Űridőjárás

thumb|jobbra|350px|A plazmaszféra ábrázolása a Föld körül „Az űridőjárás a központi csillag körül lévő napszél, magnetoszféra, ionoszféra és termoszféra állapotaiból tevődik össze, amik hatással vannak az űrben keringő eszközök teljesítményére és megbízhatóságára, továbbá a földi telepítésű technikai eszközök működésére és veszélyeztethetik az élőlények egészségét és életét.

Az űrbeli környezet állapotainak különböző változásai megszakíthatják a műholdak normál működését, amik a kommunikáció, a navigáció, a kereskedelem és a műsorszórás zavarása mellett a földi energiaellátó hálózatban is komoly zavart okozhatnak. Ezek összessége társadalmi és gazdasági károkkal jár.

National Space Weather Program Strategic Plan, 1995. Office of the Federal Coordinator for Meteorological Services and Supporting Research, FCM–P30–1995, Washington, DC.

A modern élet igényli a pontos, napi időjárás-jelentést, a klíma hosszútávú változásainak nyomon követését és okainak felderítését (mezőgazdaság, kereskedelem, szállítás, energiapolitika és katasztrófavédelem).

Jelentősége Az időjárás megértésével foglalkozó tudomány, a meteorológia az egyik legrégibb tudomány. Feladata az ember környezetének figyelése és változásainak előrejelzése. Hasonlóképpen az űridőjárás is megpróbálja megérteni és előre jelezni az időjárást és a klímát, csak éppen nem a légkörben, hanem a földi légkörön túl.

Az űridőjárásnak, akárcsak a földi időjárásnak végső meghatározó szereplője a Nap. Kétféle megkülönböztető jegy van a kettő között: egyrészt a hely, ahol lezajlik, másrészt az energia, ami mozgatja őket. Az időjárás esetén a hely a földfelszíntől a kb. 10 km magasságig terjedő troposzféráig tart. Az űridőjárás esetén a hely a Földet körülvevő világűr kezdetétől (a földfelszín fölötti 100 km-es magasságtól) a Napig tart.

A másik különbség az időjárás és az űridőjárás között a Napból származó energia fajtája, ami a két területre hatással van. A Nap folyamatosan kétféle sugárzást bocsát ki: elektromágneses sugárzást és részecskesugárzást. A látható fény, a rádióhullámok, az ultraviola sugárzás, a röntgensugárzás és a gammasugárzás mind az elektromágneses sugárzás különböző formái. A Nap elektromágneses sugárzásai melegítik az alsó légkört, az óceánokat és a szárazföldeket, amikben hőmérséklet-különbségek alakulnak ki, aminek következménye a folyamatos légáramlás, a szél. A Földet négyzetméterenként mintegy 1400 watt teljesítményű sugárzás éri (ezt napállandónak nevezik - ennek nagyjából 30-50%-a éri el a földfelszínt).

A Nap másik sugárzásfajtája részecskékből áll, amit töltött atomok és szubatomi részecskék alkotnak (ezek többnyire protonok és elektronok), ezt napszélnek nevezzük. A napszél magával viszi a Nap mágneses terét is, és az egész Naprendszert kitölti. Ezt a területet helioszférának nevezzük. (héliosz - görögül: Nap). A napszél, bár állandóan áramlik, egyúttal állandóan változik is. Ezek a változások többféle módon befolyásolják a Föld űrbeli környezetét, köztük a leglátványosabb a felső légkörbe való ütközés által kiváltott sarki fény. De ugyanez a sugárzás szerepet játszik a villámok kialakulásában, az energiaellátás megszakadásában (a távvezetékekben vagy a trafóállomásokon túlfeszültség léphet fel). Zavarhatja a földi és az űrbe telepített kommunikációs eszközöket.

Időnként a Nap atmoszférájából nagyobb anyagcsomók válnak le és repülnek ki nagy sebességgel a világűrbe, ezt koronakidobódásnak nevezik (angol neve: coronal mass ejection - CME). Egy ilyen esemény nagyságrendileg 1012 kg anyagmennyiséget jelent, aminek sebessége 1000 km/sec nagyságú (ez 3,6 millió km/órának felel meg). A koronakidobódás nem a Nap teljes felületén alakul ki (ellentétben a napszéllel). Ha mozgásának iránya a Föld felé mutat, 2 napon belül űrvihar alakul ki a Föld közelében, ami tönkreteheti az űrbeli berendezéseket, és a részecskesugárzás életveszélyt jelent nem csak az űrhajósok számára, hanem a sarki területek fölött húzódó repülési útvonalon közlekedő repülőgépeken utazókra is.

