Fizikai Szemle 1999/8 - Sir Arnold W. Wolfendale, Király Péter: Veszélyforrások és védőrendszerek kozmikus környezetben

Fizikai Szemle nyitólap

Tartalomjegyzék

Fizikai Szemle 1999/8. 294.o.

VESZÉLYFORRÁSOK ÉS VÉDŐRENDSZEREK KOZMIKUS KÖRNYEZETÜNKBEN

Sir Arnold W. Wolfendale
az Európai Fizikai Társaság elnöke,
korábbi Királyi Csillagász, Durhami Egyetem
Király Péter
KFKI RMKI Kozmikus Fizikai Főosztálya

 

Földünk kozmikus környezete közvetlen és közvetett módon is befolyásolja a földi élet és az emberi civilizáció létfeltételeit. A Nap közepében végbemenő termonukleáris reakciókból származó, de a Nap felszínén nagyrészt fény- és hősugárzássá szelídülő energiaáram életünk feltétele. Földünk környezetéből azonban más hatások is érkeznek: gáz- és poráramok, üstökösök, meteorok és aszteroidák, különböző energiájú töltött részecskék, valamint különféle frekvenciájú elektromágneses sugarak és más semleges részecskék. Itt elsősorban a Földet érő nagyenergiájú elemi és atomi részecskék hatásaival, valamint az e hatásokat mérséklő természetes védőpajzsokkal foglalkozunk. Rámutatunk a csillagokból és Galaktikából, különösképpen pedig a Napból eredő hosszú távú veszélyekre. Sokkal rövidebb távon jelentkezhetnek a modern civilizáció számára létfontosságú űrbeli eszközöket és az űrhajósokat fenyegető veszélyek, valamint az emberiségen belüli konfliktusokból eredő katasztrófák.

A földi élet létrejöttéhez és hosszít távú fennmaradásához szükséges feltételrendszerről ma még csak kezdetleges elképzeléseink vannak. Mivel máshol kialakult életformákat eddig nem találtunk; nem tudjuk, mennyire elterjedt az élet Galaktikában és a Világmindenségben. Nem ismerjük azokat a környezeti tényezőket és tűréshatáraikat, amelyek lehetővé teszik élet kifejlődését és hosszú távú fennállását, bár vannak elképzeléseink olyan környezetekről, ahol az élet elképzelhetetlennek látszik. A fajok ismételt tömeges kihalása a földtörténeti múltban nyújt ugyan némi támpontot a tűréshatárokra, de az oksági lánc megbízható feltárásához az ilyen eseménysorok ismerete általában túl kezdetleges. A technikai civilizáció stabilitására nézve pedig még ilyen fogódzóink sincsenek.

Elképzelhető, hogy bizonyos tömeges kihalások nem vezethetők vissza környezeti katasztrófákra, hanem magába a bioszférába voltak kódolva - bizonyos domináns fajok genetikai szerkezetébe vagy a kölcsönható fajok együttesének instabilitásába. Másik lehetőség a környezeti tényezők olyan fokozatos vagy hirtelen megváltozása, amelyhez a fajok jelentős hányada nem tud alkalmazkodni. Ilyen változást előidézhetnek tisztán földi eredetű hatások, például nagy tektonikai események, amelyeket kiterjedt vulkanikus tevékenység kísér. A Föld globális mágneses terének és forgástengelyének vagy pálya-elemeinek módosulása befolyásolja a kívülről érkező sugárzások hatékonyságát. Tisztán külső eredetű veszélyforrások a különböző méretű és sebességű meteorok, üstökösök és aszteroidák, a napszél, nagy-energiájú részecskék és fotonok intenzitásának megnövekedése. Ilyen hatások származhatnak magából a Naprendszerből, a napszél és a csillagközi gáz vagy a Naprendszer külső vidékén lévő proto-üstökösök és a "véletlenül arra járó" csillagok kölcsönhatásaiból - vagy akár a Naprendszeren kívülről. Az utóbbi kategóriába esnek a Nap Galaktikában megtett útja során fellépő környezetváltozások (például molekuláris felhőkön való áthaladás), vagy valódi időfüggő események; mint például közeli szupernóva-robbanások vagy más nagy energia-felszabadulással járó események.

