KIVONAT Korábbi munkáinkban egy sor jelenséget ismertettünk, melyek azt jelezték, hogy a szoláris plazmaáramok hatással lehetnek bizonyos troposzféra-folyamatokra. A jelen munkában annak az eredménynek a hátterét igyekeztünk feltárni, mely szerint a troposzféraválasz különbséget tesz a különböző eredetű szoláris plazmaáramok, nevezetesen a CME-k (Coronal Mass Ejections) illetve a gyors napszélnyalábok között. A kérdés az, hogy melyek a lényeges különbségek e plazmaáramok között. A vizsgálat az OMNI adatbázisra épült, és a plazmaáramok sebességét, valamint mágneses komponenseit vette szemügyre. Csak azokat az éveket tekintettük, melyekben a Nap és a Föld mágneses dipólterének iránya ellentétes. Az esesményeket alacsony, közepes és nagy sebességű csoportokba soroltuk és a By és Bz komponenseket, valamint ezek fluktuációit vizsgáltuk. Több olyan karakterisztikus különbség is jelentkezett, melyekre a troposzféraválasz is érzékeny lehet.

A naptevékenységnek az alsó légkörre kifejtett hatására vonatkozóan hosszú ideje az a legelterjedtebb vélekedés, hogy azt alapvetően a Nap össz-sugárzásának (irradianciájának) ingadozásai idézik elő. Ez a vélekedés arra az érvre épül, hogy az irradiancia révén hét nagyságrenddel nagyobb energiaáram éri a Földet, mint a részecskeáramok révén. Másrészt viszont az is igaz, hogy a naptevékenység az irradianciában a nyugalmi értékhez képest csak néhány ezreléknyi, míg a részecskeáramokban több száz százalékos változékonyságot is eredményezhet, ezért egy sor korábbi közleményt szenteltünk azon kérdés vizsgálatának, hogy a Nap korpuszkuláris sugárzása hosszú távon hatással lehet-e az alsó légköri folyamatokra. A vizsgálatokat a létező leghosszabb adatsorokon végeztük, a szoláris plazmahatást a geomágneses 22-index, a troposzféraválaszt a földfelszíni hőmérsékletadatokkal jellemeztük, ez az egyetlen párosítás, mely (a vizsgálat idején) 119 éves intervallumon tette lehetővé a munkát.

Ezek a vizsgálatok feltártak néhány sajátságot és szabályszerűséget azon troposzférikus jelenségek között, melyek plazmahatásokhoz köthetők. A legfontosabb sajátság, hogy a válasz függ attól, hogy a Nap mágneses dipóltere (mely kb 11 évenként irányt vált) azonos vagy ellentétes irányú a Földével. A másik fontos jellegzetesség, hogy a válasz féléves fluktuációt mutat (mely szintén függ a dipóltér irányától), ennek hátterét a jelen szeminárium egy másik beszámolójában vizsgáljuk meg. A harmadik sajátság az, hogy a troposzféraválasz különbséget tud tenni a különböző eredetű plazmaáramok, nevezetesen a CME-k és a gyors napszélnyalábok között. A teljesség kedvéért felidézzük itt az erről szóló közleményünk (Baranyi, Ludmány, 1995b) egyik ábráját. Az 1. ábrán 59 európai
(nyugat- és közép-európai) meteorológiai állomás adatai alapján nyert eredmények láthatók. A teljes időszakból elkülönítettük azokat az éveket, melyekben végig vagy parallel, vagy antiparallel irányú volt a két dipóltér. Azokat a szoláris hatásokat is elkülönítettük, melyek különböző forrásokból származtak: minden évben megadhatók voltak azok a számok, melyek a fluktuáló és shock aktivitást (az aktivitási zónából eredő plazmaáramokat) illetve a rekurrens zavarokat (a poláris koronalyukakból eredő gyors napszélnyalábokat) jellemezték, és ezen paramétereknek az évi átlaghőmérsékletekkel való korrelációja van feltüntetve az 1. ábrán. Látható, hogy antiparallel években pozitív korrelációt kapunk a gyors napszélnyalábokkal és eltűnő vagy negatív korrelációt az aktivitási zónából érkező hatásokkal, míg parallel években fordított a helyzet. Ilymódon az az érdekes következtetés adódik, hogy még az alső légköri válasz is képes különbséget tenni a kétfajta globális (a toroidális ill. poloidális) mágneses térből eredő hatások között, ráadásul a globális dipóltér irányától függően.

