Megfigyelés szabad szemmel
A Nap a Földön kialakult, sok millió formában létrejött életnek fenntartója, és valószínűleg a szülője is volt. A sok ezer évvel ezelőtti emberősünk is hatalmas, sőt a legtöbb régi nép a legfontosabb istenének képzelte a Napot. Nincs is olyan ősi vallás, amelyben a napisten ne játszott volna fontos, sok esetben legfontosabb szerepet. Az egykori népek szerte a Földön Utu, Samas, Ré, Aton, Szúrja, Sen-nung, Amateraszu, Huitzilopochtli, Inti, Mithra, Héliosz, PhoiboszApoUón, Sol Invictus, Baldr és még sok más néven tisztelték, imádták a Napot, napistenüket. Tiszteletére, kegyeinek elnyerésére és megtartására helyenként véres emberáldozatokat is mutattak be.
Sok régi nép – például az egyiptomi, a kínai, a japáni, a kecsua – tartotta uralkodóját a Nap Fiának. Természetes, hogy ilyen birodalmakban a Nap tisztelete, a napisten imádása a nép számára nemcsak természetes, hanem kötelező volt. A királyok, fáraók, császárok mindent megtettek, hogy ez a hit éljen és fennmaradjon az alattvalóikban, mert uralmuk és az ehhez szükséges tekintélyük így volt kötve a legszilárdabb, a legegyértelműbb égi hatalomhoz.
Közvetve szinte minden földi jelenség a Napnak köszönheti a létét. Az élet csak azért alakulhatott ki bolygónkon, mert a Nap hosszú ideje többé-kevésbé változatlan mennyiségű energiát sugároz a Földre. Többek között ezért is tanulmányozta és tanulmányozza kutatók, tudósok sokasága a Napot, a rajta és a benne lejátszódó jelenségeket az ókortól napjainkig.
A napfoltokról már több mint háromezer éve tudunk. Egy i. e. 12. századból származó kínai jóscsonton olvasható: „Lesznek a Napon jelek? Valóban vannak rajta jelek.” Kínában és a Távol-Keleten az égbolt tényleges, megfigyelt változásait jegyezték fel, és külön jelentőséget tulajdonítottak a Napon feltűnő sötét foltoknak. A távcső előtti korszak megfigyeléseinek döntő többségét ezért a keleti (kínai, japán, koreai) krónikák tartalmazzák.
Európában az első feljegyzett megfigyelést Arisztotelész tanítványának, Teofrasztosznak tulajdonítják az i. e. 4. századból, aki De Signis Tempestatum című, töredékesen fennmaradt munkájában az időjárás jóslására felhasznált előjelek közt megemlíti a napkorongon látható sötét foltokat.
Több kutató is összegyűjtötte a régi csillagászati megfigyeléseket, az egyik lista 235 észlelést sorol fel i. e. 165 és i. sz. 1684 közt, ebből csak nyolc nem távol-keleti. Ezek a korai észlelések viszont fontosak a naptevékenység hosszú távú viselkedésének tanulmányozásához.
Bár a napfoltokról szóló leírások többsége keletről származik, az első napfoltrajz Európából maradt ránk, worchesteri János Chronicon ex chronicis című világkrónikájában, amelyben a világ teremtésétől i. sz. 1140-ig írja le az eseményeket, többek közt a nap- és holdfogyatkozásokat, a sarki fényeket, az üstökösöket és a meteorokat is. A megfigyelést alátámasztja, hogy az akkori hivatalos koreai udvari krónikában 1128. december 12-én sarki fény megfigyeléséről szól egy bejegyzés, ami megnövekedett naptevékenységre utal.
A reneszánsz korszakában ismét feltámadt az érdeklődés Európában a természettudományok iránt, beleértve a csillagászati megfigyeléseket is. Nikolaus Kopernikusz munkájában felhasználta az arab észleléseket.
Johannes Kepler 1607. május 28-án számításai alapján úgy vélte, hogy a Merkúr átvonulását látta a Nap előtt, de később rájött, hogy egy napfoltról volt szó, ebben a megfigyelésben esik először szó a penumbráról és az umbráról.
