Fizikai Szemle honlap |
Tartalomjegyzék |
Farkas Alexandra
ELTE, Biológiai Fizika Tanszék, Környezetoptika Laboratórium
Az éjszakai égbolt látványosságai korántsem merülnek ki a csillagokban vagy a bolygókban. A kékes színű éjszakai világító felhők a nyári napforduló környékén látszanak, napnyugta után vagy napkelte előtt kereshetjük őket az északi horizont környezetében. A jelenség főként a 45-80° földrajzi szélességű régiók jellemző látványossága. A legtöbb és legfényesebb éjszakai világító felhő a 60° körüli földrajzi szélességek környezetében figyelhető meg, a közelmúlt óta azonban - eddig feltáratlan okok miatt - egyre gyakrabban érkeznek észlelések alacsonyabb földrajzi szélességekről is. Június közepétől július végéig hazánkból is megfigyelhetők [1], így szerencsés esetben mi is tanúi lehetünk a színpompás légköroptikai jelenségnek.
Annak ellenére, hogy morfológiájuk alapján ugyanolyan felhőknek tunnek, mint bármelyik hagyományos felhő, nem tévesztendők össze semmi mással. Ezek ugyanis nem a troposzférában, hanem még a sztratoszféránál is magasabban, a mezoszférában (50- 90 km között) alakulnak ki. A földfelszínről akkor válnak láthatóvá, ha a Nap a látóhatár alatt -6° és -16° között járva megvilágítja azokat.
Létrejöttük azért kötődik a nyári napforduló időszakához, mert a mezoszférában nem télen, hanem ebben az időszakban űralkodik a leghidegebb, 130 K alatti hőmérséklet, amely a jelenlévő rendkívül alacsony páratartalom mellett ideális a felhők kialakulásához. Fontos megjegyezni, hogy a mezoszféra hőmérsékletének változása a troposzféráéhoz képest fordított, azaz ha a troposzférában nő a hőmérséklet, akkor a mezoszférában csökken [2]. A felhők létrejöttéhez szükséges jégképző magokat és vízpárát a troposzférában gyakorlatilag korlátlan mennyiségben megtalálhatjuk, azonban a mezoszférában, Földünk egyik legritkább és legszárazabb légköri rétegében külön meg kell vizsgálnunk lehetséges jelenlétüket és forrásaikat.
Az 1883-ban bekövetkező, rendkívül pusztító Krakataukitörés és az 1908-as Tunguz-esemény után észlelt éjszakai világító felhők kapcsán a víz természetes forrásaként megemlíthetjük a ritkán előforduló nagyobb vulkánkitöréseket és a világűrből érkező, nagy víztartalmú égitesteket. A vízpára egy része - szintén természetes úton - a légkörben lévő metán (CH4) hidroxil gyökökkel (OH) történő reakciója folytán kerül a mezoszférába [3], egy másik része pedig a metán egy összetettebb reakciója miatt. A szelek által a légkörben egyre magasabbra kerülő metánmolekulák 40-70 km magasan a napfény hatására hidrogén- és szénatomokra esnek szét, majd a hidrogén légköri oxigénnel való reakciója miatt víz jön létre [4]. A vízpára ily módokon történő keletkezése a légkör alsóbb rétegeiben nem jelentős, a rendkívül száraz mezoszférában viszont kulcsfontosságú. Fentieken kívül antropogén hatások következtében is kerülhet vízpára a légkör felső rétegeibe, mégpedig az űrhajózás folytán. Az űrrakéták hajtóanyagainak égésekor egyéb anyagok mellett víz is keletkezik, ami a rakétakilövés után a mezoszférába jutva látványos világító felhőket alakíthat ki a rakéták útjának nyomvonala mentén [3, 5].
A mezoszférában jelen lévő vízpára mennyisége a Nap ultraibolya sugárzása következtében lezajló fotodisszociáció miatt - a H2O molekulák alkotó elemeire bomlásával - állandóan csökken. A reakció folyamatosan zajlik, intenzitása viszont erősen függ a naptevékenységtől [2]. Fokozott naptevékenység, azaz napfoltmaximum idején többször megy végbe a reakció, napfoltminimum idején pedig kevesebbszer. Napfoltminimumkor tehát akár 30-40%-kal több H2O molekula marad a mezoszférában, s így nagyobb az esélye az éjszakai világító felhők megjelenésének és fényesebbé válásának. Ezt a megfigyelések is alátámasztják: alacsony naptevékenység idején valóban több és fényesebb éjszakai világító felhő jelenik meg. Az 1986-os napfoltminimumkor például közel 60 napon figyelték meg a tüneményt, míg az ezt követő napfoltmaximum alatt 1991-ben csak 15 napon [4]. Nagy valószínűséggel a 2009-ben (hazánkból is) észlelt nagyszámú éjszakai világító felhő összefüggésbe hozható a Nap legutóbbi, szokatlanul hosszú napfoltminimumával.