1. ábra 59 európai meteorológiai állomás (függőleges tengely) hőmérséklet-adatainak korrelációja (vízszintes tengely) az aa-indexszel. Az ábrán elkülönítve láthatók az aktivitási zónából érkező plazmaáramok hatásai (az ún. shock és fluctuating activity - üres és telt négyzetek) illetve a poláris koronalyuka
A fentiek csak fenomenológiai megközelítést jelentenek, ha meg akarjuk érteni a jelenség mögött rejlő fizikai mechanizmust, akkor azt kell szemügyre vennünk, hogy a Nap és Föld között közvetítő plazmaáramoknak melyek azok a sajátságai, amelyek hasonló időbeli viselkedést mutatnak, hiszen ezek között kell keresni az adott szoláris mágneses viszonyokra vonatkozó információhordozókat. A lehetséges jelöltek nyilván a sebesség és a mágneses komponensek között keresendők, továbbá mindig érdemes az éves viselkedést ábrázolni az említett féléves fluktuáció miatt.

Arra vonatkozóan, hogy ezek a tényezők milyen szerepet játszanak egy plazmaáram-magnetoszféra kölcsönhatásban, ismeretes Akasofu (1979) formulája. Akasofu azt találta, hogy egy geomágneses vihar összenergiája, valamint az északi auróraövezet AE indexe jó korrelációt mutat a következő mennyiséggel:

Tinsley (2000) azt találta, hogy a szoláris részecskeáramok és az atmoszférikus cirkuláció közti kapcsolat a J_z levegő-Föld áram révén valósulhat meg, melynek változásait a napszél befolyásolja. A globális elektromos áramkör alapeleme a poláris régió dusk-down elektromos potenciálja, melyet alapvetően a B_z hoz létre, de a B_y szintén szerepet játszik benne azáltal, hogy befolyásolja annak eloszlását a poláris régióban. Ez a körülmény lehetővé teszi azt, hogy az IMF komponensek viselkedése befolyásolja a globális elektromos áramkört, melynek Tinsley szerint fontos szerepe van a felhők mikrofizikai folyamatain, konkrétan a cseppképződésen keresztül a troposzférára. Tinsley modellje egy lehetséges forgatókönyvet kínál arra, hogy a szoláris plazmaáramok hogyan befolyásolhatják az időjárási folyamatokat.

A fenti empirikus és elméleti eredmények alapján a következő mennyiségek vizsgálata látszik célszerűnek: sebesség, B_z és B_y komponensek a GSE rendszerben (Geocentric Solar Equatorial system) mérve, valamint e komponensek varianciái, továbbá azon időtartamok hossza, melyek alatt a Föld egy konkrét hatásnak van kitéve.

Az IMF-komponensek és a Kp index adatait az OMNI adatbázisból vettük, mely több űreszköz mérési adatainak órás átlagait tartalmazza az interplanetáris plazmára vonatkozóan. Az OMNI anyagot a National Space Science Data Center gondozza (King, Papitashvili, 1994).

A vizsgálatokhoz a geomágnesesen aktív órákat tekintettük, melyek elkülönítéséhez a háromórás K_p indexet használtuk. A szelekciós kritérium K_p>3 volt, (ez az OMNI formátumban 30-as értéket jelent), és a továbbiakban az ezt előidéző eseményeket tekinjük geoeffektíveknek. Ez a kritérium hasonló nyugodt-aktív szeparációt eredményez, mint a korábbi munkáinkban követett aa>19 kritérium.

