A rejtélyes Napenergia

A Nap szüntelenül kavargó felszínű, gigászi nukleáris reaktor, nukleárisan túlhevített, tomboló gázgömb. Háborgó napviharokat és részecskék özönét zúdítja a Föld felé. Tüzes felszínét napfoltok törik meg, roppant mágneses tere pedig átjárja a Naprendszert.

A Nap olyan hatalmas, hogy a belsejében több mint egymillió Föld férne el. Ő teszi lehetővé a földi életet. Nap nap után folytonos energia áradattal mozdítja elő a növények és az erdők növekedését. Négy és félmilliárd éve táplálja bolygónkat.

Az emberiség szemében a Nap energiája kimeríthetetlennek tűnik. Mintegy 10 ezer éve, az utolsó jégkorszak óta a Föld mérsékelt éghajlata tette lehetővé az ember elterjedését és a műszakilag fejlett társadalmak felépítését. Ám ez nem feltétlenül tart örökké. Lassan rájövünk, hogy bolygónk kapcsolata a Nappal bonyolult és viharos. Rendszeresek a napviharok. A Nap felszínéről hatalmas plazmafelhők törnek fel és csapnak le a Föld felső légkörére, olykor műholdakat és elektromos hálózatokat is tönkretéve.

Mindennapi tudomány – Napenergia Lehet, hogy a Nap fogja megmenteni az emberiséget a maga okozta globális felmelegedés okozta katasztrófától? Világszerte tudományos műhelyek egész sora kutat olyan – eddig feltáratlan – mechanizmusok után, melyeken keresztül a folyamatosan változó Nap hatást gyakrolhat a Föld klímájára. Vajon mit hoznak számunkra a jövőben az olyan égi jelenségek, mint a kozmikus sugárzás, a napszél, vagy éppen a ciklikusan erősödő-gyengülő napfolt-tevékenység? A Mindennapi Tudomány sorozat korunk legaggasztóbb és legcsodálatraméltóbb természeti jelenségeinek ered a nyomába a tudomány és a technika modern eszközeivel felszerelkezve. Az aktuális rész megtekintő a National Geographic Channel műsorán. Mikor? Május 7-én (csütörtökön) 19 órától

Napfoltok és napkitörések
A Nap és a Föld mágneses tere között minden pillanatban csata dúl. Ezek a napkitörések a Nap mélyéről erednek. A felszínt elérve láthatóan sötétebb területeket, úgynevezett napfoltokat hoznak létre. A mágneses tevékenység 11 éves ciklus szerint fokozódik és csillapodik. A napfoltok száma a ciklus tetőpontján a legmagasabb, a minimum idején pedig a legalacsonyabb. De mi közünk van mindehhez itt, a Földön, 150 millió kilométeres távolságban?

A kutatók csak most kezdik megérteni, hogy ennek a mágneses térnek sokkal jelentősebb hatása lehet, mint gondolták. Elképzelhető, hogy az éghajlat változásaiért is ez a felelős. A Föld történetéből fennmaradt nyomok alapján a naptevékenység változása mérhetően befolyásolja a globális éghajlatot.

A világűrbe telepített obszervatóriumok páratlan képet nyújtanak a Nap tevékenységéről. A NASA 2006 ban két korszerű iker-műholdat állított pályára, a napkitörések és napfoltok közvetlenebb tanulmányozására. A mélyben zajló mágneses tevékenységnek ezek a látható megnyilvánulásai az egész Naprendszerre hatással vannak. A kutatók az 1950 es évek B kategóriás filmjeiből ellesett trükkel állítják elő a Nap térbeli képét. A térbeli modell kulcsfontosságú új adatokat szolgáltat az ionizált plazma hatalmas robbanásairól, vagyis a napkitörésekről.