Kozmikus ütegek és védőpajzsok

Számos olyan rendkívül aktív kozmikus objektumot ismerünk, amelyek magas hőmérsékletük és sugárzási szintjük miatt környezetükben nem tűrnek meg életet (kvazárok, blazárok, aktív galaxismagok, rádiógalaxisok, szupernóvák és fiatal maradványaik, kölcsönható szoros kettőscsillagok, pulzárok és a nemrégiben felfedezett magnetárok, valamint általában a nagytömegű csillagok). Az ilyen kozmikus ütegek szerencsére meglehetősen ritkák, és - legalábbis jelenleg - távol vannak tőlünk. Ezek ellen a legjobb védelmet maga a távolság és az intenzitásnak a távolság négyzetével való fordított arányossága jelenti, ami elektromágneses sugárzásra nagy pontossággal, nagyenergiájú töltött részecskékre pedig jó közelítésben teljesül. Az a tény, hogy még a legközelebbi csillag is több, mint százezerszer távolabb van tőlünk Napunknál, a Nap viselkedését különösen fontossá teszi.

A földi életet a külső hatások ellen többféle pajzs is védi. Legtöbb mérsékelten nagyenergiájú sugárzási hatás ellen leghatékonyabb védelmet a földi légkör biztosít. Jó közelítésben olyan védettséget ad, mint ha egy űrhajós 10 méter sugarú vízgömb közepében ülne. E védelem igen hatékony a Nap élőlényekre káros Röntgen- és gamma-sugárzásával, valamint a száz pJ (néhányszáz MeV) alatti energiájú töltött részecskékkel szemben. A légkörbe csapódó porszemcséket és kisebb meteorokat a légkör szintén megsemmisíti vagy legalábbis erősen lefékezi. Kisebb hatásfokú, de még mindig jelentős védelmet nyújt a Galaktikából érkező kozmikus sugárzás néhány ezer pJ (több GeV) energiájú főkomponensével szemben, bár ennek intenzitását is több mint egy százas faktorral csökkenti. A védőhatás csökken a részecskék energiájának növekedésével. Millió pJ (néhány száz GeV) fölött már nem is beszélhetünk védőhatásról, hiszen a légkörben képződő részecskezáporok ekkor már több másodlagos részecskét juttatnak el a földfelszínre, mint amennyi a légkör határára esett. Extrém nagy energiájú beeső részecskék több milliárd részecskét is küldhetek a földfelszínre, szerencsére azonban az ilyen beérkező részecskék igen ritkák (évszázadonként alig néhány érkezik a felsőlégkör 1 négyzetkilométeres felületdarabjára). Hasonló a helyzet az üstökösökkel és aszteroidákkal, amelyek földfelszíni hatása az energia és tömeg növekedésével gyorsan növekszik, gyakoriságuk viszont csökken. Néhány száz, pláne néhány ezer méter átmérőjű aszteroidák már könnyedén áthatolnak a Föld légkörén és lokális vagy globális katasztrófákat okozhatnak, mint például a dinoszauruszok kihalását is előidéző becsapódás a Krétakor és a Harmadkor határán. A hatást elsősorban nem maga a becsapódás, hanem a légkörben és vízben tovaterjedő lökéshullám, illetve hosszú időre kiterjedő mellékhatások okozzák.

A Föld magnetoszférája szintén fontos védőpajzs a kozmikus sugárzás főrésze és a Napból eredő töltött részecskék ellen, különösen kis és közepes földrajzi szélességeken, ahol az emberiség zöme él. A kozmikus sugárzás főrészének hatását azonban átlagosan csak felére vagy harmadára csökkenti, vagyis jóval kevésbé mérsékli, mint a légkör. Geomágneses pólusváltások idején a védőhatás eltűnik. A meteorokkal szemben - mikroszkopikus töltött porszemcséktől eltekintve - a mágneses tér nem nyújt védelmet. A napszélben terjedő lökéshullámok a magnetoszférát deformálhatják, ez megkönnyítheti a kisenergiájú részecskék bejutását. Emellett a magnetoszferikus viharok jelentős részecskegyorsítással is együtt járnak, ami különösen űrállomások asztronautáira és műholdak műszereire jelent veszélyt. Az eddigi tapasztalatok alapján közvetlen földfelszíni hatásuk elhanyagolható. A mágneses mező változásai viszont jelentős elektromos feszültséget indukálnak, amely tönkreteheti a nagykiterjedésű csővezetékeket és elektromos hálózatokat, mint arra a közelmúltban több példa is volt.