Parallel ill. antiparallel éveknek azokat tekintettük, melyekben a Nap mágneses dipólterének iránya a Földével megegyező vagy ellentétes az egész év folyamán. Ezen évek szétválogatása Makarov és Sivaraman (1986) adatai alapján történt, akik megadták a pólusváltások időpontjait. A jelen munka az 1972-80 antiparallel évekre koncentrál, az antiparallel-parallel összehasonlítást a szeminárium egy másik beszámolójában mutatjuk be.

Akasofu formulája szerint egy adott aktivitási szintet egyaránt okozhat lassú áram erős mágneses térrel, vagy gyors áram relatíve gyengébb térrel. Azért, hogy eldönthessük e tényezők szerepét a különböző esetekben, a sebességet három csoportra osztottuk, lassú (vŁ420 km/s), közepes (420<vŁ 540 km/s) és nagy sebességű (v>540 km/s) csoportokra. További kritérium a fentebb említett Kp>3 küszöbérték, mely a nyugodt és zavart órákat különíti el. Az egyes csoportokban az áramok domináns típusát abból a tényből eredeztethetjük, hogy a CME-k átlagsebessége egy csillagászati egységnél kb 450 km/s (Richardson et al. 2002). A CME-k jelentős része a kis sebességű csoportba esik, a rekurrens áramok ebben a csoportban nem játszanak szerepet geoeffektivitás szempontjából. A legtöbb CME a közepes sebességű csoportba tartozik. Ugyanakkor a koronalyukakból származó áramok egy része is ebbe a tartományba esik, tehát ez a csoport vegyes eredetű. A magas sebességű csoportot egyértelműen a koronalyukakból érkező áramok uralják.

A 2. ábra a negatív Bz, és a By komponens havi átlagait mutatja, valamint ezen értékek varianciáit a GSE rendszerben, a variancia itt úgy értendő, hogy az OMNI-adatbázisban órás átlagok szerepelnek, de a mérések ennél gyakoribbak és az OMNI azt is megadja, hogy mekkora volt egy órán belül az adott paraméter fluktuációja, ezt hívjuk itt varianciának, az ábrán pedig a zavart időszakok varianciáinak havi átlagai szerepelnek. A Bz komponensnek csak negatív értékeit tekintettük, mert ezek geoeffektívek. A havi átlagok éves eloszlását azért alkalmazzuk, mert szeretnénk tudni, hol jelentkezik a bevezetőben említetthez hasonló féléves jelleg.

A 2. ábra első sora mutatja a By viselkedését a sebességtől függően. Nyugodt órákban (K_pŁ3) a függés mértéke csekély, de zavar idején (K_p>3) By erős függést mutat a sebességtől. A nyugodt és aktív órák közötti különbség csökken a sebesség növekedésével. Hasonló a helyzet a Bz-re a Bz<0 esetekben. A negatív Bz átlagai nyugodt órák esetén közel azonosak, de zavar idején a sebesség növekedésével csökkennek (harmadik sor). Ha a sebesség mérsékelt (középső oszlop), gyengébb negatív Bz értékek is elegendőek a Kp>3 állapothoz, mint kis sebességek esetén. Ha gyors széláram éri el a Földet (harmadik oszlop), akkor nincs lényeges különbség a nyugodt és zavart órák közepes Bz értékei között, gyors széláramokra a Kp>3 és K_pŁ3 esetek gyakorlatilag megegyeznek. Az alacsony sebességű eset is mutat egy érdekes sajátságot: napéjegyenlőségek idején gyengébb negatív Bz is elegendő ahhoz, hogy zavart okozzon.