Ilyenkor több milliárd tonna forró gáz tör ki az űrbe és söpör végig a Föld légkörén, létrehozva a látványos északi és déli sarki fényt. A kitörések lényegében elektromos viharok, amelyek az űrjárműveket és a földi elektromos hálózatot veszélyeztetik. A GPS t is megzavarhatják. A Nap kitöréseit a Nap gázfelszínét áttörő mágneses erővonalak okozzák, amelyek felkavarják és kitaszítják a forró gázokat és az ionizált részecskék áradatát. Ez az úgynevezett napszél legerőteljesebb formája. A kitörések egy része csak két nap alatt jut el a Földig, a legnagyobbak azonban már 12 óra alatt megérkeznek.

Azoknak, amelyek a legjobban érdekelnek minket, mert éppen felénk tartanak, különösen nehéz felmérni a sebességét. Egy egyszerű kísérlet is jól szemlélteti, hogy a kutatók hogyan tudják két műholddal megmérni a napszél sebességét.

Azáltal, hogy a napkitöréseket nem csak szemből, de oldalirányból is tanulmányozzuk, a sebességükön felül a forrásukat is megállapíthatjuk. Kiderült, hogy kitörések a napfoltok közeléből származnak. A Nap felszínének ezeket a sötét területeit egészen a 20. századig rejtély övezte, amikor a kutatók rájöttek, hogy a Nap magjában hőt termelő folyamattal állnak kapcsolatban. Amint a tudósok megállapították, hogy a Nap nukleáris reakciókból nyeri az energiáját, a megoldás is egyértelművé vált. A Napban és a többi csillagban zajló magfúzió lehetővé teszi a nagy erejű mágneses jelenségek létrejöttét, amelyek egybeolvadnak és kihúnynak, kialakítva a napfoltokat. Mindezt szerencsére itt a Földön, a saját konyhánk kényelmét élvezve is szemléltethetjük.

A NASA csillagásza, Sten Odenwald a mágneses erővonalakat a spagettihez hasonlítja. A Nap felszínét rendkívül forró gáz alkotja, amely úgy kavarog, mintha forrásban lenne. A fazékban is azt látjuk, hogy a forró víz felemelkedik a felszínre, ott leadja a hőt, majd ismét az edény aljára süllyed, ahol felmelegszik. A tekergő spagetti szálak olyanok, mint a Nap felszíne alatt kígyózó mágneses erővonalak. Amikor ezek a terek áttörik a felszínt, akkor a napfoltok, kitörések és hasonló jelenségek körül sűrűsödnek össze. A napfoltokat okozó örvénylést nemcsak a hő, hanem a Nap forgása is okozza.

A kőzetbolygóknak, amilyen a Föld, minden része egy ütemben forog. A Nap viszont gázgömb, amelyre ezek a szabályok nem érvényesek. Az egyenlítő 25 nap alatt körbefordul, ami a sarkoknak 35 napot vesz igénybe. A mágneses tér hurkai a forgástól megnyúlnak és eltorzulnak. Ahol áttörik a felszínt, ott megjelennek a napfoltok. Egy ilyen napfolt óriási. Az afrikai földrész méretétől az egész Föld átmérőjének 30-szorosáig is változhat. Tudomásunk szerint minél nagyobb a folt, annál kevésbé kiegyensúlyozott az alatta húzódó mágneses tér, ez pedig súlyosabb viharokhoz és a láthatatlan röntgen és gammasugárzás felerősödéséhez vezet.

A legkülönösebb, hogy egyáltalán nem sötétek, csak az őket körülvevő ragyogás miatt tűnnek annak.
A valóságban egy napfolt tízszer fényesebb, mint a telihold.

