Hatások érik az ionoszférát… alulról és felülről is

A soproni Földfizikai és Űrtudományi Kutatóintézet (FI) munkatársai külföldi kutatókkal együttműködve kutatják a földi légkör napsugárzás által részben ionizált tartományát, a 60–1000 km közötti magasságban elhelyezkedő ionoszférát: a külső plazmakörnyezet és a semleges légkör közötti dinamikusan változó határréteget.

Az ionoszférát mind felülről, mind alulról különféle hatások érik. A világűr irányából elsősorban a naptevékenységhez kapcsolódóan, a semleges légkör irányából pedig intenzív troposzférikus események: hidegfrontok, zivatarok révén. Az ionoszféra Közép-Európában tapasztalt kozmikus eredetű változásairól az FI kutatóinak három tanulmánya jelent meg a közelmúltban.

Egy tűzgömb plazmanyomának vizsgálata

Az első tanulmányban egy, a földi légkörben látványosan elégő meteor, azaz tűzgömb ionoszférikus plazmanyomát vizsgálták. A Föld légkörébe belépő kozmikus testekkel (köznyelven hullócsillagokkal, meteorokkal) kapcsolatban még számos tisztázatlan kérdés van, annak ellenére, hogy már az őseink által is ismert és tanulmányozott jelenségről van szó. Felvetődnek kérdések: hogyan zajlik le egy meteor égése, hogyan befolyásolják ezt a helyi körülmények, milyen tartományok között mozognak az egyes meteorrajok tulajdonságai, vagy, hogy milyen légkörkémiai folyamatok játszódnak le. Minél több lehetősége van a kutatóknak vizsgálni az ilyen és ehhez hasonló kérdéseket, annál könnyebben találhatnak válaszokat.

A nagycenki Széchenyi István Geofizikai Obszervatóriumban 2018-ban a főbb meteorhullások idején kampányszerű, percenkénti ionoszféra-szondázó mérések zajlottak. A meteorok hatásának egyéb hatásoktól való elválaszthatósága érdekében a csehországi Pruhonicében (50.00°N, 14.60°E) a nagycenkivel összehangolt méréseket végeztek. A pruhonicei állomás 2019. november 17-én hajnali 04:15-kor fölöttébb érdekes jelet regisztrált, amiről alaposabb vizsgálat után kiderült, hogy egy fényes tűzgömb (egy Vénusz fényességét meghaladó, de a Nap fényességét el nem érő kozmikus test) okozta, megteremtve ezáltal a tudománytörténet ötödik lehetőségét arra, hogy a meteorok fémtartalmának és hőhatásának tulajdonítható úgynevezett ionizációs hatásokat tanulmányozni lehessen, ráadásul egy perc felbontású adatok segítségével.

A napkitörések ionoszférára gyakorolt hatása

A második megjelent tanulmányban az FI munkatársai azt vizsgálták, hogy a flerek (a Nap felszínén időszakosan jelentkező nagy energiájú felfényesedés, amelyek során hirtelen rövid időre megnő a Nap sugárzása) milyen hatással vannak az alsó ionoszférára (80–450 km) és a benne terjedő elektromágneses hullámokra, ami a rádiókommunikáció minőségét is meghatározza. Egy, a naptevékenység szempontjából igen intenzív időszakot (2017. szeptember 04–10.) és három európai állomást (Juliusruh, Németország; Pruhonice, Csehország és San Vito, Olaszország) kiválasztva 13 erőteljes fler hatását három különböző módszerrel hasonlították össze.

A flerek által okozott ionizációtöbblet miatt az alsó ionoszférában megnövekszik az elektromágneses hullámok elnyelődése (abszorpciója), ezért a visszaérkező hullám már jóval gyengébb lesz, esetleg teljes egészében elnyelődik egy adott frekvenciasávban. A tanulmány lehetőséget nyújt a különböző vizsgálati módszerek által kapott eredmények összehasonlítására, a módszerek előnyeinek és hátrányainak tanulmányozására, valamint az adott esetben az optimális módszer kiválasztására. A vizsgálat során a flerek hatására esetenként óriási – a nyugodt időszakhoz képest 1400 százalékos intenzitásbeli – emelkedést is tapasztaltak. A kapott értékeket azonban nagyban befolyásolta a használt vizsgálati módszer, a fler intenzitása, valamint a napszak, amikor a fler hatása elérte a Földet.

Geomágneses vihar által okozott változások

A harmadik tanulmányukban a kutatók bemutatták, hogyan reagált az Európa felett elterülő ionoszféra F-rétege (250–400 km) a 24. napciklus két legnagyobb geomágneses viharára. A Föld plazmakörnyezetén belül (ionoszféra, plazmaszféra, külső magnetoszféra) minden régió szoros kapcsolatban áll egymással. Az ionoszféra F-rétege rendelkezik a legnagyobb elektronsűrűséggel, így az elektronsűrűség-változások itt a legmarkánsabbak. A flerek és az azokat követő koronakidobódások a Föld mágneses terében hatalmas változásokat (úgynevezett geomágneses viharokat) okozhatnak, amelyek odafönn ionoszférikus viharként jelennek meg.

A korábbi tanulmányokban az ionoszféra-viharok két különböző fázisát különböztették meg: az úgynevezett pozitív ionoszféravihar-fázist, amikor az elektronsűrűség megnövekszik, és a negatív ionoszféravihar-fázist, amikor az elektronsűrűség a várható értékhez képest lecsökken.

Rendkívül lecsökkent a plazmasűrűség

A kiválasztott események (2012. november 11–17. és 2015. március 16–25.) vizsgálatához öt európai állomáson digiszondával (az ionoszféra elektronsűrűségének monitorozására alkalmas műszerrel) mért adatokat, a földi globális navigációs műholdrendszer (GNSS) által mért teljes elektrontartalom-adatokat (GNSS TEC), valamint a Swarm műholdak adatait használták. A kutatás fókusza a geomágneses viharok fő fázisára irányult, amikor az éjszakai órákban a nyugodt napokhoz képest rendkívül lecsökkent plazmasűrűséget észleltek az F-rétegben. Az eredmények alapján az F-réteg elektronsűrűségében és a viszonyítási napokhoz képesti teljes elektrontartalom-adatokban megfigyelhető extrém kiürülés közvetlen kapcsolatban állt a közepes szélességű ionoszféra-vályú (az auroraövezetben elhelyezkedő lecsökkent elektrontartalmú térrész) egyenlítő felé irányuló mozgásával.

Korábbi tanulmányok megállapították, hogy az éjszakai ionoszféra-vályú minimumhelye megegyezik a plazmaszféra határának (plazmapauza) ionoszférikus lábnyomával, tehát a vizsgált adatok segítségével a plazmapauza mozgása is megfigyelhető a geomágneses vihar során. A jelen kutatásban egy olyan új módszert dolgoztak ki, amely lehetővé teszi a termoszféra–ionoszféra–plazmaszféra rendszerben a különböző ionoszféra-zavarok viharidőszaki kialakulásának és mozgásának nyomon követését a globális digiszonda-hálózat adatainak a viszonyítási napokhoz képesti teljes elektrontartalom-adatok, valamint a műholdas adatok kombinált elemzésével.