IX. szemeszter, 2. előadás – 2006. szeptember 25.

PETROVAY KRISTÓF
A NAP KAPUJÁBAN

A Világmindenség sugárzó - tehát számunkra közvetlenül megfigyelhető - anyagának legnagyobb része csillagok formáját ölti. E csillagok túlnyomó többsége a legjobb teleszkópokban is csak halovány fénypont. Óriási szerencsénk, hogy akad egy csillag, amelyet szinte karnyújtásnyi közelségből tanulmányozhatunk: a Nap. A Napon részletesen megfigyelhetünk olyan folyamatokat, amelyek jóval távolibb égitesteken is lezajlanak. A Nap tehát kaput nyit az emberi szellem számára, egyfelől az Univerzum távoli tájai és más korszakai felé, másfelől a világot irányító és a Földön is hasznosítható fizikai elvek jobb megismerése irányába. Az előadás célja, hogy bemutassa a Napot - és egyben a látható Univerzum zömét - alkotó mágnesezett plazma viselkedésformáinak óriási változatosságát.

I. A NAP MINT AZ ÉGI VILÁG KAPUJA AZ ÓKORBAN ÉS KÖZÉPKORBAN

A Nap az égi világ kapuja.
A tudónak kitárul, a tudatlannak bezárul.

Az idézet nem tőlem, vagy más mai napfizikustól származik. A hindu filozófia két és félezer éves alapvetése, az Upanisadok egyik passzusából idéztem. Előadásomban azt szeretném megmutatni, hogy a fenti szavak ma is, számunkra is érvényesek - ha másként értelmezzük is őket, mint a régiek. Mindenekelőtt azonban idézzük fel röviden, mit jelentettek az ókoriak számára.

A csillagászok szívesen büszkélkednek vele, hogy a csillagászat a legrégibb egzakt, azaz matematikai formába öntött természettudomány. Ez nem csak annak tulajdonítható, hogy az emberi szellemet kezdettől vonzották az olyan alapkérdések, mint a világ szerkezete és keletkezése. Még inkább arról van szó, hogy a minket körülvevő földi világban látszatra az esetlegesség uralkodik, míg a csillagos égre tekintve rögtön egyszerű, szabályos matematikai formákat - pontokat, köröket - látunk, melyek világában állandóság és rend uralkodik. E rend vezetett először arra a felismerésre, hogy a természetet, legalábbis odafent az égben, matematikai jellegű törvények irányítják.

Az ókorban még úgy tűnt, hogy e törvények hatálya nem terjed ki az alsó, földi világra, sőt még az alakját folytonosan változtató Hold sem a változatlan égi birodalom része. Ezen égi világ alsó határa, kapuja tehát a Nap - a legősibb földközpontú elképzelés szerint a Holdnál eggyel távolabbi égitest. Ebben az időben Indián kívül is széltében elterjedt volt a lélekvándorlásba vetett hit, például a pitagoreusok körében, s úgy képzelték, hogy a halál után a lelkek a Holdba jutnak, s onnét szállnak alá újra, hogy testet öltsenek. A lélek akkor törhetett ki az újjászületések köréből, ha a Nap kapuján áthaladt az örökkévaló égi világba, amihez misztikus tudásra volt szükség.

A 17. század tudományos forradalma szétzúzta az égi és földi világ ilyetén elkülönülésébe vetett hitet, megmutatva, hogy a földi jelenségek látszólagos esetlegessége mögött ugyanazon fizikai törvények húzódnak meg, amelyek az égi mozgásokat is irányítják. A legenda szerint Newton fejére pottyant alma, vagy a Galilei által a ferde toronyból leejtett golyók esését ugyanaz a gravitáció mozgatja, amely a bolygómozgás Kepler-féle törvényeit is magyarázza. Az örök, változatlan, szabályos égi és az esetleges földi világ kettőssége helyébe így egy másik kettősség lépett: az örök és általános érvényű fizikai törvények és az általuk vezérelt, örökös változásban, fejlődésben levő Világegyetem kettőssége. Ebben a változó, fejlődő Világegyetemben a Nap objektív értelemben nincs többé kitüntetett helyzetben, s maga is változásoknak van kitéve. Született, fejlődik, egy napon pedig majd elpusztul.