Befolyásolják az éghajlatot?
A napfoltok ablakot nyitnak a Nap rejtett mágneses működésére, de lehet egy másik, sokkal prózaibb hatásuk is, amit csak mostanában kezdünk megérteni. A középkori csillagászok nem is sejthették, hogy a napfoltok számának drámai visszaesése kapcsolatban állhat az éghajlat jelentős változásának időszakával, melyet ma Kis Jégkorszakként ismerünk. Gyötrelmes idők jártak, a termés sok helyen elpusztult és számos vidék lakhatatlanná vált. A csillagászok ugyanolyan jól ismerik a napfoltokat, mint a bolygókat vagy a Holdat. De a 19. század közepéig csupán tudományos érdekességek voltak.
Ma viszont egyes tudósok azt állítják, hogy a napfoltok egy olyan titokzatos mechanizmus látható jelei, amely a múltban jelentősen befolyásolta a Föld éghajlatát. Elméleteiket a napfoltoknak a csillagászok által évszázadok óta nyilvántartott száma és az időjárási feljegyzések között mutatkozó összefüggésre alapozzák.

A felszíni napfoltok száma, a kitörések gyakorisága és az ultraibolya sugárzás mennyisége mérhető hatást gyakorol a Föld éghajlatára. Az első, napfoltokról szóló beszámoló i. e. 800 ból származik, de Galilei volt az első csillagász, aki tudományosan vizsgálta a napfoltokat. Köztudott, hogy a helyzetüket is berajzolta a jegyzetfüzetébe.

A csillagászati feljegyzésekből kiderül, hogy a napfoltok 1645 és 1714 között szinte teljesen hiányoztak. Ugyanebben az időszakban élte át Európa és Észak-Amerika a Kis Jégkorszaknak nevezett, mintegy 500 évig tartó lehűlést. A Kis Jégkorszakon belül is volt egy rövidebb, kegyetlenül hideg szakasz, a valamivel több mint 70 évig tartó úgynevezett Maunder-minimum.

A Kis Jégkorszak idején telente Manhattanből egészen a Staten Island ig el lehetett sétálni a jégen.
Londonban a Temze több hónapra befagyott. A londoniak még vásárt is rendeztek a folyón. Az a tény, hogy ez a rendkívül hideg időszak részben egybeesett a napfoltok megfogyatkozásával, azóta is foglalkoztatja a tudósokat. Sok elmélet forog közszájon a Nap és az éghajlat változásainak kapcsolatáról, a Nap fényessége és a felszíni hőmérséklet közvetett összefüggései alapján. A téma ellentmondásos, hiszen a kellő megalapozáshoz a fényesség és az éghajlat változásainak hosszú távú megfigyelésére volna szükség.

Galilei feljegyzései az elsők, amelyek világos képet adnak az eseményekről. A mai kutatók azonban már több ezer évre visszamenő adatokkal rendelkeznek a napfoltokról. Rájöttek, hogy nem magukkal a napfoltokra, hanem egy olyan csillagászati jelenségre kell összpontosítaniuk, amely első látszatra független azoktól. Ez a kozmikus sugárzás.

A tudósok szerint a kozmikus sugárzás az Univerzumban elszórt forrásokból, például, hatalmas, felrobbanó csillagokból származik. Töltéssel rendelkező részecskéi csaknem fénysebességgel száguldanak. A világűrt kitölti a kozmikus sugárzás, amely folyamatosan záporozik a Földre, az intenzitását pedig visszamenőleg is nyomon követhetjük.

A légkör molekuláival kölcsönhatásba lépő sugárzás izotópokat hoz létre, például a 14-es tömegszámú szenet a fák évgyűrűiben, vagy a 10-es tömegszámú berilliumot a jégrétegekben. Az izotópok arányának mérésével a tudósok sok ezer év elteltével is feltárhatják a besugárzás rejtett hatásait.
A szén 14 izotóp alapján szó szerint évezredekre visszamenőleg nyomon követhetjük a Nap tevékenységének ciklusait.

A szén 14 és a berillium 10 szintjét a Napnak az űrben kiterjedő mágneses tere is befolyásolja, amely óriási. A hatása 13 milliárd kilométer távolságban is észlelhető, ám a mágneses tevékenység fokozódása idején ugyanez a hatás 16 milliárd kilométerre tolódik ki. Mivel a kozmikus sugárzás részecskéi töltéssel rendelkeznek, a mágneses tér eltéríti őket. Minél erősebb a Nap mágneses hatása, annál több részecskét terel félre, így azok kevesebb nyomot hagynak az ősi fákban és a lerakódó jégben.

