Az első rész Napanatómia címmel jelent meg az Élet és Tudomány 2007. március 23.-i számában, a 362-364. oldalon.

A második rész A jégkorszakok: a Nap szívének dobbanásai címmel jelent meg az Élet és Tudomány 2007. március 30.-i számában, a 396-398. oldalon.

A jégkorszakok: a Nap szívének dobbanásai

Életünk égi gyökerei

Életünk zakatoló mindennapjai fölött tündöklően messze világít egy égi eredetű tény. A földi élet alapvetően egy távoli égitesten lezajló folyamatok kimenetelétől függ. Messze, fenn az égen, földi világunktól 150 millió kilométer távolságban ragyog a csillagászati erők számunkra legfőbb megtestesítője: a Nap. Világos, mint a Nap: ezen a messzi égi testen jönnek létre azok a folyamatok, amelyek lehetővé tették a földi élet megszületését, az ember megjelenését a Világegyetemben. Ezen a messzi, de a többinél sokkal közelebb eső csillagon lezajló, égi folyamatok tehát alapvető kapcsolatban állnak a földi élettel. Nem csoda, hogy az ember ősidők óta felfokozott figyelemmel fordul a Nap felé. És a Nap nemcsak fényét szórja pazarul, hanem újabb és újabb tudással ajándékoz meg bennünket. A Naptól tanultuk a heliocentrikus világképet éppúgy, mint a leghatékonyabb energiatermelési módot, a fúziós magreakciókat. A magyar csillagászat új sikere révén az emberiség és a Nap kapcsolata az elmúlt években még szorosabbá vált.

Nemrég ugyanis a Nap egy újabb alapvető folyamatát ismertük meg. Ez a folyamat a Nap számunkra legelérhetetlenebb körzetében, a Nap magjában zajlik. Elérhetetlenségére jellemző, hogy több mint százezer év kell ahhoz, hogy a fény a Nap energiatermelő magjából kijusson a sűrű anyagban elkerülhetetlen fény-elnyelődések gyakorisága miatt. Mégis, nemsokára az ebben a távoli világban lezajló folyamatról is kiderült, mennyire közelről érinti emberlétünket, és az egész földi élővilágot – mert a jégkorszakok a Nap magjának szívdobogásából erednek.

2007. januárjában a világ egyik legtekintélyesebb tudományos hetilapja, a New Scientist egész oldalas ismertetőt közölt Prof. Robert Ehrlich, az amerikai George Mason Egyetem fizikusának a Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics-ben elfogadott cikkéről. Ebben Ehrlich a jégkorszakok eredetét a Nap magjának azon változásaira vezeti vissza, amelyet e cikk szerzőjének elmélete alapján tudott meghatározni. Ahhoz, hogy a jégkorszakok új, az eddigieknél jobb magyarázatát megvilágítsuk, szükségünk van a Nap magjának változásait előidéző folyamatok alaposabb megismerésére.

A Nap szerkezete (1. ábra) (külön keretben)

A Nap belsejének szerkezete. A Nap felszíne alatt fekszik a konvektív zóna, alatta a sugárzási zóna, melynek középső része az energiatermelő mag.

A Nap főleg hidrogénből és héliumból, tehát könnyű gázokból áll. Tömege kétmilliárdszor-milliárdszor-milliárd tonna, a Föld tömegének közel egymilliószorosa. A fotoszféra hőmérséklete közel 6 000 fok, és a Nap középpontja felé haladva a hőmérséklet mintegy 15 millió fokra nő. A Nap anyaga ezeken a magas hőmérsékleteken majdnem teljesen ionizált, tehát a szilárd, folyadék és gáznemű halmazállapottól lényegesen eltérő negyedik halmazállapotban, plazma állapotban van. A távolság a Nap középpontjától fénylő felszínéig (a „fény szférájáig”, a fotoszféráig) 700 000 kilométer. A fotoszféra alatti 200 000 kilométer vastag gömbhéj körzetét a napfizikusok konvektív zónának nevezik. A konvekció hő hatására fellépő áramlást jelent, tehát a forráshoz hasonló folyamat. A konvektív hőáramlásban buborékok helyett konvektív elemek mozognak a konvektív zóna aljától felfelé, illetve a fotoszférától le a konvektív zóna aljáig. A konvektív zóna alatt található a Nap sugárzási egyensúlyban levő belseje. Ennek a körzetnek a szerkezetét nem a hőráamlások által újra elosztott energia, hanem a fény által szállított energia határozza meg, ezért kapta a sugárzási zóna elnevezést. A sugárzási napbelső középső körzete a mintegy 150 000 kilométer sugarú energiatermelő napmag.