II. A NAP MINT A LEGKÖZELEBBI CSILLAG: KAPU A CSILLAGOK VILÁGÁRA

Tekintsük most át, amit a Nap életéről tudunk! Napunk születésekor a Világegyetem már nem volt fiatal. Kilencmilliárd év telt el az Ősrobbanás óta. Régen lezárult a galaxisok kialakulási folyamata, melynek során az Univerzumot kitöltő gáz összecsomósodott és a csomók anyaga jórészt csillagokba tömörült tovább. Ezt követően a galaxisok nagyobb rendszerekbe, halmazokba rendeződtek, ami heves mozgásokkal, a galaxisok gyakori ütközésével, kölcsönhatásával járt együtt. Az ennek folytán a galaxisok magjába behulló anyag óriási, millió-százmillió naptömegnyi fekete lyukakat hozott létre, melyek körül a további anyagbehullás látványos, viharos jelenségeket idézett elő. A kölcsönhatások során egyes galaxisok anyagot vesztettek vagy teljesen el is tűntek, míg mások kisebb társaik elfogyasztásával óriási méretűvé híztak. Ez az időszak, az ún. kvazárkorszak már hosszabban eltartott, de a Nap születésekor már ez a folyamat is mintegy hárommilliárd éve lezajlott. Az azóta eltelt időben a galaxisok kölcsönhatásai annyira megritkultak, hogy többségük nyugodt, szabályos szerkezetet vett fel. Akik figyelemmel kísérték a Mindentudás Egyetemének korábbi programját, azok bizonyára emlékeznek Patkós András izgalmas előadására az Univerzum kialakulásának folyamatáról.

Egy meglehetősen átlagos galaxis-szuperhalmaz peremvidékén, egy meglehetősen átlagos óriás spirálgalaxis korongjának egy semmivel sem kitüntetett pontján, kilencmilliárd évvel az Ősrobbanás után fellángolt egy szupernóva. Ez a robbanás, amely egy csillag életének végét jelezte, nagymennyiségű nehézelemet szórt szét a környező csillagközi térbe. A kidobott anyag hűlése során jórészt porszemekké kondenzálódott, melyek elkeveredtek egy közeli csillagközi gáz- és porfelhő anyagával. A felhő egyes részeiben, talán éppen a szupernóva-robbanás lökésfrontjának torló hatására, a sűrűség olyan magas értékeket ért el, hogy nem tudott többé ellenállni saját gravitációjának, és tömörülni kezdett. Ezzel megindult az a csillagképződési folyamat, melynek során Napunk is kialakult. Mindezt onnét tudjuk, hogy egyes ősi, a Naprendszerrel egyidős meteoritok anyagában olyan radioaktív izotópok bomlástermékeit találtuk meg, melyek csak szupernóva-robbanás útján kerülhettek bolygórendszerünk alapanyagába. Rövid életüknél fogva legfeljebb néhány millió évvel a Naprendszer születése előtt keletkezhettek, vagyis a robbanásnak közvetlenül meg kellett előznie a Nap létrejöttét.

A szülő felhő anyaga gyors, néhány százezer évig tartó tömörülése során addig hevült, míg végül belső nyomása elég magas lett ahhoz, hogy ellenálljon a további gravitációs összehúzódásnak. Az így létrejött ős-Nap már igen fényesen világított, de ez még nem "saját" fénye volt, csak a korábbi gyors összehúzódás keltette hő, melynek többé nem volt utánpótlása. Ezért az ős-Nap lassan halványodott és zsugorodott, míg végre több millió év elteltével magjában kialakultak a feltételek a hidrogénatommagok héliummagokká történő összeállásához, fúziójához. Ez a reakció azután már elég energiát szolgáltatott ahhoz, hogy pótolja a sugárzással elveszített energiát, így a Nap végre állandó állapotba jutott. Ma 4,5 milliárd éve tart ez az állapot, s várhatóan még kb. ugyanennyi ideig folytatódni fog.