Távcsöves megfigyelés
A csillagászatban a valódi áttörést a Hollandiában 1608-ban feltalált távcső alkalmazása hozta el.
Galilei 1610-ben Sidereus Nuncius (Égi Hírnök) címmel közzé is tette legfontosabb felfedezéseit: a Hold hegyeit, a Tejút és más ködfoltok csillagait és a Jupiter körül keringő négy holdat. Feljegyezte a napfoltok legfontosabb tulajdonságait, változékonyságukat, mozgásaikat. Bebizonyította, hogy látszólagos elmozdulásukat csak a Nap forgása okozhatja, és csak a Nap felszínén lehetnek. Azt is észrevette, hogy a napfoltok a Nap egyenlítőjének csak bizonyos környezetében láthatók, és írt a Nap felszínén megjelenő fényes pontokról, amelyek a foltokhoz hasonló mozgást mutatnak. Nem vette észre azonban a Nap egyenlítői síkjának a hajlását az ekliptika síkjához.
A távcsővel készített első napfoltrajzot az angol Thomas Harriot alkotta 1610. december 8-án (érdekessége, hogy erre a nyilvánosságot a magyar származású F . X. von Zach figyelmeztette, mert Harriot nem tette közzé jegyzeteit).
Az első napfoltokról szóló publikáció Johann Fabriciusé 1611-ben, aki a Mira Ceti változócsillag felfedezőjének legidősebb fia volt. Miután 1611. február 27-én távcsövön át nézve észrevett egy nagy foltot a Napon, szeme kímélése végettcamera obscurával, elsötétített szoba ablakredőnyébe fúrt kicsiny lyukkal vetítette ki a napkorongot, és figyelte meg apjával együtt a napfoltokat.
Christoph Scheiner 1611 és 1625 között, a napkorong kivetítésével rajzokon rögzítette a látott napfoltokat. Ezeknek leírását 1630-ban a Rosa Ursina… című, hatalmas (kb. 800 oldalas) könyvben tette közzé, amelyben a napfoltok látszólagos elmozdulásaiból megállapította a Nap forgási sebességét, és egyenlítőjének hajlását az ekliptika síkjához. Úgy gondolta, hogy a napfoltokat a Nap korongja előtt elhaladó bolygók okozzák.
1774-ben Alexander Wilson leírta a Wilson-effektust, azaz hogy a nagyobb napfoltok a napkorong pereme közelében bemélyedésnek tűnnek.
Gyökeresen megváltozott a helyzet a 19. század második felében. A változást egy német amatőr csillagász, az eredetileg patikusként indult H. S. Schwabe megfigyelései indították el. Schwabe Dessauban felállított magánobszervatóriumában 1826-tól kezdve minden derült napon megfigyelte a Napot, rendszeres napmegfigyelései során feljegyezte a napfoltok számát. Az évek során összegyűjtött hosszú megfigyeléssorozatban feltűnt neki egy bizonyos szabályosság. Először 1838-ban még kommentár nélkül publikálta 12 év megfigyeléseit az Astronomische Nachrichten című folyóiratban, majd később, 1844-ben hosszabb időtartamra ismét közzétette a napfoltszámokat és az évenkénti folt nélküli napok számát, megjegyezve, hogy egy nagyjából tíz éves ciklus figyelhető meg a napfoltok gyakoriságában.
Alexander von Humboldt monumentális Kosmos című munkájának 3. kötetébe felvette Schwabe táblázatát, kiegészítve 1850-ig.
A müncheni geomágneses obszervatóriumban John Lamont már 1851-ben észrevette, hogy 1835 és 1850 között a földmágneses deklináció változásaiban egy 10 1/3 éves ciklus figyelhető meg.
Tőle függetlenül Edward Sabine is megtalálta ezt a ciklust a Torontóban és Hobarthban végzett mérésekben, sőt az is feltűnt neki, hogy a földmágneses háborgások száma párhuzamosan fut Schwabe napfoltszámaival.