A napmag: nyugodt vagy változó?

„Pantha rei” – tartja az ókori görög mondás: minden változik. És ha minden változik, akkor a Nap magja sem lehet kivétel – gondolta e cikk szerzője. És ezzel új irányban kezdett gondolkodni, hiszen a napfizikusok túlnyomó többsége ma még úgy gondolja, hogy a Nap sugárzási egyensúlyban levő magja nyugodt körzetnek tekinthető. Kétségtelen, hogy a sugárzási körzetben a hőmérséklet, a sűrűség, a nyomás eloszlását alapvetően a sugárzás által szállított energia határozza meg. Csakhogy ettől még kisebb-nagyobb körzetekre kiterjedő, kisebb-nagyobb mértékű hőmérsékletváltozások és anyagáramlások fontos szerepet játszhatnak a Nap életében. A Nap mélyének leírásában az egyik legfontosabb segédeszközünk a standard napmodell. Ez a modell nem más, mint a sűrűség, a hőmérséklet, a kémiai összetétel és a többi hasonló jellemző értékét a Nap középpontjától mért távolság függvényében meghatározó egyenletrendszer megoldása. Ez az egyenletrendszer figyelembe veszi azokat a magreakciókat, amelyekkel a Nap az energiát termeli. A mágneses teret azonban nem tudja figyelembe venni, mert az elektromágnesesség egyenletei túlságosan bonyolulttá, megoldhatatlanná tennék az egyenletrendszert. Márpedig annyi bizonyos, hogy a naptevékenységet a mágneses tér irányítja.

A Nap felszíne (fotoszférája) alatti konvektív zónában a forrásban levő vízhez hasonló körülmények uralkodnak. De nemcsak felfelé szállnak forróbb konvektív elemek, hanem lefelé is hidegebbek, hiszen a környezeténél hidegebb körzet sűrűbb, és így a melegebb testeket felfelé hajtó felhajtóerő ezeket a hidegebb konvektív elemeket lefelé hajtja. Ezek a sűrűbb, hidegebb elemek lefelé, a Nap központja felé haladva egyre gyorsulnak, és így egyre nagyobb hullámokat keltenek. Ezeket a felhajtóerő-keltette hullámokat a naprezgések g-módusainak nevezik, hiszen a felhajtóerő végső soron a gravitációs erőből adódik. Az egyre erősebb g-hullámok a konvektív zóna aljánál nem állnak meg, hanem tovább terjednek a sugárzási egyensúlyban levő körzetbe és az annak mélyén található energiatermelő magba. Mivel a konvektív zóna a naptevékenységgel változik, ezért a napmag viszonyainak is változniuk kell a naptevékenységgel. Ennek a jelenségnek több fontos hatása is szerepet játszik a napmag dinamikájában.

2006-ban Rogers és Glatzmaier, a kaliforniai egyetem kutatói megállapították, hogy a Nap konvektív zónájának áramlásai olyan hullámokat keltenek, amelyek a konvektív zónából behatolnak a Nap sugárzási egyensúlyban levő mélyebb rétegeibe, és eljutnak egészen az energiatermelés zömét termelő központi magig. Itt a forgási sebességek különbségei a standard napmodellből kapottól százszor jobban térnek el, mint a külsőbb sugárzási tartományban, és elérik a Nap konvektív zónájában fennálló differenciális rotáció mértékét. Mivel ily módon a napmag forgása a konvektív zóna áramlásaitól függ, amelyek pedig a naptevékenység kb. 11 éves ciklusával változnak, a napmag forgása a naptevékenységgel együtt kell változzon. A napmag tehát már csak ezért sem lehet változatlan.