A Nap állapota ugyanakkor e 4,5 milliárd év során sem maradt teljesen változatlan. Ahogyan magjában lassan fogy nukleáris tüzelőanyaga, a hidrogén, szerkezete fokozatosan átalakul. A számítások szerint eddigi élete során a Nap fényessége jelentősen nőtt, s évmilliárdokkal ezelőtt csupán a jelenlegi hetven százaléka volt. Ez kissé zavarba ejtő. Ha a Nap fényessége ma ennyire kicsi lenne, a földi óceánok fenékig befagynának. Ez azonban a földtörténeti múltban nem lehetett így, hiszen éppen a folyékony világtengerekben született az élet, legalább három és félmilliárd éve. E látszólagos ellentmondás feloldható, ha figyelembe vesszük, hogy a kőzetmintákba zárt ősi légkörmaradványok és a planetológiai számítások szerint a földi légkör összetétele a régmúltban erősen különbözött a maitól: főként széndioxidból állt. A széndioxid-atmoszféra üvegházhatása - ugyanaz a hatás, melyet ma az utóbbi évtizedek éghajlatváltozásáért felelőssé teszünk - kompenzálhatta egykor a Nap alacsonyabb fényerejét, lehetővé téve a folyékony víz fennmaradását a Földön. Csupán az érdekesség kedvéért tegyük hozzá, hogy ez a vízkészlet bolygónknak nem eredeti tulajdona. Az ős-Föld még száraz világ volt, de a keletkezését követő első néhány tíz- és százmillió évben sok-sok kisebb égitest, meteor, kisbolygó, üstökös csapódott belé, melyek közül sok jégből állt vagy jelentős mennyiségű jeget is tartalmazott. Amikor tehát a tengerben vagy a Balatonban lubickolunk, eszünkbe juthat, hogy üstökösök és törpe jégbolygók olvadékában úszkálunk, melyet a földi őslégkör üvegházhatása tartott az élőlények számára kedvező, folyékony állapotban. Itt utalok Almár Iván korábbi előadására a Mindentudás Egyetemén az élet kialakulásának csillagászati vonatkozásairól.

A Nap tehát az újkori ember számára már nem a változó földi világ fölött álló örök, változatlan égitest. Született, fejlődik, meghal. Szellemi értelemben a Nap mégis kapu maradt számunkra. Egyfelől olyan kapu, amely új, a Földön is hasznosítható fizikai felfedezésekhez vezet. Másfelől pedig kapu a fejlődő, változó, dinamikus Világegyetem sokkalta távolibb csillagaira, melyeken sok tekintetben hasonló folyamatok zajlanak, mint amiket a Napon közvetlen közelről tanulmányozhatunk.

III. A NAP MINT ASZTROFIZIKAI LABORATÓRIUM: KAPU A FÖLD JÖVŐJÉRE 

Lássuk tehát, hogyan is fest egy csillag közelről!

 "Semmi sem egyszerűbb egy csillagnál" - mondotta a múlt század egyik legnagyobb asztrofizikusa, Sir Arthur Eddington. Előadásom meghallgatása után Önök talán úgy fogják találni, hogy ennek a kijelentésnek éppen az ellenkezője igaz. De minden relatív. Eddington arra gondolt, hogy a csillag alapjában véve egy gázgömb, melyet a gravitáció összehúzni, a belső nyomás szétvetni igyekszik. E két erő egyensúlya meghatározza a szerkezetét, legyen szó akár a tőlünk néhány fényévnyire fekvőkről, vagy egy mérhetetlen messzi galaxisban sok milliárd évvel ezelőtt élt csillagokról, melyek fénye most érkezik el hozzánk. Akár a hamburger, amely Buenos Airestől Tokióig ugyanolyan, a csillagok is univerzális öntőformái az anyagnak. Ez ellen persze sok csillagász berzenkedne, hiszen a csillagok épp annyira tekinthetők különbözőeknek, akár az emberek. Nem is tiltakozom ez ellen, de mennyire is különböznek egymástól az emberek? Egy pszichológus számára nagyon - egy anatómus számára viszont már alig. A Nap tüzetes vizsgálatával tehát más csillagok "lelki finomságairól" talán nem, de anatómiájáról annál többet megtudhatunk.

