A Föld légköre a felszín közelében semleges atomokból és molekulákból áll, azaz elektromosan szigetelő. Nagyobb magasságokban a napsugárzás hatására egyre nagyobb mértékben ionizálódik, s ezzel nő az elektromos vezetőképessége. Az ún. ionoszférában, kb.90 km felett az ionizáció már számottevő, és éjjel-nappal fennmarad. A magasság további növelésével a légkör tovább ritkul, s az ionizált gáz hányada növekszik.
A rádiós műsorszórás elindulásakor, különösen a rövid, néhányszor tíz méteres hullámhosszakon, fedezték fel az ionoszférát, a földi légkör felső, nagyjából 100–200 kilométer magasságban lévő, elektromosan töltött részecskéket tartalmazó rétegét. Erről visszaverődve a rádióhullámok nagy távolságokra is el tudtak jutni, a földfelszín és az ionoszféra közt oda-vissza verődve. Az is gyorsan kiderült, hogy az ionoszférának jelentős napi, évszakos és naptevékenységtől függő változásai vannak. Ez utóbbiak két részre oszthatók, vannak, amelyek lassan, a naptevékenység átlagos szintjével együtt változnak, és vannak hirtelen, nagy változások flerek idején és után.
Az ionoszféra felett, kb. 2000-3000 km-től kezdve a légkör teljesen ionizáltnak tekinthető, s ritkasága miatt a részecskék ütközései is elhanyagolhatók. A részecskemozgást itt főként a mágneses tér határozza meg, ezért a felső légkörnek ezt a részét magnetoszférának nevezzük. Benne a légkört lényegében protonokból és elektronokból állónak tekinthetjük. Összetételét tekintve a földi légkör folytonosan olvad bele az interplanetáris tér anyagába. Ez utóbbi nem más, mint a Nap légkörének legkülső része, és túlnyomórészt protonokból és elektronokból álló teljesen ionizált gáz (plazma), mely ideálisan jól vezető gáz.
A magnetoszféra formáját a napszél és a Föld mágneses terének kölcsönhatása alakítja. Ehhez hasonlóan a napszél és a Naprendszer körüli intersztelláris plazma kölcsönhatása alakítja ki a hélioszféra tartományát, a fogalmak is a magnetoszféráéhoz hasonlók. A hélioszférát a környező intersztelláris gáztól a héliopauza választja el. Ott ahol a napszél és a környező intesztelláris plazma nyomási egyensúlyban van. A Voyager 1 szonda 2012-ban jelezte, hogy áthaladt ezen a határfelületen, ami a Naptól 121 Csillagászati Egység távolságra történt meg.Ez a Naprendszer plazmakörnyezetének határát jelenti a Naprendszer intersztelláris térben való haladásának irányában.
A Napból érkező részecskeáram és a földi mágneses tér kölcsönhatására először a napkitöréseket (flereket) követő ún. mágneses viharok hívták fel a figyelmet.
A magnetoszférában lezajló rövid idejű változásokat mágneses viharoknak nevezzük. A napszél átlagos sebessége a Föld környezetében 4-500 km/s körüli. Ha a napszél sebessége 6-700 km/s-ra nő, akkor számíthatunk geomágneses viharra. Ilyen növekedés kapcsolódhat egyrészt napkitöréshez, másrész pedig a Nap sarki területeiről kiinduló, mindig nagyobb sebességű, ill. energiájú napszélhez is.
A naptevékenység hatással van a földi időjárásra is (lásd Maunder-minimum). Több esetben sikerült kimutatni időjárási elemek, (mint például a csapadékmennyiség vagy a hőmérséklet) 11, ill. 22 éves periodikus változását.
A napkutatásnak Edward Sabine felfedezése adott új lendületet, amikor összehasonlította S. H. Schwabe napciklusát az általa feldolgozott földmágneses mérésekkel, és úgy találta, hogy a napfoltok és a mágneses zavarok száma párhuzamosan változik. A naptevékenység tehát valamilyen módon befolyásolja a Föld mágneses terét. Később, ahogy a technika fejlődött, egyre-másra derültek ki a naptevékenység hatásai a Föld kozmikus környezetére, az „űridőjárás” különböző jelenségei.