A Nap nem gáznemű, hanem plazma állapotban van

A Napot mindmáig legtöbbször úgy képzelik el a csillagászok, mint egy világító, gáznemű testet. Csakhogy a Nap nem gáznemű, hanem plazma állapotban van. Plazma állapotú az anyag, ha túlnyomórészt elektromosan töltött részecskékből áll. A Nap magjában a hőmérséklet több millió fokos. Ezen a hőmérsékleten a hidrogén-, hélium-, szén-, oxigén-, nitrogén-atomokról a hőmozgás miatti ütközésekben leszakadnak az elektronok, az atomok túlnyomó része elektromoson töltött ionokra és elektronokra válik szét, ionizálódik. Ha pedig mágneses tér is található a napmagban, akkor a plazma még bonyolultabb, még komplexebb lesz: a mágneses tér befolyását is figyelembe kell venni az elektromosan töltött részecskék mozgásában. A napmag mágneses terének értékét nem ismerjük pontosan. Annyi biztos, hogy átlagban kétmillió Gaussnál gyengébb. A legutóbbi években átlagértékét ezer-tízezer gauss térerősség körül valószínűsítették, ami a Föld fél gaussos mágneses terénél nagyságrendekkel nagyobb. Minden jel arra utal, hogy a napmag olyan plazma állapotban van, amelyben a mágneses tér hatása jelentős. Ami pedig azt jelenti, hogy a napmag viselkedése a lehető legkomplexebb, illetve másképpen fogalmazva: a lehető legváltozatosabb jelenségeket mutatja. Vagyis a napmag plazma természete miatt sem lehet változatlan.

Érdemes meggondolni, mit is jelent a plazma állapot a napmag áramlásainak beindulása számára. Az elektromágneses kölcsönhatás a tömegvonzásnál 39 nagyságrenddel, azaz ezermilliárdszor-milliárdszor-milliárdszor-milliárdszor erősebb. Ez az óriási különbség azt is jelzi, hogy a plazma sokkal érzékenyebb, nagyobb erőket tud mozgósítani, mint amiket hétköznapi tapasztalatainkban megszoktunk. A plazmák rendkívül érzékenyen válaszolnak minden apró, elektromos, mágneses, gravitációs vagy forgás-változásra. A plazmából álló rendszerek - különösen amelyeket mágneses tér hat át - rendkívül komplex viselkedésűek. És ha még forognak is, akkor még inkább. Márpedig a napmag forog!

A napmag forgásának következményei

A huszadik század egyik legnagyobb csillagásza, Eddington fedezte fel, hogy a forgó csillagok nem lehetnek teljes mértékben sugárzási egyensúlyban. A forgás miatt ugyanis minél messzebb van a Nap egy része a forgástengelytől, annál nagyobb centrifugális erő hat rá. Emiatt a Nap az egyenlítőjénél kidudorodik, a sarkoknál belapul. Ez a hatás viszont felborítja a gravitációs, illetve a sugárzási egyensúlyt. Eddington kiszámolta, hogy a forgó csillagokban a sugárzási egyensúly elkerülhetetlenül megbomlik, és áramlásoknak kell fellépniük. A napmag a forgás következtében fellépő áramlások miatt sem lehet változatlan.

A konvektív zóna áramlásai által keltett hullámok napmagba behatolása a fentiek értelmében változtatni fogja a napmag forgásának mértékét. A változó forgás következtében a napmag minden kis körzetére folyton változó erő hat. Ahhoz, hogy a mágneses tér egyensúlyban maradhasson a változó környezeti feltételekkel, magának is változnia kell. Így jutunk el a napmagban beinduló áramlások egyik fontos forrásához. Az időben változó mágneses tér ugyanis – ahogy a középiskolában tanultuk – elektromos teret hoz létre. Az elektromos tér pedig a rendkívül érzékeny plazmában jelentős elektromos áramot indít be. Az elektromos áram előszeretettel összpontosul vékony fonalas szerkezűvé, az ilyen koncentrált áram pedig az adott körzetben jelentős fűtést idézhet elő. Szükségszerű tehát, hogy a napmag egyes körzeteit időről időre áram járja át, és ezek ilyenkor hirtelen magas hőmérsékletre fűtődnek fel, környezetükhöz képest „felizzanak”. A töltések elmozdulása pedig újra csak mágneses teret kelt, ami befolyásolja a töltések környezetét – ez a jelenség az un. nemlineáris visszacsatolás.

Ha a mágneses plazmában áramlások lépnek fel, akkor szükségképpen elektromos áramok jönnek létre. A napmagban, mint egy óriási, égi agyközpontban, itt is, ott is izzó áramok lépnek fel – és e cikk szerzőinek számításai szerint ezek az elektromos áramok vezérlik a naptevékenységet éppúgy, ahogy az agy bioáramai az emberi test mozgását. Az asztrofizikában jól ismert tény, hogy a plazmákban gyorsan változó, áramfonalakat kialakító töltésáramok lépnek fel. Mindmáig azonban nem ismerték fel, hogy az elektromos áramok fellépése a plazmákban mennyire alapvető jelenség, és hogy ezek léte mennyire jelentős szerepet játszik a napmag életében és a naptevékenységben. Tegyük hozzá, hogy a csillagok forgása és a naptevékenységhez hasonló csillagtevékenység szoros összefüggését a csillagászok már régóta ismerik. A napmag felizzó áramainak szoros kapcsolata a naptevékenységgel erre a tényre is magyarázatot ad.