Amikor a Nap tevékenysége 11 évenként eléri a maximumát, akkor a Nap a kozmikus sugárzás nagyobb hányadát tereli el a Földtől. A napfoltok száma tehát mintha közvetlen kapcsolatban állna az eltérített kozmikus sugárzás mennyiségével. Mindez a Maunder-minimum idején történtekkel is összhangban van.

A fák szén 14 tartalma alapján a kozmikus sugárzás ebben az időszakban erősebbé vált, ami a Nap mágneses terének gyengülésére utal. A foltok is szinte teljesen eltűntek a felszínéről. A Maunder-minimum idején kevés volt a napfolt, a kozmikus sugárzás pedig erősebb lett a szokásosnál. Más ilyen példákat is találunk. A Nap a közelmúltban minden korábbinál hevesebb tevékenységet mutatott. Ennek eredményeként a kozmikus sugárzás gyengült. A Föld mintegy 100 ezer évenként átél egy nagyobb jégkorszakot, a Nap körül leírt pályájának változása miatt.

Ez a pálya nem kör alakú és az időben változik, így a Föld hol közelebb, hogy távolabb van a Naptól.
Amikor a pálya a legjobban megnyúlik, akkor a napsugárzás 23%-ot változik a két szélső pontja között. Jelenleg ez az érték 7%, ezért a legutolsó jégkorszak óta mérsékelt éghajlatot tapasztalunk. De mi a helyzet a Nap többi hatásával, a pálya periodikus ingadozását és a forgástengely dőlését leszámítva?

Elég lehet e a Nap sugárzásának megváltozása a földi éghajlat és az időjárás befolyásolására?
A válasz az, hogy attól függ, milyen tartós egy ilyen változás. A napfolttevékenység 11 éves ciklus szerint változik. Ez nem elég ahhoz, hogy az energia kibocsátás apró változása kifejtse a hatását. Bolygónk ugyanis nem képes ilyen gyorsan felmelegedni vagy lehűlni. Kétségtelen azonban, hogy ha a Nap teljesítménye tartósan és kellő mértékben visszaesik, akkor a Föld lehűl.

A 11 éves ciklusnak nincs nagy hatása, de a napfolttevékenység nem csak e szerint ismétlődik. A leletek másféle tendenciákat is mutatnak. A Maunder-minimum talán egy hosszabb ciklus egyik állomása. Az már elég hosszú volna ahhoz, hogy kifejtse a hatását. De pontosan milyen hatást? A gondot az okozza, hogy bár a Nap tevékenységét nyomon tudjuk követni, a Föld éghajlatának azzal párhuzamos változásait nagyon nehéz felderíteni. Csak az éghajlat több ezer évet felölelő adatai alapján állapíthatnánk meg, hogy vannak e a Napnak hosszabb ciklusai és gyakorolhat-e nagyobb hatást a globális éghajlatra.

Cseppkövek a régmúlt éghajlatának tanúi
Yemane Asmerom és munkatársa, Victor Polyak az Új Mexikói Egyetem paleoklimatológusai ötletes módszert találtak a Föld múltbéli időjárásának pontos meghatározására. Az ősi barlangok álló cseppköveit használták fel. Az éghajlatnak a sztalagmitokra alapozott, több tízezer éves története meglepően jól egyezik, és rendkívül részletes. A mély új-mexikói barlangok az Egyesült Államok délnyugati részén tökéletesen rögzítették az éghajlat változásait. Ezek alapján a két kutató elkészíthette az amerikai délnyugat éghajlatának leírását, a földtörténeti jelenkor utolsó több mint 3000 évére. Ebbe a Föld történetének legújabb, az utolsó jégkorszakot követő időszaka is beletartozik.