Azt mondottuk, a Nap olyan kapu, amely új fizikai felfedezésekhez vezet. Az asztrofizika hajnalán a Nap színképében mutatták ki először a világmindenség második leggyakoribb kémiai elemét, mely a Napról (görögül Héliosz) a hélium nevet kapta. A közelmúltban pedig a Nap magjából eredő neutrinók észlelése alapján derült fény e részecskék újszerű tulajdonságaira.

A legtöbb új fizikát a Nap mégis a magnetohidrodinamika területén tanítja nekünk. Ez a tudományág a Nap anyagához hasonló, elektromosan vezető közegek áramlástana. A Nap anyaga forró, ionizált gáz, más néven plazma, melyben a magas hőmérséklet miatt az elektronok leszakadtak az atommagokról. A szabad töltések mozgását a mágneses tér irányítja, ugyanakkor a töltések mozgása, mint elektromos áram, maga is mágneses teret kelt. A Nap anyagában a magnetohidrodinamikai folyamatok olyan széles skáláját vizsgálhatjuk, mint egyetlen földi laboratóriumban sem. A plazma viselkedéséről szerzett empirikus ismereteink jelentős hányada a Nap megfigyeléséből ered.

Mindennek egy napon óriási jelentősége lehet az emberiség számára. Korunk égető, súlyos gazdasági válságokat és háborúkat okozó energiagondjaira a végső megoldást a szabályozott hidrogénfúzió jelenthetné, amelynek révén vízből termelhetnénk elvileg korlátlan mennyiségben energiát. Ehhez a legígéretesebb útnak ma az tűnik, ha a vízből nyert hidrogénplazmát annyira felhevítjük, hogy a hőmozgás miatt ütköző atommagok egyesülhetnek egymással, így - akár a Nap belsejében - hidrogénmagokból energiafelszabadulás mellett hélium keletkezik. Csakhogy az ilyen sok millió fokos anyagot semmilyen szilárd tartályba nem zárhatjuk, hiszen vagy a tartály olvad meg, vagy maga az anyag hűl le azonnal. A kivezető utat a plazma mágneses térrel való egybentartása jelenti az ún. tokamak-berendezésekben, melyekből néhány kísérleti célból már megépült. Az első, világméretű együttműködéssel épülő energiatermelő fúziós reaktor a tervek szerint 2016-ra készül el a dél-franciaországi Cadarache-ban, az ipari méretű fúziós energiatermelés pedig talán századunk derekára valósulhat meg. E folyamat során azonban még sok nehézséget kell leküzdeni, s ehhez a Napban zajlóhoz hasonló magnetohidrodinamikai folyamatok alapos megértésére van szükség.

IV. NAPFOLTOK

A földi jelenségek mögött álló univerzális fizikai törvények kimutatásával párhuzamosan éppen a Nap első távcsöves megfigyelései döntötték meg az égi világ változatlanságába vetett hitet. Amikor Galilei és kortársai 1610-ben először fordították teleszkópjukat a Nap felé, kitűnt, hogy annak arcán gyakran láthatók sötét foltok, erősen változó számban, alakban, méretben. A 7. ábra egy Galilei által készített rajzot mutat a Napról. 

FIGYELMEZTETÉS: Soha ne nézzünk távcsővel vagy szabad szemmel közvetlenül a Napba, mert súlyos látáskárosodás lehet a következménye! A napfoltok megfigyelésére kivetítéses módszer vagy szaküzletekben kapható speciális szűrő használható.