Külön keretben: Koronafűtés a napmagban

Burgess és munkatársai kimutatták, hogy a konvektív zóna felhajtóerő keltette hullámai mágneses tér jelenléte esetén a napmagban mágneses hullámokká, úgynevezett Alfvén-hullámokká alakulhatnak át. Ez a jelenség hasonlít a Nap koronáját fűtő folyamathoz. A Nap konvektív zónájában keltett hanghullámok jelentős energiát hordozva terjednek át a konvektív zónából felfelé a naplégkörbe. A naplégkör mágneses terében ezek a hanghullámok lefékeződnek, összetorlódnak, mágneses hullámokká alakulnak, s eközben jelentős hőt termelve magas hőmérsékletre fűtik fel a naplégkör távolibb tartományát, a napkoronát. Nagyon hasonlóan, a napmagba kívülről hatoló hullámok a napmag mágneses terében addig erősödnek, amíg a hőveszteség nagyobb lesz, mint a hullámok által az adott körzetbe betáplált energia. Eközben ez a meghatározott körzet, ahol a hullámok felerősödnek, jelentősen felfűtődik. Számításaik szerint néhány száz kilométeres körzetekben létrejövő akár 5%-os fűtés sem zárható ki a jelenlegi mérések alapján. Kisebb körzetekben pedig ennél is jelentősebb fűtés jöhet létre a Nap magjában. A felhajtóerő keltette hullámok torlódásában keletkező fűtés által létrejövő áramlások is hozzájárulnak a napmag változásaihoz.

A napmag forgásának fékeződése

A plazmában fellépő áramok mellett tehát a Nap konvektív zónájában a konvektív elemekre ható felhajtóerő keltette g-hullámok is szerepet játszhatnak a napmag dinamikus folyamatainak beindításában. Egy további hatást is megemlítünk: a Nap forgásának lelassulásával járó hatásokat. Tény ugyanis, hogy a Nap pár milliárd évvel ezelőtt mintegy ötvenszer gyorsabban forgott tengelye körül, és ennek során forgási energiája a kezdeti 10⁴⁵ erg értékről mintegy ezredrészére, ≈2.4*10⁴² erg-re csökkent. Ha egyenletesen csökkent volna a Nap forgása, akkor egy évre 2*10³⁶ erg energia felszabadulása jutna. Kimutatták azonban, hogy kezdetben sokkal gyorsabban fékeződött a nap, és emiatt mostanában csak a fenti érték századrésze, 2*10³⁴ erg forgási energia szabadul fel a Napban évente. A kérdés csak az, hogy hol szabadul fel a forgási energia, és milyen gyakran: folytonosan, vagy epizód-szerűen.

Tény, hogy a forgási energia zömét a Nap sugárzási körzete hordozza, hiszen itt összpontosul a Nap tömegének túlnyomó része. Úgy gondoljuk, hogy mivel a napmagot el nem hanyagolható mágneses tér hatja át, ami a külső körzetekkel egybefűzi, ezért a napmag forgásának fékeződése egy-egy zökkenővel, hirtelen fékeződéssel járó, a földrengésekhez hasonló eseményben valósul meg. A mágneses tér elkerülhetetlen változásai által töltések mozdulnak el, ezek azonban nem tudnak egykönnyen áramfonallá alakulni. Az áramfonal kialakulásához az elektromosan töltött részecskéknek szét kell választaniuk maguk előtt az anyagot, ami nem könnyű feladat. Ha a kialakulásban levő áramszál élén sikerült szétválasztani az anyagot, az áram beindulhat, de csak akkor tud kifejlődni, ha továbbra is képes maga előtt szétválasztani az anyagot. Mintha egy hatalmas nyüzsgő tömegben kellene utat törnie az embernek. Ha nagy nehezen sikerül, a nyomunkba szegődőknek más sokkal könnyebb dolguk van. Ez a jelenség hasonlít a tapadási súrlódás és a csúszási súrlódás viszonyához. Amíg egy kidudorodásokkal teli test nyugszik, kiálló „tüskéi” a talaj beugrásaiba süppednek. Nehéz elindítani. Amint azonban sikerül, a gyorsan mozgó test dudorai nem tudnak olyan mélyre lesüllyedni, mint nyugalomban voltak, és a csúszási súrlódás jóval kisebb lesz. Hasonló ez a villámok beindulásához is. A feszültség a földfelszín és a légköri felhők között fokozatosan nő, és amikor elér egy kritikus értéket, elindul az áramszál, lecsap a villám. Feltevésünk szerint a napmagban is a villámok beindulásához hasonlóan kell az áramszálaknak létrejönniük.