A Bz és By értékek varianciái (második és negyedik sor) növekszenek a sebességgel. Ennek a sebességfüggő varianciának az oka az, hogy a nagysebességű áram egyrészt összenyomja az előtte haladó lassabb áram mágneses terét, másrészt nagy amplitúdójú Alfvén-hullámokat kelt (Tsurutani et al. 1994). A Kp indexet háromórás időközönként adják meg és ezalatt a Bz irányának bármely gyors és erős fluktuációja zérus átlagértéket eredményezhet, jóllehet, a Bz rövid ideig tartó erős negatív értékei nagy geomágneses aktivitást mutatnak. A variancia az energiatranszport tartamát is befolyásolja, ami szintén fontos egy részecskeáram geoeffektivitása szempontjából. CME-k esetén a variancia alacsony, de nem ritka, hogy a negatív Bz időszaka 15 óránál hosszabb. Gyors széláramok esetén a negatív átlag Bz időszakok rövidebbek, de még e rövid időszakokban is megszakított az energiabetáplálás az IMF nagy varianciája miatt.

Az ötödik sor azt demonstrálja, hogy lassú szél esetén általában nyugodt geomágnese időszakok észlelhetők, de ha erős negatív Bz van jelen (általában CME miatt), akkor az előidézi a zavart. Nagysebességű áramok esetén a Kp általában magas, ilyenkor a Kp>3 órák száma kb kétszer olyan magas, mint a K_pŁ3 óráké.

Gonzalez et al (1999) rámutatnak, hogy CME-k geoeffektivitásának fő tényezője az IMF déli komponensének (Bs) intenzitása és tartama. Intenzív vihart okozhat az, ha több mint három órán keresztül Bs>10nT a GSM rendszerben. Ha a CME-nek nincs jelentős Gs kkomponense, vagy az erősen fluktuál, akkor a CME csak kis, vagy mérsékelt vihart okozhat. A Bs erőssége a CME sebességétől függ, ha az mágneses felhő, de nem függ tőle, ha az nem felhő-esemény. Igy átlagosan csak gyenge kapcsolatot várhatunk a CME-k sebessége és geoeffektivitása között. Ezt erősítették meg Cane et al. (2000), akik CME eseményekben erős korrelációt találtak a Dst index és az IMF déli komponense között. Ezzel szemben, a vihar erőssége (Dst) és a CME áthaladási sebessége közötti kapcsolatot gyengének találták.

Gonzalez et al. (1999) azt is kimutatták, hogy az együtt forgó (korotáló) áramok kevéssé geoeffektívek, mint a CME-k. A hatás fő tényezője az erősen fluktuáló Bz komponens, mely megszakított rekonnekciót és megszakított szubvihar-tevékenységet (nagy AE) valamint a plazmaréteg energiáját bejuttatja a gyűrűáram külső tartományába. Ez kicsiny, de elnyújtott lecsengésű Dst eseményt, valamint nagy intenzitásű, hosszú időtartamú, folyamatos AE eseményt (High Intensity Long Duration Continuous AE Activity - HILDCAA) okoz. Ez arra utal, hogy ebben az esetben a bejövő energia főképp az aurórális electrojet tartományában disszipálódik. Mivel a sebesség növekedésével növekszik a fluktuáció is, a napszél geoeffektivitása függ a sebességtől. További energiaelnyelés történhet a viszkózus kölcsönhatás révén (Kelvin-Helmholz instabilitás, vagy mágneses burok [magnetosheath] kereszttér-diffúzió a magnetopauza határfelület-hullámai révén), bár e kölcsönhatás hatékonysága kb 1 %-körüli.