A sztalagmitok egyik legfontosabb tulajdonsága, hogy a koruk pontosan meghatározható és a fák évgyűrűihez hasonló, évek szerinti rétegeik vannak. Ilyen finom léptékben őrzik az éghajlatváltozás nyomait. Az adatok kinyeréséhez a mintákat gondosan elő kell készíteni. A sztalagmitokat három lépésben dolgozzák fel. Először egy fúróval mintát vesznek az adott réteg pontos korának megállapításához. Aztán elkülönítik az urán és a tórium izotópjait, végül pedig tömeg spektroszkóppal vizsgálják meg az elemeket. Az eljárással az idők során lebomlott urán és a keletkezett tórium izotópok mennyiségét határozza meg. Tudva, hogy ezeknek az izotópoknak a lebomlása és keletkezése mennyi időt vesz igénybe, pontosan meg tudják állapítani a minta korát.

A kémiai és ásványtani összetétel alapján azt is meghatározhatják, hogy az adott évben milyen száraz volt az éghajlat. Megdöbbentő módon az így kapott aszályos időszakok pontosan egybeesnek a szén 14 izotóp alapján mért napfolttevékenységgel.

Eltűnt egy civilizáció
A kutatók egyedi módszere magyarázatot adhat egy ősi amerikai civilizáció eltűnésére a barlangoktól 530 kilométerre északra található Chaco kanyonnál. Az itt élő őslakosok időszámításunk szerint 850 ben telepedtek le Új Mexikó északnyugati részén. A chacói települést az amerikai őslakosok egyik területi központjának tartják. A maga idején ez fogta össze a környék életét. A világ többi településével összehasonlítva is kiemelkedően fejlett volt. A szakértők szerint 400 évvel később az éghajlat váratlanul rendkívül szárazzá vált, az őslakosok pedig véglegesen elhagyták a kanyont. Minden fejlettségük ellenére sem voltak képesek átvészelni az éghajlat ilyen végletes változását.

A sztalagmitok bámulatos pontossággal rögzítették ezeket a változásokat. Megmutatták, hogy 1250 körül valóban súlyos aszály köszöntött be. De vajon a Nap kényszerítette e változásra az éghajlatot? Vajon egyszerűen csak több hőt termelt ebben a száraz időszakban? Az időjárás és a napfoltok száma közötti statisztikai összefüggés nem ad információt arról, hogy a Nap tevékenysége hogyan befolyásolhatja az időjárást és az éghajlatot.

Mi bizonyíthatná, hogy a mágnesesen tevékenyebb Nap több hőt termel, amit itt a Földön is tapasztalhatunk? A rejtély megoldása érdekében a kutatók megpróbálták megfejteni, hogy a Nap hogyan állít elő látszólag kifogyhatatlan mennyiségű hőt és fényt. A Nap energiája a magjában uralkodó roppant nyomásnak köszönhető. Meglepő módon az energia, amelyet ma észlelünk, nem nyolc és fél perccel ezelőtt keletkezett, amennyi idő alatt a fénye elér hozzánk, hanem negyedmillió évvel korábban, a Nap magjában. A mag energiatermelésének mostani megváltozása csak a távoli jövőben mutatkozna meg. A Nap belsejében száguldozó fotonok évezredeken át cserélgetik az energiát, mielőtt kiszabadulnak és útra kelnek a Föld felé. Rejtély, hogy hogyan mérhetnénk meg a Nap energiatermelését, ha a hozzánk eljutó eredménye ennyire régi.

Wolfgang Pauli, az osztrák születésű amerikai fizikus felvetette, hogy a Nap magja semleges részecskék milliárdjait is kibocsátja, amelyek tulajdonképpen akadálytalanul jutnak el Földig, csakhogy a műszerek számára is láthatatlanok. Pauli leírása szerint elenyésző a tömegük és bármilyen anyagon képesek áthatolni beleértve az egész Földet is. A neutrinó nevet kapták.

Foolytatjuk…