A kérdés már csak az, mi történik ezekkel a környezetüknél melegebb körzetekkel. Ez pedig attól függ, mekkora energia alakul át hővé, milyen gyorsan, és mekkora körzetben. Amikor a mágneses energia felszabadulása viszonylag kicsi, lassan zajlik le, vagy nagy körzetre terjed ki, akkor a felmelegedett körzet lassan kihűl. Ez azt jelenti, hogy a hőhullámok magassága úgy csökken le, hogy eközben fokozatosan egyre nagyobb körzetre terjednek ki. A napmagban a napmagbeli „villámok” és a forgás fékeződésének hatására létrejövő „naprengések” indítják el a napmag életét, aminek elsődleges megnyilvánulásai a hőhullámok és a forró buborékok (2. kép). Ezt a két jelenséget a szerző jósolta meg két évvel ezelőtt megjelent tanulmányában.

Mindezek a jelenségek a napmag változásait jelzik. Ezek a változások a napmagban termelt neutrinók számának mérésével is kimutathatók. A Nap neutrínói a Nap energiatermelő magjában termelődnek. Ezért a Nap neutrínóinak észleléséből is következtetni tudunk a napmag viszonyaira. A napneutrínók mért adatainak elemzéséből Hans Haubold, e sorok szerzője és Peter Sturrock már többször arra következtetett, hogy a napmag részt vesz a naptevékenységben, de eredményeiket a fizikusok és csillagászok túlnyomó része nem fogadta még el. Most azonban, úgy tűnik, döntő fordulat áll be a napmag kutatásában.

A napmag szívdobogása

E cikk szerzőjének munkája nyomán nemrég létrejött egy olyan elmélet, amelynek alapján a napmagban uralkodó viszonyok számításokkal nyomon követhetők. Ez az elmélet kapott 2007. januárjában megerősítést, amikor Robert Ehrlich, a George Mason egyetem professzora a szerző cikke alapján kimutatta, hogy a napmagban keletkező hőhullámok hol felerősítik, hol kioltják egymást. Ehrlich kiszámolta, hogy a napmag feltételei között az instabilitások keltette felerősödő hőhullámok periódusa 41 000 év, illetve 100 000 év. Ezek a periódusok figyelemre méltó módon megegyeznek a földi jégkorszakok periódusaival.

A földi légkör hőmérsékletének egyik alapvető tényezője a Nap. A Nap fényessége a kb. 11 éves naptevékenységtől csak kismértékben függ, egy napciklus alatt mindössze egy ezrelékkel változik. A naptevékenység azonban nemcsak kb. 11 éves változásokat, hanem jóval hosszabb időszakú változásokat is mutat. Már régebben felvetették, hogy a Nap fényességének ingadozásai kapcsolatban állhatnak a Föld hőmérsékletének ingadozásaival, de egyik ilyen felvetés sem volt képes meghatározni, milyen fizikai folyamat idézi elő a Nap fényességének ingadozását.

Lisiecki 2005-ös eredményei szerint a földi légkör hőmérsékletének 5%-os csökkenése az oxigén 18-as izotópjának 16-os izotópjához viszonyított arányának egy ezrelékes növekedésével jár. Az oxigén-izotópok mérésével ennek alapján következtetni lehet a Föld hőmérsékletének változásaira. Lisiecki és Raymo (http://www.lorraine-lisiecki.com/LisieckiRaymo2005.pdf) rekonstruálták a földi légkör hőmérsékletének változását. Lisiecki 2005-ben kimutatta (http://www.lorraine-lisiecki.com/thesis_intro.html), hogy a földi hőmérséklet változásában az elmúlt 5 millió évben két periódus volt különösen jelentős: a 41 000 éves és a 100 000 éves. Az elmúlt három millió és egymillió év közötti időszakban a földi hőmérséklet változásában a 41 000 éves ciklus volt a legjelentősebb, de egy 100 000 éves ciklus is kimutatható. Mintegy 800 000 évvel ezelőtt a 41 000 éves ciklus uralkodását a 100 000 éves ciklusé váltotta fel.