A CME-k és széláramok között hasonló különbségeket találtak Huttunen és munkatársai (Huttunen et al 2002a, 2002b). Eltéréseket mutattak ki a (nagyrészt a magas szélességű aurorális electrojet által befolyásolt) Kp index és a (főként az egyenlítői gyűrűáram által befolyásolt) Dst index viselkedése között. Azok a viharok, melyeket a kölcsönhatási tartományok (a lassú és gyors áramok között feltorlódó felületek) vagy a gyors széláramok okoznak általában gyenge, vagy közepes Dst értékeket mutatnak, miközben a Kp index általában nagyobb aktivitást jelez. A Kp index erőteljesebben reagál a rövid idejű és erős negatív Bz -jű eseményekre, mely sajátságok a shock utáni áramokra és a CME-k burokrészére is jellemzők. Ez megmagyarázhatja azt, hogy - jóllehet, a vizsgált esetekben erős korreláció volt a Dst és Kp indexek között - különbségek is vannak közöttük. Ha a vihar egy shock-kal, vagy egy CME-buroktartománnyal kapcsolatos, akkor a Kp index valószínűleg erősebb vihart jelez. Ha a shock-ot egy anyagkidobódás (ejecta) követi, akkor valószínűleg a Dst jelez erősebb vihart. Az utóbbi esetben a Dst index nem éri el a csúcsértéket, mielőtt a kidobott plazma elérné a magnetoszférát. Ugyanakkor a Kp általában megtartja azt az értékét, melyet a buroktartomány áthaladása idején elért, vagy elkezd csökkenni.

A mi eredményeink egybecsengenek a fentiekkel. Ezek alapján megállapíthatjuk, hogy a nagysebességű széláramok esetén a nagy változékonyság játszik döntő szerepet a geomágneses aktivitás és légköri válaszok kiváltásában, míg a CME-k esetén az erős és hosszantartó negatív Bz dominál. Ez utóbbi esetben azok a folyamatok lehetnek lényegesek, melyek gyengék, vagy hiányoznak a nagysebességű áramoknál. Akasofu (1979) szerint az összes disszipált U energia magában foglalja a gyűrűáram-energiát, az aurorális electrojettel kapcsolatos joule-hőenergiát és azt a kinetikus energiát, melyet az aurorális részecskék a poláris ionoszférába szálítanak. Kézenfekvőnek látszik, hogy az a mód, ahogyan az összenergia eloszlik ezen energiafajták között, attól függ, hogy az IMF nagy fluktuációja, vagy a stabil negatív Bz az uralkodó-e.

Jóllehet, mindkét áramfajta hatással van a poláris régióra, hatásuk ezen régióban is különböző (Legrand & Simon, 1989). Az aurórák keskenyebb szélességbeli zónára koncentrálódnak nagysebességű áramok esetén, mint CME-k során. Az előbbiek aurórális hatásai magasabb szélességeken is jelentkeznek, mint az utóbbiakéi. Ők azt állapították meg, hogy az ionoszférába gyorsított részecskefluxus nagyobb a shock esetén, mint gyors széláramok következtében és ez a gyorsítás alacsonyabb invariáns szélességeken történik, mint a gyors szélárammal kapcsolatos tevékenység idején.

A kétfajta szoláris plazmaáram hatásait a következőképp hasonlíthatjuk össze:

A CME-k elsősorban nagy Bz és By komponenseikkel hatnak a Földre. A negatív Bz időtartama hosszú (3-21 óra), így hosszú ideig lehetséges jelentős energia- és részecsketranszport. A CME-k által kiváltott légköri választ elsősorban azok a mechanizmusok határozzák meg, melyek stabil Bz és By komponenseket kívánnak meg több órán keresztül, vagypedig a gyűrűáram energiájának disszipációjával kapcsolatosak. Azok a részecskék, melyek közepes szélességekig le tudnak hatolni, részt vehetnek a légköri folyamatokban.

A gyors széláramok elsősorban az általuk kiváltott fluktuációk révén hatnak a Földre. Hatásuk többé-kevésbé a poláris régióra korlátozódik és a bejövő energia nagyrészt az aurorális electrojet révén disszipálódik. Ezért csak azok a légköri folyamatok aktivizálódhatnak, melyek gyorsan képesek reagálni a mágneses tér fluktuációira, vagy amelyek kapcsolatban állnak az aurorális electrojet-tel. A nagysebességű áramok a viszkózus kölcsönhatás szerepét növelik meg, bár ezek hatékonysága elég alacsony.

