A részletesebb adatok igénye újabban erősödik. A 17. század első felében Galilei és követőinek észlelései viszonylag magas szintű naptevékenységet rögzítettek, ami a 17. század második felében kb. egy fél évszázadra szinte teljesen eltűnt, majd újraindult. Ez volt az ún. Maunder-minimum időszaka. A mostani gyengén és késve induló 24. napciklus felveti azt a kérdést, hogy nem lehetséges-e a közeli jövőben egy hasonló elhúzódó minimum. Ennek messzeható következményei lennének a földi környezetre is. Egy több évtizedes váltakozást nemrég sikerült azonosítanunk a greenwich-i és debreceni katalógusadatok alapján. A 3. ábrán két diagram különböző adatsorok és két különböző módszer alapján arról tanúskodik, hogy négy ciklusban az északi félgömb ciklusának fejlődése megelőzi a déliét, a következő négyben pedig a déli félgömb ciklusának fejlődése halad időben elöl. Ez a szoláris dinamó működésének eddig nem tárgyalt sajátságára utalhat, ha hosszabb távon is fennmarad, ezért jó lenne ellenőrizni még korábbi ciklusokon is, de az ebből a szempontból igen érdekes ún. Dalton-minimumról, a 19. század első feléről nincs használható adatsor.

3. ábra • Félgömbi ciklusok fáziskülönbségei

két különböző módszerrel és adatsorból, pozitív értékeknél a déli félgömbi ciklus tart előre (Muraközy – Ludmány, 2011)

A távolabbi feladat tehát az, hogy amilyen hosszan lehetséges, gyűjtsük össze az egyáltalán létező historikus észleléseket, és próbáljuk rekonstruálni a korábbi ciklusok részleteit is. Ez hatalmas munkának ígérkezik, de a szakmában egyre erősödő egyetértés van arról, hogy el kell végezni. A debreceni obszervatórium ebben is szeretne kulcsszerepet játszani, ezért e cikk írásának időpontjában folytatjuk egy további európai FP7-es projekt szervezését, amely azokat az intézeteket gyűjtené konzorciumba, melyek hozzánk hasonlóan érdekeltek valamilyen naptevékenységi jelenség hosszú távú dokumentálásában. Minden hosszú idősor közös gondja, hogy inhomogén, több forrásból származik, folyamatosan változó körülmények és módszerek befolyásolják. Rendszeresen végezzük a debreceni adatok keresztkalibrálását más obszervatóriumokéval (Baranyi et al., 2001), de most arra készülünk, hogy megkezdjük a historikus észlelésektől az SDO-észlelésekig terjedő, anyagi lehetőségek szerinti homogén adatsorrá formálását, melyhez külföldi partnerek is társulnak. Ennek első lépései már meg is történtek Debrecenben Fényi Gyula és Konkoly Thege Miklós jelentős grafikus észlelési anyagainak digitalizálásával. Ha a tervezett anyag a nem túl távoli jövőben létrejön, akkor a szoláris dinamó kutatásának nélkülözhetetlen empirikus alapja lehet.
 

A fenti kutatásokhoz szükséges támogatást az elmúlt években az ESA PECS 98081 számú projekt, valamint a SOTERIA (218816) és eHEROES (284461) FP7-es projektek biztosították.
 

Kulcsszavak: napfizika, napfoltadatbázisok, naptevékenység változása
 

IRODALOM

Baranyi Tünde – Győri L. – Ludmány A. – Coffey, H. E. (2001): Comparison of Sunspot Area Data Bases. Monthly Notices of R. A. S. 323, 1, 223–230. DOI: 10.1046/j.1365-8711.2001.04195.x

Győri Lajos – Baranyi T. – Ludmány A. (2011): Photospheric Data Programs at the Debrecen Observatory. Proceedings of the IAU Symposium. 273, 403–407. • WEBCÍM >

Muraközy Judit – Ludmány András (2011): Phase-lags of Solar Hemispheric Cycles. Monthly Notices of R. A. S. 419, 3624–3630. DOI: 10.1111/j.1365-2966.2011. 20011.x

Muraközy Judit – Ludmány András (2012): Development and Morphology of Leading-following Parts of Sunspot Groups. Central European Astrophysical Bulletin. in press.