Ugyancsak a Napról készült a 8. ábrán látható fénykép, melyen jól megfigyelhetők a napfoltok, valamint a környezetüknél fényesebb, szálas szerkezetű fáklyák, melyek főként a napkorong széle felé látszódnak jól. Megfigyelhetjük, hogy a foltok és fáklyák csoportosan fordulnak elő. A naptevékenység jelenségeinek ilyen csoportosulásai az aktív vidékek, melyek általában 1-2 hétig élnek, olykor azonban akár több hónapig is. Már itt felhívom a figyelmet arra, hogy az aktív vidékek többsége kétosztatú, bipoláris szerkezetet mutat, vagyis két jól elkülönülő alcsoportra oszlik, melyek mindegyikét egy-egy nagy napfolt uralja, körülötte több kisebb folttal és fáklyamezővel. Az aktív vidék élete során a két alcsoport egymástól folyamatosan távolodik. Bennük a foltok először növekednek, majd lassan zsugorodni kezdenek és eltűnnek.

Galilei és kortársai néhány évtizeden át rendszeresen figyelték a Napot. A 17. század derekán azonban a napfoltok váratlanul eltűntek és csak a 18. században jelentek meg újra. Az ilyen hosszú, szinte teljesen foltmentes időszakokat csillagunk életében ma főminimumoknak nevezzük, ez a konkrét időszak pedig a Maunder-minimum nevet kapta. A Maunder-minimum miatt a csillagászok Nap iránti érdeklődése lanyhult, és csak a 19. században éledt fel ismét, főleg miután Rudolf Wolf svájci csillagász észrevette, hogy a foltok gyakoriságában 11 éves periodicitás mutatkozik. 

A Greenwichi Obszervatórium 1874-ben kezdte meg a Nap rendszeres fotografikus megfigyelését és a felvételek alapján a foltok helyzetének és területének kimérését. Az eredményeket több mint egy évszázadon keresztül évente megjelenő katalógusukban tették közzé, amely alapvető jelentőségű a napfoltok vizsgálatában. Ezt a fontos munkát az időközben bezárt Greenwichi Obszervatóriumtól 1977-től az MTA Konkoly Thege Miklós Csillagászati Kutatóintézetének Napfizikai Obszervatóriuma vette át Debrecenben. Itt azonban a greenwichi katalógus folytatása mellett egy részletesebb, minden egyes foltot napról napra azonosító katalógus is készül. Ez az aprólékos munkával születő, a világon egyedülálló precizitású és részletességű katalógus először kínált lehetőséget a napfoltok viselkedését szabályozó statisztikai törvényszerűségek megállapítására.

A naptevékenység lefolyása az időjáráshoz hasonlóan erősen véletlenszerű és előrejelzése csak statisztikailag lehetséges. Egyebek mellett a debreceni mérések segítségével vált lehetővé a napfoltok bomlására kidolgozott elmélet, az ún. turbulens eróziós modell megerősítése. E modell szerint, melyet mintegy tíz évvel ezelőtt jómagam fejlesztettem ki egy spanyol csillagász kollégával együtt, a foltok bomlását a környező turbulens áramlások erodáló hatása okozza.

Mint az animáción látható, a napfolton kívül a Nap felszínét fortyogó, szemcsés szerkezetű áramlás jellemzi. Ezt az ún. granulációs áramlást a Nap mélyén termelt hő hajtja: a melegebb, ritkább gázcsomagok a felhajtóerő miatt felszállnak, a légkörbe érve leadják hőtöbbletüket, majd visszasüllyednek. A granuláció folytonosan kisebb-nagyobb darabokat "harapdál ki" a napfoltokból, hasonlóan ahhoz, ahogyan a tenger zajlása erodálja a partot. Modellünk legfontosabb jóslata, hogy a napfoltok bomlási üteme, vagyis az adott idő alatt bekövetkező területvesztés arányos a folt sugarának és korábban elért maximális sugarának hányadosával. A modell kiválóan leírja a napfoltok átlagos viselkedését, először adva megnyugtató magyarázatot a napfoltbomlást szabályozó törvényszerűség 400 éves problémájára.