A fenti sajátságok segíthetnek abban, hogy megértsük az 1. ábrán bemutatott sajátságot. Az a sejtésünk, hogy a szoláris plazmaáramok a Tinsley (2000) által javasolt mechanizmus révén befolyásolhatják az alsó légköri eseményeket. Amint a bevezetőben említettük, Tinsley szerint a troposzféra-folyamatokban fontos szerepet játszik a globális elektromos áramrendszer, melynek generátorát az egyenlítői viharzóna villámai jelentik, az áramkör különböző szakaszai pedig az ionoszféra, a poláris áramok (electrojet) és a talaj felszín-közeli részei. Ez az áramkör különbözőképp reagál a különböző eredetű szoláris plazmaeseményekre, elsősorban a poláris zónában, tehát ezek az események különböző troposzférikus hatásokkal járhatnak. Ez a kérdés további vizsgálódást igényel.

IRODALOM

Akasofu, S.-I., Interplanetary energy flux associated with magnetospheric substorms, Planet. Space Sci., 27, 425-431, 1979.

Baranyi, T., and A. Ludmány, Distinction between the climatic effects of the solar corpuscular and electro-magnetic radiation, Sol. Phys., 152, 297-302, 1994.

Baranyi, T., and A. Ludmány, Role of the solar main magnetic dipole field in the solar-tropospheric relations. Part II. Dependence on the types of solar sources, Ann.Geophys., 13, 886-892, 1995.

Baranyi, T., and A. Ludmány, and H. Coffey, 22-year solar modulation of Earth's northern hemisphere temperatures, Geophys. Res. Lett., 25, 2269-2272, 1998.

Baranyi, T., and A. Ludmány, Effects of solar polarity reversals on geoeffective plasma streams, submitted to J. Geophys. Res. 2002.

Cane, H.V., I.G. Richardson, and O.C. St. Cyr, Coronal mass ejections, interplanetary ejecta and geomagnetic storms, Geophys. Res. Lett., 27, 3591-3594, 2000.

Gonzalez, W.D., B.T. Tsurutani, and A.L. Clúa de Gonzalez, Interplanetary origin of geomagnetic storms, Space Sci. Rev., 88, 529-562, 1999.

Huttunen, K.E.J., H.E.J. Koskinen, and R. Schwenn, Variability of magnetospheric storms driven by different solar wind perturbations, J. Geophys. Res., in press, 2002a

Huttunen, K.E.J., H.E.J. Koskinen, and R. Schwenn, 2002, Response of magnetic indices to different solar wind disturbances, ESA SP-477, 339-342, 2002b

King, J.H., and N.E. Papitashvili, Interplanetary Medium Data Book, Suppl. 5, 1988-1993, NSSDC/WDC-A-R&S 94-08, NASA/National Space Science Data Center, GSFC, Greenbelt, Maryland, 1994.

Legrand J.P. and P.A. Simon, Solar cycle and geomagnetic activity: A review for geophysicists. Part I. The contribution to geomagnetic activity of shock waves and of the solar wind, Ann. Geophys., 7, 565-578, 1989.

Makarov, V.I., and K.R. Sivaraman, On the epochs of polarity reversals of the polar magnetic field of the sun during 1870-1982, Bull. Astr. Soc. India, 14, 163-167, 1986.

Richardson, I.G., H.V. Cane, and E.W. Cliver, Sources of geomagnetic activity during nearly three solar cycles (1972-2000), J. Geophys. Res., in press, 2002

Tinsley, B.A.: Influence of solar wind on the global electric circuit, and inferred effects on cloud microphysics, temperature, and dynamics in the troposphere, Space Sci. Rev., 94, 231-258, 2000.

Tsurutani, B.T., C.M. Ho, E.J. Smith, M. Neugebauer, B.E. Goldstein, J.S. Mok, J.K. Arballo, A. Balogh, D.J. Southwood, and W.C. Feldman, The relationship between interplanetary discontinuities and Alfvén waves, Geophys. Res. Lett., 21, 2267-2270, 1994.