Az iránytűnek a navigációban játszott fontos szerepe miatt a napfoltok és a Föld mágneses tere közti összefüggés felkeltette az érdeklődést a napfoltok iránt. Rudolf Wolf a zürichi csillagvizsgálóban elkezdte a rendszeres napfoltészleléseket, és kidolgozott egy egyszerűen meghatározható mérőszámot, az úgynevezett napfolt-relatívszámot a naptevékenység szintjének jellemzésére, amely azóta is használatban van. Ezenkívül hatalmas munkával felkutatta és összegyűjtötte a régi napfoltmegfigyeléseket, ezekből rekonstruálva a napfoltciklus menetét vissza egészen 1700-ig. A hosszú sorozatból megállapítható volt, hogy a ciklus hossza átlagosan 11,1 év , elég nagy ingadozásokkal. A a napfolt-relatívszám adatközpont 1980-ig Zürichben működött , ettől kezdve Brüsszelbe került.
C. Carrington és P . E. Hodgson nevéhez fűződik az első publikált flermegfigyelés is, 1859. szeptember 1-jén, amelyet a folytonos színképtartományban, fehér fényben észleltek.
A csillagászok azért nem kíméltek időt, pénzt és fáradságot a napfogyatkozások megfigyelésére, mert sokáig ez volt az egyetlen lehetőség a Nap légköre átlátszó rétegeinek, a kromoszférának és a napkoronának a közvetlen megfigyelésére. Ebben segítségükre volt a 19. század két jelentős új megfigyelési módszere, a színképelemzés és a fényképezés.
Joseph Fraunhofer már 1814-ben felfedezte a Nap színképében a sötét vonalakat, a különösen feltűnőeket az ábécé betűivel jelölte meg.
Az 1860-as években R. W. Bunsen és G . R. Kirchhoff kifejlesztették a színképelemzést, kimutatva, hogy a Nap sötét vonalai megfelelnek a laboratóriumban izzított gázok fényes vonalainak. A fényképezéssel már 1851-ben is kísérleteztek, de az első siker az 1860. július 18-i spanyolországi napfogyatkozás volt. Ekkor Warren de la Rue az atlanti, Angelo Secchi pedig a földközi-tengeri parton fényképezte a napkoronát, megállapítva, hogy valóban a Naphoz tartozik, nem a Hold légköre vagy a földi légkörben szórt fény , és a protuberanciák is a Nap felszíne felett lebegnek. Ezenkívül a protuberanciák vörösen világító anyaga is teljesen körülveszi a Napot. Ezt a réteget az angol Nigel S. Lockyer később kromoszférának nevezte el. Kirchhoff kutatásai indokolták a színképelemzés bevetését, mivel a protuberanciák feltehetően gázfelhők. Így az 1868. augusztus 18-i napfogyatkozásnál Janssennek feltűnt, hogy a vonalak nagyon fényesek, és a protuberanciák csak ezekben a színekben világítanak, ezért a fogyatkozás után – a napperemre állítva a spektroszkóp rését – fogyatkozás nélkül is meglátta a protuberanciákat. Ugyanez eszébe jutott Lockyer-nek is, aki „csak úgy”, fogyatkozás nélkül, 1868. október 20-án kipróbálta új, nagy teljesítményű spektroszkópját, és szintén megpillantotta a protuberanciákat a napkorong peremén. A Francia Akadémián mindketten beszámoltak megfigyelésükről, és különös véletlen folytán az Akadémia ugyanazon ülésén ismertették a két megfigyelést. Az Akadémia ezt olyan jelentősnek találta, hogy emlékérmet is veretett tiszteletére, Janssen és Lockyer kettős képével. Lockyer alapította 1869-ben a világ jelenleg legtekintélyesebb természettudományos hetilapját, a Nature-t.
Fontos előrelépést hozott a Nap tanulmányozásában a színképelemzés. Már 1670 körül Isaac Newton egy prizmával színekre bontotta a fehér fényt (ezt a szívességet a szivárványt okozó esőcseppek is megteszik), és azt is bebizonyította, hogy a színképet alkotó színeket összegyűjtve ismét fehér fényt kapunk.
Később kiderült, hogy a színek a fény különböző rezgésszámától vagy hullámhosszától függnek. A csillagászatban a látható fény esetében a hullámhosszakat használják, amelyeket a milliméter tízmilliomod részében (10– 10 m) adnak meg. Ezt az egységet A. J. Ångström 1868-ban kiadott színképatlasza alapján, amelyben ezt először használta, ångströmnek (Å) nevezik.
