1. ábra. Különböző mértékben szabályos pulzációk a nagycenki obszervatóriumból (a földi áramok kelet-nyugati komponensében). Az O-Q-W-T sorrendben csökkenő szabályosság egyúttal a héjrezonancia - upstream waves típus valószínûségét is jelzi (O: szinte mindig héjrezonancia, T: upstream waves)

A cikk első részében szó volt arról, hogy 1957-re kiderült, a geomágneses pulzációk (1. ábra) egyszerre jelennek meg a Föld jelentős részén, a Pc3 típus például a nappali oldal nagyobbik felén. Azt is tudták, hogy a jel periódusa változik a földmágneses szélességgel, észak felé egyre hosszabb, és elég jól megegyezik a magnetohidrodinamikus hullámoknak a geomágneses tér erővonalai mentén kialakuló rezonáns periódusával. Még az is ismert volt, hogy nagyobb földmágneses tevékenység esetén a periódus rövidebb, amit némileg erőltetetten úgy próbáltak magyarázni, hogy ilyenkor a magnetoszféra összenyomódik, emiatt rövidülnek az erővonalak, velük az erővonal menti rezonancia periódusa.

Az 1957-ben megindult aktív ûrkutatás eredményeként hozzáférhetővé váltak a kevéssel előbb felfedezett, a Napból folyamatosan kiáramló napszél sebességére, sûrûségére, majd a benne lévő mágnestérre vonatkozó adatok. Az nagyon hamar nyilvánvaló lett, hogy a pulzációk tevékenysége erősen függ a napszél sebességétől (2. ábra). Orosz kutatók, Gul'elmi, Pljaszova-Bakunyina és Kovner vették észre, hogy a periódus viszont a napszélben lévő mágnestér térerősségétől függ (3. ábra), emellett a mágnestér iránya szabályozza a pulzációk amplitúdóját is.

Ez a három ábra már a Nemzetközi Geofizikai Évben, 1957-ben megnyitott nagycenki, ma Széchenyi István nevét viselő Geofizikai Obszervatórium adatain alapul. A pulzációknak az előző részben ismertetett képe annak felel meg, amit az obszervatórium mûködésének megindulásakor már ismertünk.

4. ábra. A felszíni pulzációk tevékenységének erősödése UW megjelenésekor (balra fent 1984. szeptember 22., 06:28 UT). Mind Nagycenken, mind Tromsřben megnőtt a tevékenység, Nagycenken egyben héjrezonancia lépett fel, megnőtt a jelek szabályossága (O típus) is.

A napszél energiájával (sebességével), illetve a benne lévő mágnestérrel való kapcsolat egyértelmûen a Földön kívüli, a Földet körülvevő térrészbe helyezte a geomágneses pulzációk energiaforrását. Ez annál inkább valószínû volt, mert a földi mágnesteret magában foglaló térrészt, a magnetoszférát elhagyó mesterséges holdak segítségével felfedezték, hogy a magnetoszféra határa, a magnetopauza előtt, a Nap felé eső oldalon hasonló periódusú hullámok jelennek meg, mint a Föld felszínén. Az első közvetlen összehasonlítást magyar-német együttmûködésben végeztük (4. ábra). Ezeknek a hullámoknak a keletkezése a magnetoszféra határáról visszaforduló napszélprotonokkal függ össze, észlelésük nemcsak a Föld, hanem több más bolygó esetén is sikerült. Az „upstream waves"- nek (UW) nevezett jelek periódusa fordítottan arányos a bolygóközi mágnestér térerősségével, tehát a periódus mérésével elvileg meghatározható a napszélbeli mágnestér térerőssége. Ez annak a kis számú módszernek egyikét jelenti, amelyekkel földfelszíni mérés alapján bolygóközi térparaméter határozható meg.

Mindez jól hangzik, de marad egy alapvető kérdés: előzőleg a pulzációk periódusának szélességfüggéséről, a geomágneses erővonalak, pontosabban az erővonalak alkotta erővonalhéjak saját rezgéséről, héjrezonanciákról beszéltem, most pedig a forrás a magnetoszférán kívülre, a bolygóközi térbe került, és a periódust is a bolygóközi mágnestér térerősségével kapcsolatosnak találtuk. Hogyan lehet a két összefüggés egyszerre érvényes?

5. ábra. Upstream waves (balra) és héjrezonancia (jobbra) jelentkezése az egy meridiánon fekvő Nagycenk-Kvistaberg (Svédország) állomáspáron. Az UW periódusa mindkét helyen 20-22 s, az FLR-é Nagycenken 20 s, Kvistabergben 55 s.