Mágneses viharok következményei
Sarki fény
A földmágnesség változásai és a sarki fény összefüggését már Anders Celsius svéd csillagász (a hőmérsékleti skála bevezetője és a Gergely-naptár svédországi bevezetésének lelkes propagálója) és asszisztense, O. P . Hiorter felfedezte 1741-ben. James Cook kapitány a déli szélességeken is megfigyelt sarki fényt az 1700-as években, ugyanekkortájt P . W. Wargentin következtetett a sarkifény-övezetekre a mágneses sarkok körül. Később ismertté vált, hogy nagy
mágneses viharok idején a sarki fények az Egyenlítőhöz lényegesen közelebb is megfigyelhetők. Az úgynevezett sarkifény-ovális egy kb. 3000 kilométer átmérőjű gyűrű a mágneses sarkok körül, ahol nyugodt körülmények között majdnem állandóan megfigyelhető a sarki fény . Ez kb. a 60–70 fokos földmágneses szélességnek felel meg.
A naptevékenységnek talán az egyik leglátványosabb földi hatása a sarki fény, melyet a két pólus közében figyelhetünk meg. A jelenséget az elektronok által gerjesztett oxigénatomok rekombinálódása okozza 90-130 km-es magasság tartományban. Erre utal az, hogy sarki fény az oxigén és a nitrogén két fő hullámhosszán sugároz: a 630.0 nm-en (vörös) és az 557.7 nm-en (zöld). Az oxigén vörös, a nitrogén zöld fényt bocsát ki. A zöld sarki fény sokkal gyakoribb, mert a levegőben és így az ionoszférában sokkal több a nitrogén. Maga a jelenség egy pólus középpontú ovális mentén keletkezik. Átlagos távolsága a mágneses pólusoktól 4000 km. A sarki fényes éjszakák száma a 67. fok környékén a legnagyobb, itt a sarki fényes éjszakák száma eléri a 300-at, míg Magyarországon ez a szám 1 és 5 közé esik, és intenzitása is sokkal kisebb.
A sarki fény erőssége erősen korrelál a naptevékenységgel. Ezt támasztják alá azok a beszámolók is, amelyek a korábban tárgyalt Maunder-minimum alatt születtek, ekkor ugyanis egyáltalán nem vagy csak nagyon gyenge sarki fényt figyeltek meg. Ez érthető is, mert a jelenség, akkor jön létre, amikor egy fler hatására a magnetoszféra csóvájában az erővonalak záródnak és az ott felhalmozódott töltött részecskék a magnetoszféra alsó részébe kerülnek. A részecskék egy része pedig bekerül a sarki fény -örvényszerű mágneses térrel rendelkező- zónájába, és ionizálják a levegőt.
A változó mágneses tér által keltett indukciós áramok keletkezése
Megfigyelték, hogy már kis geomágneses aktivitás hatására elektromos áram indukálódik a vezetékben. Ez különösen erősen jelentkezik a nagyon hosszú, például a transzatlanti vagy a kanadai–észak-amerikai telefon és távíróvezetékeken. 1859-ben megfigyelték, hogy sarki fény idején, azaz mágneses viharban hiába kapcsolták le a hálózatot a feszültségforrásról, a hálózat a lekapcsolásra fittyet hányva működik tovább. Fölfigyeltek arra is, hogy a vezetékben indukált áram ingadozásai összefüggésben állnak a sarki fény intenzitásának ingadozásával. A nagyobb napkitörések által kiváltott geomágneses viharok néha egészen megdöbbentő hatásokat hoznak létre ezekben a vezetékekben.
Az 1930-as években nagyobb mágneses viharok áramütéseket okoztak a távírdák személyzeténél, komolyan megzavarva a távközlést. Az 1978. január 10-11. között lejátszódó geomágneses vihar például az USA-t Skóciával összekötő Transzatlanti vezetékben 2700 V-os feszültséget indukált. Ennek hatására több városban szinte teljesen összeomlott a telekommunikációs hálózat. 1958-ban Torontóban geomágneses vihar következtében megsemmisült az áramelosztó rendszer, aminek hosszabb áramkimaradás lett a következménye. Hasonló eset történt 1972 szeptemberében az USA-ban, amikor a nagy napaktivitás hatására a túlterhelődött transzformátorok felmondták a szolgálatot. 1989. márciusában egy ilyen eseményt követően transzformátorok égtek le, és a kanadai Quebec tartomány 9 órára áram nélkül maradt.