Közel egy évszázada tudjuk, hogy a napfoltokban a Nap és a Föld általános mágneses terénél több ezerszer erősebb, függőleges irányú mágneses tér mérhető. A 20. század derekára világossá vált, hogy az erős mágneses tér nem csupán a napfolt egy további bizarr sajátossága, hanem éppen annak lényege. Már láttuk, hogy a Nap anyaga forró, ionizált gáz, plazma. A plazma és a mágneses tér kölcsönhatását leíró tudományág, a magnetohidrodinamika legfontosabb törvénye az ún. befagyási törvény, mely szerint a plazma áramlása során nem keresztezheti a mágneses erővonalakat. Ehelyett az áramló plazma a gyenge mágneses tereket magával sodorja, míg az erős mágneses tér gátolja az áramlást. Az utóbbi hatás, tehát a napfoltokban levő erős mágneses tér akadályozza meg azokat a fortyogó áramlásokat, melyek a hőt a Nap belseje felől kiszállítanák, ezáltal a napfoltok anyaga a környezethez képest lehűl.

Napfoltokat tehát ott látunk, ahol a napfelszínt erős mágneses erővonalcső (fluxuscső) metszi át. A Nap mágneses terének térképei azt mutatják, hogy a bipoláris aktív vidékek két felében a mágneses tér irányítása ellentétes. A következő, kb. százezerszeresen felgyorsított animáción a fehér területeken az erővonalak kibújnak a Napból, a fekete területeken visszabújnak bele.

A napkoronáról készült röntgenképek egyértelműen megmutatják, hogy itt egyazon fluxusköteg ki-, illetve visszabúvási pontjairól van szó. Aktív vidékek tehát ott figyelhetők meg, ahol a Nap felszíne alól mágneses erővonalköteg tolul, "púposodik" ki a légkörbe. Mire a felszín fölé jut, az erővonalköteg több szálra foszlik, így az aktív vidéken több kisebb-nagyobb napfoltot, mágneses elemet is megfigyelünk. Ezek mozgása azonban arra utal, hogy az egyes szálak valamivel a felszín alatt egy egységes erővonalköteggé egyesülnek. A következő animáció segítségével a Nap felszíne alá pillantva egy mágneses fluxusköteg felbukkanását kísérhetjük figyelemmel.

V. A NAPTEVÉKENYSÉG EREDETE

Honnét ered ez az erős mágneses tér, amely a felszín fölé tolul? Mi okozza a jelenség 11 éves periodicitását? Ezekre a kérdésekre a magnetohidrodinamika egy speciális fejezete, a dinamóelmélet keresi a választ. A dinamó olyan eszköz, amely képes a mozgási energia elektromágneses energiává alakítására, s így egy tetszőlegesen gyenge kezdeti mágneses tér felerősítésére. Ehhez nagyon speciális szerkezetű mozgások, áramok szükségesek. A kerékpárok vagy a gépkocsik esetében ezt a speciális szerkezetet a huzalozás biztosítja.  A természetes körülmények között megvalósuló dinamókban viszont a vezető közegben zajló áramlások maguktól, csupán a rájuk ható erők hatása alatt képesek a mágneses tér fenntartására.

A Nap-dinamó működésének részletei még nem teljesen tisztázottak. Abban azonban elég általános az egyetértés a kutatók körében, hogy a naptevékenységet okozó erős mágneses tér létrejöttéért a Nap differenciális rotációja felelős. Napunk ugyanis nem merev testként forog: a sarkvidékeken a forgás közel 30 százalékkal lassabb, mint az egyenlítőn. A 10. ábrán a forgási sebesség eloszlását látjuk a Nap keresztmetszetében: a vörös a leggyorsabban, a kék a leglassabban forgó tartományokat jelöli. (A Nap felszín alatti jellemzői a földi szeizmológiához hasonló módszerekkel határozhatók meg.)

Látható, hogy a differenciális forgás a felszín alatti elég vastag tartományra jellemző, míg ennél is mélyebben, ahol a fortyogó hőáramlások már nem működnek, a Nap már mereven forog. A két tartomány közötti átmeneti réteg, melynek felső határát a 10. ábrán szaggatott vonal jelöli, az ún. tachoklína. Mivel a tachoklína igen vékony, a differenciális rotáció éppen itt a legerősebb, vagyis két közeli pont között itt léphet fel a legnagyobb sebességkülönbség.