Soproni csoportunk az utóbbi 15-20 évben többnyire éppen a periódus szélességfüggésével foglalkozott. Miután a bolygóközi mágnestér és a pulzációk periódusa közötti kapcsolatra vonatkozóan eredményeinket végleges bizonyítéknak fogadták el, több alkalommal szerveztünk állomásláncokat a nagycenki obszervatóriummal mint középponttal, a többi állomás pedig a Skandináviától Bulgáriáig, illetve Olaszországig terjedő területen feküdt, de alkalmanként sarkvidéki (Ny Alesund), Egyenlítő-közeli (Bac Lieu Vietnamban, Bhargapur Indiában) és a déli féltekén lévő (Beveridge Ausztráliában) állomások is szerepeltek társaink között.

Digitális regisztrálás és feldolgozás útján sokkal pontosabb képet nyerünk e jelenségről, elsősorban dinamikus spektrumok alkalmazásával. A dinamikus spektrum voltaképpen háromdimenziós felület, egyik tengelyén az idő, a másikon a frekvencia/periódus, a harmadikon pedig az amplitúdó található.

Első eredményeink szerint a periódus szélességfüggése rendkívül változatos, néha egyáltalán nincs meg, máskor mindenütt mintegy 10%/szélességi fok körüli változást tapasztaltunk a periódusban (ez alatt általában a spektrum csúcsát kell érteni) (5. ábra),de vannak olyan esetek is, amikor a lánc egy-egy szakaszán változik ugyan a periódus, de más állomások között állandó. Ezt az esetet megpróbáltuk a rezonáló erővonalhéjak véges vastagságával magyarázni, és több módszerrel is megbecsültük a héj felszíni vetületének vastagságát, azt 100-200 km körülinek találtuk, jó egyezésben más módszerek eredményeivel. Az ennél nagyobb, állandó periódusú sávok viszont nem származhatnak héjrezonanciából.

6. ábra. Példa az UW (fent) és FLR (lent) típusú jelek gyors váltakozására a L'Aquila-Warnkenhagen közel meridionális állomáslánc mentén. Felül (08:18 UT-kor) mindenütt 25 s-os jel látható, alul (08:20 UT-kor) a periódus 15 s-ról (L'Aquila, Olaszország) 50 s-ra (Warnkenhagen, Észak-Németország) nő.

Több állomás dinamikus spektrumának összehasonlítása révén kiderült, hogy a két típus, az alig módosult upstream waves (UW) és a héjrezonancia (FLR, Field Line Resonance) egymást váltogatja, különösen ha a bolygóközi mágnestér változékony (6. ábra). Egy-egy hullámcsomag időtartama alig néhány perc, a váltás pillanatok alatt történik. A nagy amplitúdójú és egyben szabályosan szinuszoidális hullámok általában héjrezonancia- eredetûek, a szabálytalanabb, némileg változó periódusú és többnyire kisebb amplitúdójú jelek viszont gyakrabban UW-eredetûek. Ahhoz, hogy a bolygóközi mágnestér térerősségét meghatározzuk, elsősorban az UW-típusú jeleket kell felhasználnunk. Ennek ellenére az is kétségtelen, hogy a héjrezonancia csak olyan periódus-, és ennek megfelelően szélességi sávban jöhet létre, ahol az elsődleges jelnek kellő energiája van, ami annyit jelent, hogy a héjrezonancia periódusa is függ bizonyos mértékig az elsődleges forrás, az UW-ben meglévő periódussávtól, ezen keresztül pedig a bolygóközi mágnestér térerősségétől, de ez a függés jóval lazább, mint a módosulatlan UW esetében.

7. ábra. A pulzációk havi átlagos tevékenysége Nagycenken (alul) és a whistlerek diszperziója (az egyenlítői részecskesûrûséggel arányos, fent) 1957-1962 között