A standard napmodell szerint a Nap magja kvázisztatikus egyensúlyban van, és ha változik is, ennek időskálája legalább 30 millió éves. Ehrlich számításaiban azonban a szerző által kiszámolt modellből indult ki, amely figyelembe veszi a Nap magjában a fenti érvek szerint jelen levő folyamatokat. E cikk szerzőjének modellszámításai számszerűen kimutatták, hogy a nagyobb térbeli méretű instabilitások lassabban, a kisebbek gyorsabban fejlődnek. Ha egy kisebb körzetben létrejön egy hőmérséklet-különbség, ez eleinte gyorsabban terjed szét a környezetre, majd egyre lassabban, ahogy a hőmérséklet-különbség kisimul. Az instabilitásokat tehát törvényszerűen hőhullámok jelentkezése kíséri. A mágneses instabilitások kifejlődése a magnetohidrodinamikai egyenletek nemlinearitásának természetszerű következménye. Amikor a kisimuló hőhullámok mérete eléri a napmag méretét, a hőhullámok disszipációjának időskálája a 100 millió évet is meghaladhatja. Miközben a hőhullámok egyre lassabban, de kisimulnak, újabb és újabb hőhullámok jönnek létre az instabilitások hatására.

Ehrlich feltette, hogy a Nap energiatermelő magjának határán, azaz a Nap központjától mintegy 150 000 km távolságban közel véletlenszerűen létrejövő hőingadozások eléggé kisimulnak ahhoz, hogy jó közelítéssel a Nap központjától mérhető távolság függvényének tekinthetők legyenek. Az itt keletkező hőhullámok terjedésük közben elérik a konvektív zóna alján található vékony körzetet, amelyben a differenciális rotáció gyorsan változik (ez az un. „tachocline”), és innen visszaverődnek. A visszaverődő hullámok lefelé haladó hullámhegyei hol összeadódnak a felfelé tartó hullámokéval, erősítve egymást, hol gyengítik, vagy kioltják egymást. Ehrlich meghatározta, milyen periódusú hullámok azok, amelyek felerősödnek, és így kapta meg a 41 000 és a 100 000 éves periódusokat, amelyek megegyeznek a földi jégkorszakok periódusaival.

A Milankovich-elmélet problémái

A jégkorszakok magyarázatának eddigi legjobb elmélete a híres Milankovich elmélet volt, amely a Föld Nap körüli pályájának kis, kváziperiodikus változásaival igyekezett magyarázni a jégkorszakok kialakulását. Alapvető problémája azonban, hogy a klímaváltozások sokkal nagyobb mértékűek, mint ami a Föld pályájának alig észrevehető, parányi változásaiból és az ezzel járó besugárzás változással magyarázható anélkül, hogy külön folyamat biztosítaná a parányi hatás nagymértékű felerősítését. A Föld ugyanis nagyon jó közelítéssel körpályán kering a Nap körül. Pályájának lapultsága (excentricitása) mindössze 2-3 százalékos, és az ebből adódó besugárzás-ingadozás mindössze fél ezrelékes. Mivel a klíma-modellek szerint a Nap besugárzásának egy százalékos változása 1.8 fokos átlagos globális hőmérsékletváltozásra vezet, ezért a fél ezrelékes besugárzás-változás egy parányi 0,1 fokos változást jelent, ami távolról sem elegendő a nagyobb klímaváltozások előidézéséhez, még jelentős felerősítés esetén sem. A pályaváltozás két fő periódusa pedig a 400 000 év és a 100 000 év; viszont a 400 000 éves periódus nem mutatható ki a klímaváltozásban. Alapvető gond a Milankovich elmélettel, hogy a Föld felmelegedése 10 000 évvel megelőzi a Nap besugárzásának (parányi) növekedését, vagyis az ok nem megelőzi, hanem követi az állítólagos okozatot. Megítélésünk szerint ez önmagában már kizárja a Milankovich elméletet. A Milankovich elmélet a klímaváltozások periódusainak változását sem tudja magyarázni, így például a 100 000 éves periódus kb. 800 000 évvel ezelőtti, 41 000 éves periódusra történő átváltását sem.

Ehrlich elméletének egyik jóslata, hogy léteznie kell a változócsillagok egy új osztályának, amelynek változási periódusa a „nagyon hosszú” periódusú változócsillagokénál is tízezerszer hosszabb. Újabb ellenőrzési lehetőséget jelentenek a vörös törpe csillagok, amelyek sugárzási zónája vékonyabb, és amelyek változási ezért hamarabb kimutathatók.