A differenciális rotáció és a befagyás együttesen ahhoz vezet, hogy a Nap általános mágneses tere, mely napfoltminimum idején aránylag gyenge, a rúdmágneséhez hasonló szerkezetű ún. poloidális (dipólus-szerű) tér, néhány év alatt felcsévélődik egy sokkal erősebb, az egyenlítővel párhuzamos, ún. toroidális (tórusz-szerű) térré. Ezt mutatja a következő animáció. Amikor a toroidális tér elég erős lesz, instabillá válik, és a kis púpok, melyek a környező áramlások hatására képződnek rajta, spontán növekedésnek indulnak, mígnem a levált erővonalhurkok a felszínen áttörve aktív vidékeket hoznak létre. Ezt a folyamatot ma már számítógépes szimulációkkal részleteiben is követni tudjuk. A szimulációkból kiderül, hogy a feltörekvő fluxushurok a rá ható erők hatására aszimmetrikussá torzul. Ezt a jelenséget a napfoltok saját mozgásai és az aktív vidékek mágneses térszerkezete alapján jó 15 évvel ezelőtt van Driel-Gesztelyi Lídia kollégámmal sikerült megjósolnunk.

Az erős tér létrehozása szempontjából lényeges, hogy a tachoklína a megfigyelések szerint nagyon vékony. Ez a vékonyság meglepő, ugyanis a számítások szerint a Nap fiatal kora óta a külső burok differenciális rotációja jelentős mértékben be kellett volna hogy hatoljon a napbelsőbe. Az ELTE Csillagászati Tanszékén az utóbbi években kifejlesztett számítógépes modellünk szerint a tachoklína vékonyságát maga a dinamómechanizmus által keltett erős mágneses tér tartja fenn. A befagyás miatt a tachoklínában létrejött erős mágneses tér akadályozza a rétegre felülről "ráerőltetett" differenciális rotációt, amely így nem tud oda mélyen behatolni. Ezt szemlélteti a Forgácsné Dajka Emese kollégám által készített animáció, mely a forgási sebesség és a mágneses térerősség változását mutatja a tachoklína észak-dél irányú metszetén egy 11 éves ciklus során.

VI. NAPKITÖRÉSEK

A napfoltok és napfáklyák nem egyedüli megnyilvánulásai a naptevékenységnek. Az aktív vidékek fölött, a naplégkör magasabb rétegeiben még látványosabb jelenségek játszódnak le. Mivel ezek a rétegek már igen ritkák, megfigyelésük - napfogyatkozások kivételével - csak speciális szűrőkön át, illetve az emberi szem számára láthatatlan hullámhosszakon (pl. ultraibolya, röntgen) lehetséges. A Nap egy óriási forró gázgömb, melynek valójában nincs szilárd felszíne. Felszínnek egyezményesen azt a szintfelületet tekintjük, ameddig az emberi szem által általában érzékelt hullámhosszakon belelátunk. Más hullámhossztartományokban azonban ez a szint másutt húzódik, főként azért, mert a légkör felsőbb rétegeiben a hőmérséklet erősen nő. A magasabb hőmérsékletű anyag pedig rövidebb hullámhosszakon sugároz. (Ismert jelenség, hogy a felhevített fémdarab először vörösen, majd sárgán, fehéren, azután kékesen izzik.) Ezt a jelenséget használjuk ki a naplégkör magasabb szintjeinek vizsgálatára, mint azt a következő animáció mutatja. A látható napfelszín hőmérséklete kb. 6000 fokos. Ha azonban a Napot rövidebb hullámhosszakon vizsgáljuk, egyre forróbb anyag sugárzását érzékeljük, míg végül a röntgentartományban már a több millió fokos napkorona sugárzását látjuk.

A napkorona anyaga annyira ritka, hogy több millió fokos hőmérsékletének fenntartásához egészen csekély energiabefektetés elegendő. Ezt ez energiaigényt végső soron az aktív vidékekből eredő, a koronát átható mágneses tér energiájának egy kicsiny töredéke fedezi, mely az ott zajló viharos magnetohidrodinamikai folyamatokban alakul hővé. 