Ezek után időben visszakanyarodom a hatvanas évekre, amikor még alig volt ismert a pulzációk eredete. Akkoriban sok vita folyt arról, hogy milyen a pulzációs tevékenység éves eloszlása. Hasonló, bár kevésbé szélsőséges véleményekkel tarkított vita folyt a geomágneses tevékenység féléves változásáról, a maximum pontos helyzetéről. Ez természetesen bizonyos mértékig összefügg a pulzációk tevékenységével is, hiszen a geomágneses tevékenység befolyásolja a pulzációk periódusát. A nagycenki mérések kezdetén, a Nemzetközi Geofizikai Év alatt a pulzációk tevékenysége nyáron többszörösen felülmúlta a télit, majd néhány év múlva, 1961-62 körül ez az éves hullám teljesen eltûnt, féléves hullámnak adva helyet (7. ábra). Akkor folyt Kaliforniában hosszabb ideig az előző részben már említett whistlerek észlelése és feldolgozása. Azt vettük észre, hogy a téli minimumok idején a whistlerekből meghatározott egyenlítői részecskesûrûség 2-3 földsugárnyi távolságban egy bizonyos határérték felett van. Ha a részecskesûrûség nem éri el ezt a határértéket, akkor a pulzációk amplitúdói normálisak, későbbi vizsgálataink szerint a napszél sebességével (energiájával) közel lineáris kapcsolatban vannak. A napszéllel való kapcsolat akkor is megmarad, ha a részecskesûrûség a határérték felett van, de ekkor az amplitúdók jóval kisebbek. Ezt a kapcsolatot később többször vizsgáltuk, ma úgy gondoljuk, hogy nagy részecskesûrûség esetén kevesebb az esély a héjrezonanciák kialakulására, evvel az UW-típusú jelek erősítésére. Tehát nem valamiféle közvetlen „csillapításról" van szó, hanem az erősítés hiányáról.

8. ábra. A szabályos pulzációk (héjrezonancia) periódusa, az upstream waves várható periódusa a bolygóközi mágneses térerősség alapján, és a pulzációk téli csillapításának időszakai (vízszintes vonalak legfelül)

Ezt a megállapítást később, sokkal hosszabb ideig folyt észlelés alapján lényegesen pontosítani lehetett. A 8. ábrán mintegy 40 év, vagyis közel négy 11 éves naptevékenységi ciklus alatt látható a (szabályos, tehát héjrezonancia-eredetû) pulzációk periódusa, valamint a bolygóközi mágnestér éves átlagos térerőssége alapján várható periódus. A kettő nem egyezik meg, a két görbe nem hasonlít egymásra, majdnem ellentétes lefutásúak, tehát a periódus változását nem a bolygóközi mágnestér szabja meg. Az ábrán fent láthatók azok az időszakok is, amikor a „téli csillapítás" jelentkezett. Ezekben az időszakokban a periódus jóval hosszabb, ami azt jelzi, hogy a héjrezonancia periódusa meghosszabbodott, ennek pedig a nagy magnetoszféra-beli részecskesûrûség az oka - ugyanaz, amit a 7. ábrán a whistlerek adataiból meghatározva láttunk. Ezek szerint a naptevékenység maximuma idején a szabályos pulzációk periódusa hosszabb, mint kis naptevékenységû években, ez pedig éppen fordítottja annak, amit a geomágneses tevékenység és a periódus közötti kapcsolat alapján vártunk volna, megerősítve a nagy amplitúdójú, szabályos alakú pulzációk magnetoszférikus eredetét.

9. ábra. Különböző L-értékû csatornákban (különböző szélességeken) terjedő whistlerek idején észlelt pulzációk spektruma közel azonos egyenlítői részecskesûrûségek mellett

A whistlerek észlelése, különösen digitális észlelésük nem könnyû feladat, hiszen 10 kHz-es jelekről van szó. Így további pulzáció-whistler-kapcsolatok keresése hosszabb időre megszakadt, bár az időnként rendelkezésre álló, elsősorban az Eötvös Loránd Geofizikai Intézet tihanyi obszervatóriumában regisztrált whistlerek adatai alapján más kapcsolat is feltételezhető volt. Két körülmény támasztotta ezt alá: egyrészt mind a pulzációk, mind a whistlerek esetében a tevékenység szintje több napig szokott kivételesen nagy, vagy éppen kivételesen kicsi lenni. Vagyis valamiféle mechanizmus mindkét esetben több napig fenntartja a tevékenység szintjét, és ez a mechanizmus lehet közös is. A másik körülmény viszont a whistlerekkel kapcsolatos: ezek terjedéséhez a magnetoszférában olyan mágneses erővonal menti csatornákra van szükség, amelyekben a részecskesûrûség eltér a környezetükétől. Az is kiderült, hogy ezek a csatornák vízszintes irányban mozognak, de az is lehetséges, hogy a csatornák egyenlítői metszetben gyöngysorszerûen sorakoznak fel egymás mellett, és a terjedés egyik csatornából tevődik át a másikba. Ezek a szomszédos, egymás melletti csatornák azután eléggé hasonló képződmények az erővonalhéjakhoz, megteremtve a lehetőséget a két jelenség kapcsolatára.