A Nap

A Nap összetétele A Nap felszínét és atmoszféráját műszerekkel közvetlenül érzékelhetjük. A Nap összetételére az elsődleges eszközünk a spektrográf, ami a kémiai elemeknek megfelelő vonalakat jelenít meg. Ennek segítségével pontosan meg tudjuk állapítani a Napban lévő kémiai elemek gyakoriságát.

A leggyakoribb öt elem:

hidrogén 92,2% hélium 7,8% oxigén 0,061% szén 0,030% nitrogén 0,0084%

A Napban a felsorolt kémiai elemeken kívül az összes további elem is megtalálható, ami a Földön fellelhető (de elenyésző mennyiségben).

A Nap mágnesessége A Nap különböző területeinek mágneses erősségét spektroszkópiai mérésekkel tudjuk meghatározni, mivel Pieter Zeeman 1896-os felfedezése óta ismert, hogy mágneses tér jelenlétében egy gáz spektrumvonalai felbomlanak. A vonalak gyakorisága arányos a mágneses tér erősségével. A felfedezés Zeemannak és korábbi tanárának (Hendrik Antoon Lorentz, 1853–1928) fizikai Nobel-díjat jelentett, amit 1902-ben kaptak meg. Ezzel lehetővé vált a Nap felszíne mágneses erejének meghatározása. Ilyen mérések alapján tudjuk, hogy a napfoltok belsejében a mágneses térerősség a környezethez képest 1000-szeres. Ezek a mezők vagy a Nap belseje felé vagy attól kifelé irányulnak, irányuk sohasem véletlenszerű.

A standard napmodell szerint a napfoltok erős mágneses tere megváltoztatja a napfelszín áramlásait, a napfoltokban az anyag hidegebb, és ezért a napfolt sötétebbnek tűnik. Egy napfoltnak egyetlen mágneses polaritása van, ezért a napfoltok párban fordulnak elő. Az északi irányultságú napfoltban a mágneses mező kifelé irányul, míg a déli irányúban befelé. Egy ilyen pár a Nap felszíne fölött mágneses hurkot hoz létre. A napfoltok tulajdonságaiban az a rendszeresség is megfigyelhető, hogy ha a forgási iránynak megfelelő vezető napfolt északi irányultságú, akkor azon a félgömbön a többi vezető napfolt is északi irányultságú lesz. A másik félgömbön a napfoltok irányultsága ezzel ellentétes.

A jelenséget bonyolítja, hogy a Nap az egyenlítője körül gyorsabban forog, mint a sarkoknál. Ez elhúzza és megcsavarja a mágneses mezőket.

A napfoltok közelében sokszor hatalmas energiák szabadulnak fel. Ezeket a területeket aktív zónáknak nevezzük. Létrejöttük pontos mechanizmusa nem ismert, de annyi bizonyos, hogy a mágneses térben tárolt energia átadódik a kiáramló részecskék mozgási energiájává. Egyes kiáramlások hőmérséklete elérheti a 100 millió kelvint. Ez az energia olyan nagy, hogy a Napatmoszférában lévő töltött részecskék akár a fénysebességig is felgyorsulhatnak. A felhevült plazma mindenféle elektromágneses hullámhosszon sugároz. Ezek a részecskék és ez az elektromágneses sugárzás (ami a legkeményebb röntgensugarakat is tartalmazza) elérheti a Föld világűrbeli környezetét és azzal kapcsolatba lép. Ez az egyik legmeghatározóbb tényezője az űridőjárás alakulásának.

A napciklus A napfoltokat az 1800-as évek óta figyelik a csillagászok, és feljegyzik számukat, keringési jellemzőiket. A mérések alapján megállapították, hogy a napfoltok szám 11-éves ciklusban növekszik és csökken. Mivel a napfoltok összefüggésben vannak a Nap aktivitásával (ilyenek a flerek vagy más, nagy energiafelszabadulással járó folyamatok, amik felhevítik a Nap atmoszféráját), a 11-éves napciklusnak megfelelően változik a Nap aktivitása.

Az aktivitás minimuma idején a Nap mágneses tere nagyjából dipólusnak felel meg: az egyik félgömbből kiinduló erővonalak a másik félgömbben végződnek. A napmaximum felé tartó 5-6 éves időszakban a mágneses tér szerkezete bonyolultabbá válik. A napmaximumot elhagyva a következő 5-6 évben a mágneses tér rendezettebbé válik, iránya az előző 11-éves állapothoz képest fordított (a mágneses tér irányának ciklusa tehát kb. 22 év - ezt néha nevezik dupla napciklusnak vagy Hale-ciklusnak isGeorge Ellery Hale (1868-1938) amerikai napcsillagász). Az átmenet elején, amikor a térerősség kisebb, a mágneses tér tengelye és a Nap forgástengelye jelentősen eltér, majd a maximum körül egy irányba áll be.