A jégképződéshez szükséges részecskék többféleképpen kerülhetnek a mezoszférába: származhatnak a földi légkörbe érkező meteoritokból, emellett lassú légcsere során szelek segítségével is feljuthatnak ebbe a zónába [2, 6], mégpedig erdőtüzek vagy vulkánkitörések aprószemcsés termékeiként. Utóbbi lehetőséget például a már említett Krakatau-kitörés után 2 évvel megjelenő - elsőként dokumentált - éjszakai világító felhők bizonyíthatják. További példaként említhetünk néhány 20. századi heves vulkánkitörést is, amelyeket 2-4 évvel később kismértékben kiugró számú éjszakai világító felhő követett. A Pinatubo 1991-ben bekövetkező kitörése után négy évvel például (az aktuális napfoltmaximum ellenére) négyszer annyiszor jelent meg a tünemény az éjszakai égbolton, mint korábban.
Az éjszakai világító felhők gyakorisága és a vulkánkitörések előfordulása azonban nem minden esetben kapcsolható össze egyértelműen. Vannak ugyanis olyan vulkánkitörések, amelyek után nem figyelték meg többször a jelenséget (például Mount Saint Helens, 1980), emellett pedig az 1897-ben, 1924-ben, illetve az 1975-78-ban megjelenő nagyszámú éjszakai világító felhőt nem előzte meg nagyobb vulkánkitörés [4]. Az utóbbi esetek a jégkristályok magjának űrbéli eredetét bizonyítják. Ezt támasztja alá a 2010. március 1-jei, Csehországban észlelt éjszakai világító felhő is, ami minden bizonnyal a február 28-án hazánk északkeleti vidékei fölött felrobbant, körülbelül 1 méter átmérőju meteor légkörben megtett útja nyomán alakult ki.
Természetes, hogy az egykori üstökösmagokból vagy kisbolygókból származó meteorrajokhoz kötődő, vagy a véletlenszerűen érkező mikrometeorok jóval gyakrabban jutnak be légkörünkbe, mint amilyen gyakran erdőtűz vagy vulkánkitörés van a felszínen. Így tehát ezen űrbéli eredetű részecskék kétségkívül hozzájárulnak a jégkristályok kialakulásához. Az 1960-as években végzett rakétakísérletek is ezt támasztják alá, de a folyamatok még nem pontosan ismertek.
A napjainkban csak részben ismert felhőképződési folyamat 0,03-0,15 µm átmérőjű vízjégkristályokból álló, a mezopauza környékén jelen lévő felhők létrejöttét eredményezi, amelyek néhány perctől akár több mint 2 órán keresztül látszódhatnak. A felhők térbeli kiterjedése 4 millió km2 is lehet, vastagságuk pedig 0,5-2 km között változik. Ezen értékek hasonlóak a fátyolfelhő kiterjedéséhez és vastagságához, ám az éjszakai világító felhők rendkívül ritkák. Jellemző sűrűségük 0,01-0,1 jégkristály/cm3, de a legsűrűbb térfogategységekben sincs köbcentiméterenként 1 jégkristálynál több. Rövid életük során viszonylag gyors formai változáson mennek keresztül. Mozgásuk átlagos sebessége 40 m/s, ám a különálló sávok gyakran más irányban és más sebességgel mozognak, mint a felhő egésze. A felhők kialakulásuktól kezdve folyamatosan süllyednek, majd egy körülbelül 200-400 méterrel alacsonyabban lévő, néhány fokkal melegebb hőmérsékletű zónába érve a felhőket alkotó jégkristályok szublimációval újra vízpárává válnak, és a felhők feloszlanak [5, 6].
A nyári napforduló környékén bárki végezhet egy jól megválasztott helyszínről vizuális észleléseket. Fontos, hogy teljes rálátásunk legyen a szürkületi égbolt északkelettől északnyugatig tartó részére, illetve hogy a zavaró fényektől távol legyünk és a horizont sávját a lehető legkevésbé fedjék el hegyek, növények vagy épületek.
|
|
Attól kezdve, hogy a Nap horizonttól való távolsága eléri a -6°-ot (nyári időszámítás szerint 21:15 körül), elkezdhetjük keresni az éjszakai világító felhőket. Ez felhőtlen égbolt mellett egyszerűbb feladat, viszont az adott égrész valamilyen mértékű borultsága nehezítheti az észlelést. A megfigyelési ablak nyílásakor a már sötét színű alacsony- és középmagasszintű troposzférikus felhők eltakarhatják az éjszakai világító felhőket vagy azok egy részét. Mivel ebben az időszakban a magasszintű felhőket még érheti napfény, így - főként a fátyol- és pehelyfelhők - nagymértékben hasonlíthatnak a halványabb éjszakai világító felhőkhöz. Az erős holdfény és a városi közvilágítás szintén nehezítheti az elkülönítést. A magasszintű felhőket és az éjszakai világító felhőket binokulár segítségével tudjuk megkülönböztetni: a tízszeres, húszszoros nagyítás által előbbiek homályossá, utóbbiak pedig részletgazdagabbá válnak [1].