Mindezek alapján arra az álláspontra jutottunk, hogy részletes számításokkal és tapasztalt következmények létével erősen valószínűsíthető az amúgy is nyilvánvaló feltevés, hogy a napmag változik. Lássuk most az ellenvetéseket, és ezen ellenvetések új eredményeknek köszönhető cáfolatait.

Ellenvetések a napmag folyamatainak létével szemben. Fordulat a változó napmag kutatásában

A napmagban fellépő változásokat a csillagászok és fizikusok többsége három fő ok miatt utasította el. Egyrészt a naprezgések vizsgálatával egyre pontosabb képet lehetett alkotni a napmagról, és ennek pontosságát 1%-on belülinek vették. Másrészt nem ismertek olyan fizikai folyamatot, amelyik elegendően nagy hőmérsékleti ingadozást tudna előidézni. Harmadrészt nem állt rendelkezésre olyan mérési lehetőség, amivel a napmag dinamikai folyamatait ki lehetett volna mutatni. Érdekes módon, az utóbbi években mind a három tényezőben döntő fordulat állt be.

Az első ellenvetés szerint a naprezgések 1%-os pontossága kizárja ennél nagyobb hőingadozás fellépését. Csakhogy a naprezgések modellezésénél a standard napmodellből indultak ki, azaz eleve feltételezték a gömbszimmetriát. A gömbszimmetrikus hőingadozás azt jelentené, hogy egy egész gömbhéj hőmérséklete nagyjából egyszerre változik. Ahogy azt Burgess és munkatársai 2003-ban részletes számításokkal igazolták, a naprezgések elemzései nem zárják ki a napmagtól különböző távolságban levő gömbhéjak csak egy-egy részén fellépő hőingadozásokat.

Ami a második ellenvetést illeti, e sorok szerzője tisztán elméleti úton már 1984-ben, majd később cikkek egész sorozatában felvetette, hogy a napmagban erős instabilitások lépnek fel. Eleinte úgy látszott, a legjelentősebb folyamat a magreakciók erős hőmérséklet-érzékenységéből adódik. A Nap fő energiatermelő folyamata, a proton-proton ciklus ugyanis a hőmérséklet negyedik hatványával nő. Ez pedig azt jelenti, hogy ha valahol a napmagban a hőmérséklet megnő, akkor a magreakciók hatványozott mértékben felgyorsulnak. Mivel pedig a magreakciók termelik a hőt, ezért a gyorsabb energiatermelés gyorsabb fűtésre vezet, még melegebb lesz, és ezért még gyorsabban zajlanak le a magreakciók. Így egy önmagát erősítő folyamatra derült fény. A részletes számításokban figyelembe kellett venni a legfontosabb hűtési folyamatokat is, hiszen a melegebb körzet hőtágulása miatt lehűl, és ha ez a folyamat gyorsabb, mint a fűtés, akkor nem jön létre instabilitás. Figyelembe kellett venni a melegebb körzetből kiáramló hősugárzást is, ami szintén a hőmérséklet negyedik hatványával arányos. A részletes, számszerű számításokhoz numerikus programot kellett megoldani, amelyhez Ágoston Gábor matematikus számítógépes programja szolgált alapul. Mivel eredményül az adódott, hogy a magreakciók csak rendkívül magas hőmérséklet esetén játszanak döntő szerepet, ezért újra meg kellett vizsgálni, miféle folyamatok jöhetnek szóba az instabilitások előidézésére. Ezen vizsgálatok során derült fény 2005-ben a napmag plazma halmazállapotával összefüggő fűtési folyamatok felfedezésére. Arra is fény derült, hogy ha az áramerősség nagy, mégiscsak szerepet játszhatnak a magreakciók a buborékok képződésében, újabb energiaforrást biztosítva a buborékok számára. Mivel az áramszálak felizzó villámai nagyon magas hőmérsékletre fűthetik fel az anyagot – igaz, csak kis körzetben, és csak rövid ideig – ezért abban a körzetben olyan különleges nehéz elemek képződhetnek, amelyeket már régóta megfigyeltek a napkitörések anyagában (3. és 4. kép). Így – mintegy mellékesen – a kapott eredmények egyik következményeként megoldhatóvá vált a nitrogén-enigma. A Science tudományos folyóirat még a nyolcvanas években közölte le Kerridge, a kaliforniai egyetem professzora tanulmányát, amiben kimutatta, hogy a nitrogén 15-ös izotópjának gyakorisága folyamatosan nő a Nap életkorával. Csakhogy a standard napmodell szerint a nitrogén 15-ös izotópja gyakoriságának folyamatosan csökkennie kellene. A nitrogén 15-ös izotópjának termeléséhez 100 millió fok feletti hőmérsékletre van szükség. Ezt a magas hőmérsékletet is magyarázza a két éve napvilágot látott napmag-modell.