Mivel a Nap aktivitása követi a napfoltok számának alakulását és ez 11-éves periódust mutat, ezért nem meglepő, hogy a Földet érő hatások is ilyen periódussal követik egymást. Mondhatjuk, hogy az űridőjárást meghatározó ciklus 11 évenként ismétlődik, napmaximum idején várhatók a komolyabb behatások, míg napminimum idején csendesebb az űridőjárás is.

2009-2010-ben a Nap aktivitása a minimumon volt.

A helioszféra A helioszféra a bolygóközi térnek az a területe, ahol a napszél szuperszonikus sebességgel áramlik.Dessler, A.J. Reviews of Geophysics, 5, 3, 1967 - a helioszféra első említése tudományos munkában

A napszelet az 1950-es években fedezték fel, amikor észrevették, hogy az üstökösök csóvája mindig a Nappal ellentétes irányba mutat, még akkor is, amikor az üstökös már távolodik a Naptól.

Teljes napfogyatkozás esetén (amikor a Hold eltakarja a Nap felületét) is látható fény a Nap környezetében, ez a napkorona, amit az elektronokon való szóródás hoz létre. A napkorona nem szabályos alakú és nem egyforma erősségű minden irányban. A Nap egyenlítője mentén erősebb, mint a sarkok felé. Ez a Nap mágneses terének struktúrájából adódik. Fényerőssége milliószor gyengébb, mint a fotoszféráé (ami a fogyatkozásokat kivéve látható). Koronagráfnak nevezett távcsővel a napkorona máskor is megfigyelhető, mert az eszközben egy megfelelő méretűre beállított koronggal ki tudják takarni a Napot.

Ahhoz, hogy egy részecske kiszakadjon a Nap gravitációs vonzásából és ne térjen vissza, legalább a szökési sebességgel rendelkeznie kell, ami az alsó koronában 618 km/s, és olyan ritka régióban kell tartózkodnia, ahol kicsi az esélye a más részecskékkel való ütközésnek. A koronában lévő részecskék hőmérséklete legalább 1 millió fok, így sok részecske elegendő sebességgel rendelkezik a Nap végleges elhagyásához. Ezek a részecskék alkotják a napszelet, ami protonokból, elektronokból és hélium atommagokból áll, amik szuperszonikus sebességgel távolodnak a Naptól és magukkal viszik mágneses terének darabkáit. A napszél tehát mágneses plazma.

A Nap mágneses terének a helioszférába kinyúló részét bolygóközi mágneses térnek nevezzük (angolul: interplanetary magnetic field - IMF), ami a Nap forgása miatt a forgástengely felől nézve arkhimédészi spirál alakot vesz fel. Mivel a Nap forgása állandónak tekinthető, a spirál szöge a Nap-Föld képzeletbeli egyeneshez képest a napszél sebességétől függ. Minél nagyobb az áramlási sebesség, annál kisebb lesz az egyeneshez viszonyított szög.

A Nap mágneses terének felépítése miatt a napszél sebessége nem egyenletes. Az egyenlítőtől induló napszél sebessége általában kisebb, mint a sarkok közelében indulóé. Ugyanakkor ezeknek a területeknek az elhelyezkedése időben állandóan változik, így a Földet érő napszél sebessége is folyamatosan ingadozik, jellemzően egy nagyobb sebességű napszél és egy kisebb sebességű napszél időszaka között.

Tovább árnyalja a képet az a tény, hogy a Nap forgástengelye és mágneses tengelye nem esik pontosan egybe, így a Földet érő napszél hol a Nap mágneses északi, hol meg a déli félgömbjéről indul.

A napszél és a bolygóközi mágneses tér átlagos jellemzői a Naptól 1 CsE távolságban: részecskék száma = 5 db/ cm³ hőmérséklet = 1 millió fok sebesség = 400 km/s tartalom = 90% hidrogén, 8% hélium, nyomokban egyéb nehézionok térerősség = 10 nT

Egy koronakidobódás gyorsabban távolodik a Naptól, mint a környezetében lévő napszél. Mivel a napszél belsejében a hangsebesség 40 km/s körüli, a napszél átlagsebessége 400 km/s, egy koronakidobódás pedig 1000 km/s sebességgel halad, ezért a koronakidobódás lökéshullámot hoz létre a napszélben. A koronakidobódás legtöbbször hurokszerű formában mágneses teret hordoz magával, ezeket emiatt néha mágneses felhőknek nevezik. Az ilyen felhő a Föld közelébe érve geomágneses vihart okoz, ezért az űridőjárás egyik fő kialakítójának számít.

Kozmikus sugárzás