Az éjszakai világító felhők morfológiájának nagy változatosságát számításba véve négy alaptípus és négy komplex forma ismert [5]. A négy alaptípust római I, II, III, IV számokkal, az azokon belüli alcsoportokat pedig a római szám mellé írt a, b, illetve c betűvel jelöljük. A komplex típusok jelölései (S, P, V, O) a finn elnevezések kezdőbetűi.
A fátyol (I) az éjszakai világító felhők legegyszerűbb formája (1. ábra), ami általában a többi típus hátterében van jelen. Megjelenésében legfőképp a magasszintű fátyolfelhőhöz hasonlít, de sokszor csak az égbolt kékes színű fölfénylése észlelhető. Alkalmanként halvány, rostos szerkezete is lehet.
Megfigyeléseim szerint hazánkból leggyakrabban észlelhető a II típus (2. ábra), amelynek jellemzői a hosszú, egymással nagyjából párhuzamosan elhelyezkedő, vagy kismértékben összefonódó sávok. Gyakran a lassan mozgó, halványabb sávok az uralkodóak egy-egy adott felhő megjelenésekor, főként a kevésbé látványosaknál. Élesség szerint két altípust különböztetünk meg: a IIa sávok homályos, a IIb sávok pedig tisztán látható határvonalakkal rendelkeznek.
 |
 |
Éjszakai világító felhő hullámoknak (III) a szorosan egymás mellett elhelyezkedő, nagyjából párhuzamos, rövid vonalakat nevezzük, amelyek az undulatus felhőkhöz hasonlíthatók (3. ábra). A rövid vonalak keresztezhetik a hosszú sávokat, ezzel fésűszerű formát adva az éjszakai világító felhőnek. Formájuk és helyzetük akár néhány perc alatt nagymértékben megváltozhat, ami sokkal gyorsabb változást jelent, mint a sávoknál. A hullámzás mértéke alapján két altípust szokás elkülöníteni: a IIIa hullámok kisebb, a IIIb hullámok pedig nagyobb mértékben fodrozódnak. Az éjszakai világító felhők gyűrűs, örvényes szerkezetűek (IV) is lehetnek (4. ábra).
A legtöbb esetben két vagy több típus egyszerre figyelhető meg, ekkor beszélhetünk komplex morfológiájú jelenségről (5. ábra). Nem ritka például, hogy egymástól távol lévő sávokat kisebb hullámok kötnek össze, fényes csomókat felerősítve a metszéspontokban. 2009 nyári időszakát több ilyen látványos morfológiájú és hosszú ideig észlelhető komplex éjszakai világító felhő jellemezte hazánkban [1]. A különböző típusok kialakulási folyamata egyelőre nem tisztázott.
Az éjszakai világító felhők 1885-ös fölfedezése óriási jelentőséggel bírt a meteorológiai kutatások szempontjából. Otto Jesse munkájának köszönhetően megkezdődhetett a légkör addig teljesen ismeretlen részének föltárása. A megfigyelőhálózatok munkája és a későbbi muszeres vizsgálatok nyomán számos információt tártak föl a légkör e részéről. A hosszú távú észlelések alapján arra is fény derült, hogy az éjszakai világító felhők egyre gyakrabban jelennek meg, egyre fényesebbek és egyre délebbi pontokról észlelhetők. Ennek oka a mezoszféra hőmérsékletének változása és az ottani növekvő vízpára- koncentráció lehet. Hipotézisek alapján előbbi azért következhet be, mert az üvegházgázok mennyiségének növekedésével a troposzféra hőmérséklete emelkedik, a kölcsönhatás miatt pedig a mezoszféra hőmérséklete ezzel egyidejűleg folyamatosan csökken. Az egyre nagyobb mennyiségű vízpára pedig a különböző ipari és mezőgazdasági tevékenységek folytán növekvő metánkoncentráció eredményeképp jöhet létre. Az éjszakai világító felhők hosszú távú változásai tehát feltehetően a globális klímaváltozással és az emberi tevékenységgel is összefüggésbe hozhatók [4, 7]. Fenti indokok egyelőre bizonytalanok, a felhők kialakulásának és jelentőségének föltárására további kutatások szükségesek. A kimondottan e jelenséget vizsgáló AIM (Aeronomy of Ice in the Mesosphere) űrszonda vizsgálatain kívül fontos, hogy továbbra is készüljenek földfelszíni vizuális megfigyelések is, amelyek hozzásegíthetnek a nyitott kérdések megválaszolásához.
____________________________
A cikk a szerző azon dolgozatából készült, amivel I. díjat nyert 2010. december 9-én az ELTE Meteorológia TDK Konferenciáján.