A többszáz km/s sebességgel kifelé áramló, szuperszonikus napszél várhatóan 80-100 csillagászati egység (1 CsE = 150 millió km, a Nap-Föld távolság) megtétel után lökéshullámban szubszonikussá lassul; e tartományban a mágneses mező erősödik, ezáltal jelentős részecskegyorsítás megy végbe (úgynevezett anomális kozmikus sugárzás). Ez főleg az egyszeresen ionizált atomokat tartalmazó (eredetileg semleges csillagközi gázatomokból származó) sugárzás a Naprendszer belsejében és a Föld környezetében is jól észlelhető, viszonylag kis energiája miatt azonban nem tud lehatolni a földfelszínig. A kialakuló mágneses szerkezet viszont gátolja a galaktikus kozmikus sugárzás Naprendszerbe való behatolását (moduláció), így újabb védőrendszert jelent a Naprendszerbe hatoló kozmikus sugárzással szemben. Nem ismert, hogy a napszél és a csillagközi gáz jellemzőinek változása hogyan befolyásolja a modulációt és az anomális kozmikus sugárzás jellemzőit. Lehetséges, hogy a lökéshullám erősödésével az anomális sugárzás intenzitása olymértékben megnő, hogy az Földiink élővilágára is veszélyt jelenthet, így ez a védőpajzs veszélyes üteggé alakulhat.

Földünk nagyméretű üstökösökkel vagy aszteroidákkal való ütközései jelenleg ritkák, de a Hold kráterei és a Föld hasonló eredetű képződményei arra mutatnak, hogy a múltban időnként sokkal gyakoribbak voltak. Nagyszámú új üstökös vagy aszteroida belső Naprendszerbe kelülését könnyen kiválthatja az az árapály-hatás, amelyet egy csillagnak a Naprendszer külső részén való áthaladása okoz. Számítások szerint ilyen események gyakorisága összhangban lehet a kráterképződéssel, esetleg a biológiai katasztrófák huszonegynéhány millió évenkénti gyakoriságával is. Többen felvetették, hogy a csillagokkal való közeli találkozások a Naprendszernek a Galaktika fősíkján történő áthaladásával hozhatók kapcsolatba, ezek vezethettek az élővilág nagy kihalásainak periodicitásához. Bailey és munkatársai (1987) azonban kimutatták, hogy a Galaktika fősíkjának közelében a csillagok eloszlása túl széles ahhoz, hogy ilyen periodicitást okozhasson.

Szoláris, bolygóközi és magnetoszferikus események

A naptevékenység változása 11 éves periodicitást mutat, de mind a ciklus hossza, mind a naptevékenység maximális erőssége ciklusról ciklusra is változik. Nagyobb periodicitású ciklikusságra, hosszantartó nyugodt időszakokra is van bizonyíték. (A legutolsó ilyen nyugodt időszak, az úgynevezett Maunder-minimum 1640-től 1710-ig tartott.) Ezenközben a Nap közeléből és a bolygóközi térből származó nagyenergiájú részecskék intenzitása mintegy 7 nagyságrendnyi tartományban változik. Nagyobb energián hosszabbakká válnak a nyugodt időszakok és rövidebbé a kitörések, de a nagy változékonyság jórészt megmarad. A részecskefluxusok fő forrásai a napflerek (vagy impulzív flerek) és a koronatömeg-kidobódások. A nagy részecske-események túlnyomórészt az utóbbiakból származnak. (Gosling, 1993. A két eseménytípus összehasonlító elemzése Cane összefoglaló dolgozatában olvasható, 1997.) A részecske-fluxus jelentős megnövekedésével járnak még a Nappal együttforgó kölcsönhatási tartományokban (illetve lökéshullámokon) felgyorsult részecskék, kisebb energiákon a tömegkilökődésben létrejött lökéshullám áthaladásakor megfigyelt intenzív, de kisebb energiájú komponens.

Mai tudásunk szerint mind a flerek, mind a koronatömegkidobódások a Nap aktív tartományaiban végbemenő bonyolult, de gyakran igen gyorsan lezajló mágneses összekapcsolódási folyamatok eredményei. Az energia-felszabadulás részben elektromágneses sugárzás (például Röntgen-sugárzás), részben a kidobott anyag kinetikus energiája, részben pedig energikus részecskék alakjában jelenik meg. Mindhárom energiaforma más-más módon hat a Föld környezetére. A flerek teljes energia-felszabadulását nehéz megbecsülni, de úgy tűnik, a legnagyobb észlelt energia-felszabadulás elérheti a 1027 joule értéket is (Kane és társai, 1995). Ha ez az energia teljes egészében gömbszimmetrikusan kiáramolna a bolygóközi térbe, Földünknél mintegy 0,3 joule/cm2 energiafluxust eredményezne. A valódi kiáramló energiamennyiség ennél valószínűleg kisebb, viszont a kiáramlás nem gömbszimmetrikus, így nem lehet kizárni, hogy az eddig észlelt legnagyobb események időben integrált energiafluxusa ilyen nagyságrendű. Energikus töltött részecskékben a maximális észlelt integrált energiafluxus becslésünk szerint 0,01 és 0,1 joule/cm2 között van.