A hetvenes években Tihanyban regisztrált és feldolgozott nagyszámú whistler és a pulzációk spektrumának összehasonlítása révén arra az eredményre jutottunk, hogy minél magasabb szélességen terjednek a whistlerek, annál hoszszabb az egyidejû pulzációk periódusa, sőt a whistlerek terjedésének L-értékéhez (az L-érték közelítőleg a geomágneses erővonalak egyenlítői metszéspontjának a Föld középpontjától vett távolságát adja meg földsugárban kifejezve) tartozó rezonanciaperiódus elég jól egyezik a pulzációk észlelt periódusával. Így a feltételezett kapcsolatot sikerült közvetlen észlelésekkel is megerősítenünk (9. ábra).

A hetvenes évektől folyt whistlerészlelés Csehországban, Panska Vesben is, de onnan csak a minden órában az első két perc alatt észlelt whistlerek száma volt hozzáférhető, mindenféle további feldolgozás nélkül. Ezek alapján kiderült, hogy a whistlerek gyakorisága és a pulzációk amplitúdója között meglehetősen szoros kapcsolat van, annak ellenére, hogy a két jelenség napi és évszakos változása éppen ellentétes. (A pulzációk nappal és nyáron tevékenyebbek, a whistlerek éjjel és télen). Mindez amellett szól, hogy a magnetoszférában kialakuló bizonyos szerkezetek, héjak és csatornák hosszabb ideig élnek, mégpedig azonos vagy hasonló időszakokban.

Még egy, elég nehezen értelmezhető kapcsolatra derült fény ezekkel a mérésekkel kapcsolatban: összefüggést találtunk a whistlerek gyakorisága és a bolygóközi mágnestér térerőssége között. Awhistlerek gyakorisága akkor nagyobb, amikor a bolygóközi mágnestér térerőssége kisebb. Mivel a whistlerek forrása villámkisülés, ezek gyakoriságát pedig aligha befolyásolhatja a bolygóközi mágnestér. Inkább arra kell gondolnunk, hogy a magnetoszférikus terjedésük lehetősége függ a bolygóközi mágnestértől: minél gyengébb a mágnestér, annál jobb lehetőség van a whistlerek terjedésére (és, legalábbis télen, a héjrezonanciák kialakulására, vagyis nagy pulzációs tevékenységre).

1997-ben komoly technikai nehézségek legyőzésével (a mintegy egy óráig tartó folyamatos digitális whistler-regisztrálás csak a tihanyi kollégák hathatós segítségével volt lehetséges, a nagy mennyiségû adat feldolgozásában pedig az ELTE Geofizikai Tanszékének ûrkutató csoportjától kaptunk nagy segítséget) két hónapon keresztül mûködött a L'Aquila-Nagycenk-Niemegk állomáshármas és a tihanyi whistler-regisztrálás, naponta hajnali helyi idő szerint 4 és 5 óra között. Célunk most már a pulzáció -whistler-kapcsolat közvetlen kimutatása volt. Kiderült, hogy bár ilyen kapcsolat létezik, de az lényegesen gyengébb, mint a hosszabb időszakra vonatkozó kapcsolatok alapján várni lehetett volna. Ez újra csak arra utal, hogy a kapcsolat a két jelenség között nem közvetlen, hanem a létrejöttüket, ill. terjedésüket lehetővé tevő magnetoszférikus szerkezet között van szoros kapcsolat.

A közelmúltban, éppen az általunk talált összefüggéstől is indíttatva, egy ausztrál-amerikai csoport végzett hasonló vizsgálatot, de a mienkénél lényegesen magasabb geomágneses szélességen, már a déli sarkifényövezethez közeli helyen. Eredményeik kiértékelése nyomán közvetlen kapcsolatra bukkantak a két jelenség között, viszont közepes szélességen a közvetett kapcsolat a mérvadó.

Legújabb kísérletünkben az 1999. augusztus 11-ei napfogyatkozás hatását vizsgáljuk a geomágneses pulzációkra. Szerettük volna egyidejûleg a whistlereket is vizsgálni, azonban egyetlen egy sem fordult elő a teljes fogyatkozás idején, sőt még annak környezetében sem. Ennek ellenére remélhető, hogy a japán-német -olasz-cseh-angol-magyar együttmûködés elősegíti több, ma még nyitott kérdés megoldását.