Űrszondák a napmag változásainak vizsgálatára

A tudomány haladásával jár, hogy a napmag változásait tagadó harmadik ellenvetése is nemsokára elesik. A SOHO (1995-2007) japán űrszonda (5. kép) GOLF berendezésének mérései alapján Sylvaine Turck-Chieze, a francia központi űrkutatási laboratóriuma professzorának és munkatársainak sikerült kimutatnia a napmag dinamikus folyamataira utaló fontos jeleket. Tavaly októberben a Los Alamos-i elektronikus könyvtárban, a nyomtatásban megjelenést megelőlegezve adták közre a g-módusú, felhajtóerő által keltett hullámok létének 99,86%-os megbízhatóságú mérési bizonyítékát. A mérések azt bizonyítják, hogy ezek a hullámok sokkal komplexebbek, mint azt várták. Tudományos szenzációnak számít az is, hogy a legújabb mérési eredmények elemzései szerint a napmag forgása jóval gyorsabb, mint a sugárzási zóna felette található rétegeié. Modellszámításaik és a mérések összevetéséből fény derült arra is, hogy a mágneses tér értéke szintén jóval nagyobb a vártnál, legalább 300 000 Gauss. Ezek az új eredmények megerősítették a napmag dinamikus folyamatainak létét.

Ezen a téren hamarosan további áttörés várható. Már 2006-ban munkába állt a GOLF-NG spektrométert hordozó DynaMICS szonda egy prototípusa Tenerifében, amit pedig kimondottan a Nap sugárzási zónájában terjedő g-hullámok vizsgálatára és a napmag mágneses terének meghatározására terveztek. Maga a teljes szonda is üzembe kerül nemsokára, 2009-ben. 2008-ban a g-módusú hullámok közvetett mérésére alkalmas, a Nap átmérőjének és sugárzásának mérésére kifejlesztett PICARD mikroszondát lövik fel. A szakirodalomban már megfigyelhető a napmag dinamikájával foglalkozó cikkek fokozatos szaporodása. Már az az észrevétel is megfogalmazódott, hogy a napmag változásaira irányuló vizsgálatoknak kiemelt prioritást kell kapniuk.

Grandpierre Attila

1. kép. A Nap belsejének szerkezete. A Nap felszíne alatt fekszik a konvektív zóna, alatta a sugárzási zóna, melynek középső része az energiatermelő mag.

2. kép. A forró buborékok útja a napmagból a konvektív zóna tetejéig

A napmagban felizzó áramszálak jelentősen felfűthetik az adott körzetet. Amikor a fűtés energiája elegendően nagy, a képződő forró buborékok meghatározott feltételek mellett kijuthatnak a napmagból, és a sugárzási zóna külső részén át elérhetik a konvektív zóna tetejét is. Ezek a forró buborékok a Nap felszíne alatt elérhetik a hangsebességet. A fellépő hangrobbanás szétrombolja a buborékokat, nagy sebességű részecskenyalábot lő be a buborékok által maguk előtt hozott mágneses erővonal tetejébe. Az így keletkező hirtelen fényfelvillanás lehet a napkitörések (a fler jelenség) magyarázata. Tény, hogy a napkitörések anyaga nehéz elemekben jóval gazdagabb környezeténél. Az új számítások ezt a napmag, illetve a sugárzási zóna kis, 1-10 kilométeres körzetének hirtelen felfűtésével magyarázni tudják. A kép azt mutatja, hogy a napmagból induló forró buborékoknak 10³⁸ erg, a napmag határáról induló forró buborékoknak 10³⁵ erg, a sugárzási napmag széléről induló forró buborékoknak 10³¹ erg energiára van szükségük ahhoz, hogy kijuthassanak a Nap felszínéig.

3. kép. Többmilliárd tonna anyagot kidobó napkitörés (Coronal Mass Ejection, CME) szemléltetése. A LASCO űrszonda felvétele.

4. kép. Az űrbeli időjárás három legfontosabb tényezőjének egy képen ábrázolva. Napkitörés a Nap légkörében, sarki fény az űrből nézve és sarki fény a Földről nézve.

5. kép. A SOHO űrszonda.