Több mint 20 évvel ezelőtt Wdowczyk és Wolfendale (1977) az akkori, szegényesebb észlelési anyag alapján már megvizsgálta a Nap által kibocsátott integrális energiafluxusok statisztikáját, megpróbáltak ezek alapján hosszabb időre extrapolálni: és a naptevékenységből adódó veszélyeket összehasonlították más veszélyforrások várható hatásával (így a Tunguszka-meteor és a dinoszauruszok kihalósát okozó Krétakor-Harmadkor határán történő becsapódással, egy esetleges atomháborúval, közeli szupernóva-robbanás hatásával). Az azóta lényegesen nagyobb statisztika is arra mutat, hogy a naptevékenység hosszú távú fluktuációi tisztán integrált energiafluxusuk alapján könnyen előidézhetnek globális katasztrófákat az élővilágban.

Az analízis egyik homályos pontja az extrapolációhoz használandó eloszlásfüggvény alakja. Ha a kisebb energia-felszabadulásoknál talált hatványfüggvényt azonos kitevővel terjesztjük ki, már néhány tízezer vagy százezer éves, tehát a civilizáció túlélése szempontjából érdekes időskálán is nagy kockázatot jelentő eseményeket kapunk. Ha viszont feltételezzük, hogy a görbe fokozatosan meredekebbé válik, például hatványfüggvény helyett a nagy eseményeknél lognormális eloszlást követ, akkor sokkal enyhébb katasztrófákra számíthatunk. Joan Feynman és munkatársai (1993) az űrhajósokat fenyegető veszélyek rövidtávú (néhány évre kiterjedő) elemzésénél lognormális eloszlást tételeztek fel. Későbbi dolgozatukban (Gabriel és Feynman, 1996) viszont visszatértek a hatványfüggvényhez, bár megjegyzik, hogy annak meredeksége a legnagyobb eseményeknek megfelelő intenzitásoknál jelentősen megnő. A hatványspektrum - legalábbis bizonyos tartományban - elméleti érvekkel is alátámasztható. A Nap Röntgen-kitöréseinek gyakorisága a Nap felszínének sokkal nagyobb részéről és megbiztatóbban észlelhető, mint a terjedésükben a mágneses terek által is gátolt részecske-eseményeké. A Röntgen-eseményekben felszabaduló energia legalább 3-4 nagyságrendnyi intervallumban hatványspektrumot követett, a spektrum kitevője jól egyezett az úgynevezett homokdomblavina-modellekkel (Lu és Hamilton, 1991): kritikus lejtésszögű homokdombra homokszemeket ejtve különböző méretű lavinák indulnak el, amelyek energiafelszabadulás-spektruma jó közelítéssel hatványspektrumot követ. Hasonló, lavinaszerű folyamatok játszódhatnak le a Nap aktív tartományaiban instabillá váló mágneses struktúrákban is. Persze a homokdombmodell viselkedése megváltozik, ha az energia-felszabadulás összehasonlíthatóvá válik a homokdomb teljes energiájával. Nem tudjuk, a Napnál mekkora a homokdomb, vagyis maximálisan mekkora energia szabadíttató fel ilyen folyamatokban. Homokdombmodellel szimulálható jelenségek a Föld magnetoszférájában és csóvájában is előfordulnak.

(A Nap-eredetű eseményekről 1976-tót kezdve jó táblázatos összefoglaló található a világhálón:

URL: http://umbra.nascom.nasa.gov/SEP/.)