A napkoronában a plazma dinamikáját a mágneses tér uralja. Az itt megfigyelhető számos jelenség között a legfeltűnőbbek közé tartoznak az úgynevezett protuberanciák - a napkoronában úszó, de annál sűrűbb és hűvösebb felhők. A protuberanciák változatos formáit animációban mutatjuk be. Egyesek közülük a mágneses tér segítségével hetekig-hónapokig lebeghetnek egy helyben, változatlan alakban, míg mások inkább átmeneti jelenségek: miután anyaguk feldobódik a légkör mélyebb rétegeiből vagy kicsapódik a koronából, lehullanak vagy esetleg éppenséggel kidobódnak a Napból. Az utóbbi esetben a kidobott anyag koronakitöréssé válik. Ezek a kilövellések mágnesezett plazmafelhők alakjában utaznak kifelé a bolygóközi térben. Ha a Föld útjukba kerül, annak mágneses terével kölcsönhatva komoly mágneses viharokat, felsőlégköri zavarokat, sarki fényjelenséget okozhatnak, amint azt a következő animáció szemlélteti. Az érdeklődők figyelmébe ajánlom Szegő Károlynak a Mindentudás Egyetemén elhangzott előadását, amelyben részletesen foglalkozott a Nap légköri jelenségeinek bolygónkra gyakorolt hatásával.

A naptevékenység leglátványosabb jelenségei a flerek, melyeket - nem túl szerencsés módon - napkitörésnek is neveznek. Fler idején a napfelszín egy darabja néhány perc leforgása alatt rendkívül felhevül, kifényesedik. A jelenség oka a mágneses tér gyors átrendeződése, a mágneses erővonalak ún. átkötődése, amit az alábbi animáción láthatunk.

A koronában lezajló átkötődés következtében a plazmában a szabad töltések (ionok, elektronok) felgyorsulnak, az átkötődés helyétől két ellentétes irányba tartó gyors részecskenyaláb indul ki. A lefelé tartó nyaláb a légkör sűrűbb rétegeibe csapódva felfűti azokat, létrehozva a megfigyelt flerjelenséget. A felfelé tartó nyaláb viszont elhagyja a Napot, s akár a Földet is elérheti. A következő animáció segítségével a fler kialakulásának folyamatát követhetjük nyomon.

A flereknek tehát, a koronakitörésekhez hasonlóan, komoly földi hatásaik lehetnek. A két jelenség között a fő különbség az, hogy koronakitörések idején nagyobb tömegű, de aránylag kisebb sebességű plazma dobódik ki a Napból, míg a flerek idején kistömegű, de igen gyors részecskenyalábok. A RHESSI űrobszervatórium által röntgentartományban készített felvételsorozaton először vált közvetlenül megfigyelhetővé a flerek átkötődési modelljének számos részlete.

VII. A NAP MINT AZ UNIVERZUM KAPUJA

Ebben az előadásban csupán arra volt lehetőség, hogy bemutassak néhány példát a Napon megfigyelhető magnetohidrodinamikai, plazmafizikai jelenségek elképesztően széles skálájából. Reményeim szerint sikerült érzékeltetni a korszerű földi és műholdas napfizikai műszerek által elénk tárt képet. A Napra tekintve ma egy dinamikus, forrongó világot látunk, amely igen távol áll az ókori világkép örök, szimmetrikus, változatlan égitestétől. Okunk van ugyanakkor azt hinni, hogy a Napon látott, számunkra gigászinak tűnő plazmajelenségek csak kicsinyített modelljei, halvány visszfényei azoknak a folyamatoknak, amelyek fiatalabb, aktívabb csillagokon játszódnak le, vagy éppen olyan extrém égitesteken, mint az erősen mágneses neutroncsillagok (ún. "magnetárok"). A Nap tehát ma is kapu a csillagászok számára, melyen át a távoli Univerzum folyamataiba nyerhetünk bepillantást.