Hamarosan a kivetítés és a fénygyengítő napokulárok használata mellett az akkortájt elterjedő fényképezést is bevonták a Nap megfigyelésébe.
Angliában Warren de la Rue 1858 és 1872 közt fényképezte rendszeresen a Napot, hogy egy teljes 11 éves ciklust megörökítsen, de tovább nem tudta folytatni munkáját. A fontos programot a Királyi Greenwichi Obszervatórium vette át. Az 1874-es és 1882-es Vénusz-átvonulások fotografikus rögzítésére a Dallmeyer cég több fotoheliográfot is készített W. de la Rue távcsöve alapján. Ez a távcső több mint száz évig szolgált, egészen 1977-ig, amikor is a Nemzetközi Csillagászati Unió (IAU) megbízásából az MTA debreceni Napfizikai Obszervatóriuma vette át a fotoheliográf-programot. A többi Dallmeyer fotoheliográf a Vénusz-átvonulási expedíciók után elkerült a világ különböző részeire, Mauritiusra, Dehra Dúnba (India) és Fokvárosba, ahol gazdagították a Greenwich Photo-Heliographic Results (GPHR) napfoltkatalógus mindennapos észleléseit. Ez a katalógus máig is a napfoltciklus statisztikai kutatásainak alapanyaga, hosszú, homogén adatsorával.
Angelo Secchi olasz katolikus csillagász, jezsuita szerzetes 1877-ben fedezte fel az úgynevezett szpikulákat, amelyek kis méretskálájú, mágneses, gejzírszerű anyagkilövellések a Nap kromoszférájában, a naplégkör fotoszféra és korona között elhelyezkedő egyik rétegében. Az asztrofizikai léptékkel mérve keskeny, pár száz kilométer átmérőjű plazmaoszlopok a napfelszín feletti mintegy 5-8 ezer kilométer magasságba képesek emelkedni. Becslések szerint minden pillanatban több millió lehet belőlük a Nap légkörében.
A napfizika súlypontja a századfordulón átkerült az Amerikai Egyesült Államokba, ahol G . E. Hale a Mount Wilson Observatory létrehozásával az akkori világ legnagyobb naptávcsöveit építette meg, 1908-ban felfedezte a napfoltok mágneses terét és megalkotta a spektrohelioszkópot, tehát egyrészt a naptevékenység fizikai alapjait tisztázta, másrészt a kromoszféra-megfigyelések megindításával a flerek tanulmányozását kezdte el. Több spektrohelioszkóp adományozásával Hale egy megfigyelőhálózatot is szervezett a Földön, amely rendszeresen, napi 24 órában figyelte a kromoszférát, a flereket.
A földi hatások fontossága miatt a Nap megfigyelésében bizonyos mértékig kettéválik a rendszeres napszolgálat (amely például az Egyesült Államokban a légierő meteorológiai szolgálata keretében működik) és a napfizikai kutatásokkal foglalkozó obszervatóriumok (például Big Bear, Debrecen, Hawaii, Kijev , Kitt Peak, Krím, La Palma, Meudon, Mount Wilson, Ondřejov ,Peking, Pic du Midi, Potsdam, Pulkovo, Sacramento Peak, Tenerife, Tokió, Usszurijszk, Wrocław , Yunnan) munkája. Az utóbbiak egy része szolgálat jellegű, rendszeres megfigyeléseket is végez speciális, egyedi műszereivel, és ennek adatait az interneten rendszerint hozzáférhetővé is teszik.
Boulderben (USA, Colorado) lévő NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), amelyben két csoport is foglalkozik a naptevékenységgel, egyrészt a Space Environment Center, amely nagyrészt a légierő obszervatóriumhálózatára alapozva az operatív riasztást és előrejelzést (SESC–PRF) adja, másrészt a National Geophysical Data Center, amely archiválja és közzéteszi az egész világból származó megfigyeléseket. Ez utóbbinak kiadványa a Solar-Geophysical Data (SGD), amely egy-két-hat hónapos késéssel közli a megfigyeléseket, ezért a megfigyelések feldolgozásában alapvető jelentőségű.