Másik kritikus kérdés, hogy a légkör határára nagyenergiájú részecskék formájában érkező energiafluxus hogyan fejti ki hatását. Száz pJnál (néhány száz MeV-nél) kisebb energiájú részecskék még közvetve, a kölcsöntatásokban keletkező másodlagos részecskék útján sem tudnak jelentős mértékben áthatolni a teljes légkörön, viszont módosítani tudják a légkör felső részének szerkezetét, ami különböző, meglehetősen bonyolult mechanizmusokon keresztül befolyásolhatja az alsóbb rétegek viselkedését is. A folyamat hatásfoka nem világos. A kozmikus sugárzás intenzitása és az óceánok fölötti felhőtakaró között mutatkozó korrelációk (Swensmark és Friis-Christensen, 1997) és más hasonló kutatási eredmények arra utalnak, hogy a hatás a felhőképződésen és így az éghajlaton keresztül is érvényesülhet.

Kozmikus sugárzás és szupernóvák

A szupernóva-robbanások gyakoriságából és energiakibocsátásából megbecsülhető, hogy a földi életet fenyegető szupernóváknak elég közel (mintegy 10-20 fényév távolságban) kell lenniök, és hogy ilyen közeli események csak ritkán (néhányszor 10 vagy 100 millió évenként) fordulhatnak elő: (Korábban például Clark és társai 1977, Wdowczyk és Wolfendale 1977, majd Ellis és társai 1996 is tárgyalta ezt a lehetőséget.) Az élővilágra való hatás reálisnak látszik, bár a hatásmechanizmus itt sem világos. Újabban Detre Csaba munkatársaival (például a Fizikai Szemle 1999 februári számában) részletesen taglalta a szupernóva-forgatókönyvet, mint egy 250 millió éve végbement kihalás és környezeti katasztrófa lehetséges okát. A jelen szerzők egyike (A.W.W.) a Fizikai Szemle 1999. februári számában számolt be egy közelmúltban felrobbant szupernóva nagyenergiájú részecskéinek valószínű detektálásáról. Mint Erlykin és Wolfendale (1998) kimutatta, ez a feltételezés ésszerű magyarázatot adhat a nagyenergiájú kozmikus sugárzási spektrum finomszerkezetére. A későbbre várható alacsonyabb energiájú komponens azonban nem feltétlenül lesz jelentős hatással a bioszférára.

Civilizációt érintő hatások

A modern technikai civilizáció nem csak a bioszférát általában érintő, rendkívül nagy külső hatásokra (aszteroidákkal való ütközés, óriási napkitörések, közeli szupernóvák) érzékeny, hanem ezeknél sokkal kisebb, viszonylag gyakran előforduló eseményekre is. A távközlés, különösen a hosszú távú rádiókapcsolatok igen érzékenyek az ionoszféra állapotára, amit már kisebb napkitörések is befolyásolnak. A nagyrészt napkitörések által kiváltott geomágneses viharok nagy feszültségkülönbségeket és áramokat indukálnak a hosszú olajvezetékekben és a nagy áramellátó rendszerekben (különösen magas földrajzi szélességeken, a sarki fény zónájában, így Alaszkában és Kanadában).

Mesterséges holdak, különösképpen a magnetoszférán kívül keringő űrszondák műszereit és fedélzeti elektronikáját a napkitörések sokkal nagyobb mértékben veszélyeztetik, mint a Föld felszínén működő berendezéseinket. Nagyobb napkitörések alkalmából gyakran számos eszköz szinte egyszerre károsodik, egy részük megjavíthatatlanul, és csökken a megmaradók várható élettartama is. (A "kozmikus időjárás" földi és földkörüli hatásairól jó áttekintést nyújt Shea és Smart 1998.) A távközlési és műsorszóró mesterséges holdak, a globális helyzet-meghatározó rendszer, valamint a kutatási célokkal felbocsátott űrszondák további terjedésével, az elektronikus rendszerek integráltsága fokának növekedésével és az egyre újabb alkalmazások megjelenésével ez a probléma egyre nehezebben látszik kezelhetőnek. Ha az űrkutatást, űrtechnikát, ember más bolygókra való eljuttatását is a civilizációnak, elsősorban a jövő civilizációjának a részeként fogjuk fel, nyilvánvalóvá válik, hogy a Föld környezetébe érkező sugárzás, különösen pedig a Nap és a földi magnetoszféra hosszú távú viselkedésének jobb megértése az emberiség elemi érdeke.

«»

AWW köszönetet mond Marx Györgynek a konferenciára való meghívásért és támogatásért, valamint elismeri az INTAS (Grant RFBR 95-0301) pénzügyi támogatását. KP az előkészítő munkákban az ISSI (Bern) és az OTKA-T-023210 pályázatokon elnyert támogatásért mond köszönetet.

Irodalom