Geomágneses pulzációk hazánk felett

Több éve vizsgálják hazánkban is a geomágneses pulzációk változását, amelyek alapján például a naptevékenység változása is nyomon követhető.

A Föld körüli térségnek a Föld mágneses terétől uralt plazmájában, azaz a magnetoszférában terjedő ún. magnetohidrodinamikai (MHD) hullámok létezését Hannes Alfvén jósolta meg 1942-ben. Az 1970-as évekre világossá vált, hogy az MHD-hullámtevékenység jelentős része a napszél-magnetoszféra kölcsönhatásból eredeztethető. Ezeknek a hullámoknak a periódusideje a 0,2 s – 600 s (ULF – ultra-low-frequency) közötti sávban van, terjedési sebességük a magnetoszféra különböző tartományaiban néhány 100 – néhány 1000 km/s. Könnyen kiszámítható, hogy az MHD-hullámok hullámhossztartománya lefedi a magnetoszféra karakterisztikus méreteinek nagyságrendjét, így természetes, hogy a magnetoszférában a legkülönfélébb rezonáns jelenségek: erővonalrezonanciák, héjrezonanciák, üregrezonanciák figyelhetőek meg.

1.ábra: Rezonáns erővonalak két, egymáshoz közeli, azonos meridián mentén fekvő állomás esetén.

Az MHD-hullámok felszíni megfelelői a geomágneses pulzációk. Megfigyelésükből mind a bolygóközi térre, e hullámok egy típusának keletkezési helyére, mind a magnetoszféra, a hullámok által átjárt közeg állapotára nyerhetők az űrkutatásban hasznosítható információk. Az Eötvös Loránd Geofizikai Intézete (ELGI) és az Egyesült Államok Geológiai Szolgálatának (USGS) Geomágneses Csoportja által 1996-ban MAKA (Magyar–Amerikai Közös Alap), majd később MŰI (Magyar Űrkutatási Iroda) támogatással létrehozott és fenntartott geomágneses pulzációs megfigyelőhálózat elsődleges célja e hullámtevékenység megfigyelése és eredet szerinti szétválasztása volt. A Pc3–as pulzációkat (20-100 mHz) ugyanis eredetük szerint legalább két csoportra oszthatjuk, nevezetesen a mágneses erővonalrezonanciákra (FLR – field line resonance), illetve a napszél és a magnetoszféra kölcsönhatása révén a magnetoszféra előterében keletkező és azon áthatoló kompressziós, ún. ’upstream’ hullámokra (UW – upstream wave). Az azonos frekvenciatartományba eső, de fizikailag két különböző jelenségtől származó pulzációk elkülönítésére a Baransky által kifejlesztett fázis-gradiens módszer alkalmazható a leghatékonyabban. Az eljárás során két, azonos geomágneses meridián mentén telepített észlelőállomás (1. ábra) adatait használjuk fel. A két állomáson FLR pulzációk jelenléte esetén jelentős amplitúdó és fáziskülönbségek mérhetőek a rezonáns frekvencia körüli sávban. Ezzel szemben a napszél közvetlenebb hatása alatt álló ’upstream’ pulzációk több ezer kilométeres távolságokban is koherensen, kis fáziskülönbséggel figyelhetők meg. Ez a karakterisztikus különbség teszi lehetővé az FLR-ek megbízható azonosítását az állomáspáron regisztrált pulzációs adatokból számolt dinamikus spektrumok alapján (2. ábra).

2.ábra: A keresztfázis (Baransky-) módszer alkalmazása során a dinamikus kereszt–spektrumon az erővonalrezonanciák időben (vízszintesen) elnyúló fáziskülönbség-maximumként (piros szín) jelentkeznek.

Az FLR-ek tipikusan nappali jelenségek, a magnetoszféra Nap felőli oldalán szinte mindig és mindenhol jelen vannak. Napkelte körül gyakran figyelhető meg a rezonáns frekvencia csökkenése. Ennek oka, hogy a reggeli órákban a mágneses erővonalak menti diffúzió révén megindul a plazmaszféra fokozatos feltöltése az ionoszféra plazmájából. Az erővonalmenti plazmasűrűség lassú, fokozatos növekedése az erővonal sajátfrekvenciájának lassú csökkenését vonja maga után (2. ábra).

Éppen a plazmasűrűség frekvenciamódosító hatása nyújt lehetőséget a plazmasűrűségnek az FLR-ek frekvenciájából való becslésére. Megfelelő geomágneses (pl. dipólmodell) és plazmaeloszlás modellek segítségével az MHD hullámok magnetoszférabeli terjedési sebessége, ebből az erővonal menti teljes futási idő, s végül a rezonáns állóhullám frekvenciája meghatározható. A probléma megfordításával az adott erővonalon megfigyelt rezonáns frekvenciából a plazmasűrűség megbecsülhető.

3.ábra: A becsült plazmasűrűség Nagycenk-Tihany, illetve az Ógyalla-(ma: Hurbanovo, Szlovákia) Tihany állomáspárokon észlelt erővonalrezonanciákból (atomi tömegegység/köbméter), illetve a Juliusruh-ban (Németország) mért foF2 ionoszférikus paraméter napi maximumai. Ez utóbbi paraméter az ionoszféra F2 rétegének elektronsűrűségét jellemzi.

A magyarországi pulzációs állomáshálózat adatainak felhasználásával és egy saját fejlesztésű félautomatikus algoritmus segítségével 2001-től folyamatosan elvégezzük az erővonalrezonanciák meghatározását és ebből a helyi erővonal menti plazmasűrűség becslését (3. ábra). A szinte folyamatos, most már több mint négy éves idősor világviszonylatban is jelentős. A bemutatott ábrán jól kivehetőek a legutóbbi napfoltmaximum körüli évek téli hónapjaiban megjelenő plazmasűrűség–maximok mind a plazmaszférában (fent), mind az ionoszféra legfelső, F2 rétegében (lent). Az ábra két grafikonja egyúttal illusztrálja a plazmaszféra és a felső ionoszféra plazmája közötti szoros, az erővonal menti ambipoláris diffúzió révén fenntartott csatolást is.

Heilig Balázs
ELGI Tihanyi Geofizikai Obszervatórium