Észak-Amerika több szempontból is jobban ki van téve a veszélynek: egyrészt Kanada északkeleti részén található a Föld északi mágneses sarka (amely déli mágneses polaritású, mivel északi mágneses pólusnak az iránytű azon részét nevezzük, amely észak felé mutat, és az ellentétes mágneses pólusok vonzzák egymást). Másrészt Kanada és az Egyesült Államok északi területeinek talaja rosszul vezető vulkanikus kőzet. Emiatt a mágneses tér ingadozásakor keletkező indukált áramok nem tudnak a talajban rendesen terjedni (mintha, mondjuk, mocsár lenne), hanem kénytelenek a vezetékekben, beleértve ebbe például az alaszkai olajvezetékeket is. Az elektromos vezetékekben a háromfázisú rendszerekben nagy földáramokat (több száz amper) hozhatnak létre, tekercselések sérülését, leégését okozva, az olajvezetékekben pedig a kóboráram korróziót, a csővezeték kilyukadását okozhatja.
A gáz- és kőolajvezetékeket úgy védik a korrózió ellen, hogy a vezetéken áramot vezetnek keresztül. A védőáramot szolgáltató és ellenőrző berendezések a geomágneses háborgások alatt túlterhelésnek lehetnek kitéve. Jó példa erre az Alaszkában található, 1300 km-es kőolajvezeték, amelyben 1978. augusztus 5-én 85A nagyságú indukált áramot és 130000 V/km nagyságú térerősséget regisztráltak.
Napszél hatása
A napkoronából induló napszél töltött részecskéi (főleg protonok, elektronok) – ha felerősödnek egy-egy fler vagy koronakitörés hatására – akár halálos hatásúak lehetnek egy-egy védtelen kozmonauta számára. Ezektől a sugárzásoktól nagyon jól megvéd minket földi környezetünk. Egyrészt a légkör, amely a fényen és bizonyos hullámhosszúságú rádióhullámokon kívül minden más elektromágneses sugárzást elnyel, másrészt a Föld mágneses tere, amely a környezetébe érkező töltött részecskéket, a napszelet eltéríti, ezáltal egy üstököscsóva-szerű barlangot, a Föld magnetoszféráját alakítja ki a napszélben. A védelem persze áldozatokkal is jár. Éppen az elnyelt nagy energiájú sugárzás az, amely a felső légkörben az elektronokat kiszakítja a gázok atomjaiból, létrehozva az ionoszférát. Egy mellékhatása ennek a folyamatnak,
hogy éjszaka az ionok ismét igyekeznek visszaszerezni elektronjaikat, és e rekombináció közben kibocsátják az elnyelt fényt. Emiatt az éjszakai égboltnak van egy kis, állandó fényessége, ami megakadályozza a nagyon halvány (kb. 24 magnitúdónál halványabb) égitestek megfigyelését, többek között ezért is kellett az űrtávcsövet felküldeni a légkörön túlra.
Flerek hatásai
Egy-egy nagyobb fler hatására a Nap ibolyántúli sugárzása többszörösére, a röntgensugárzása több nagyságrenddel megnőhet. Ez nyilván erősen és azonnal befolyásolja az ionoszférát, megnöveli az ionizációt, sőt a töltött részecskék számának növekedése, nagyon nagy flereknél, még a Föld mágneses terében is képes kisebb kiugrást okozni.
Az erősebb sugárzás az ionoszférán kívül magát a légkört is felmelegíti, ezáltal kiterjedését megnöveli, ami az alacsony (200–300 kilométer magasságú) pályákon keringő mesterséges holdak nagyobb fékeződését jelenti. A vártnál nagyobb naptevékenység miatt felfúvódott légkör okozta a Skylab űrobszervatórium korábbi visszazuhanását. Egy-egy nagyobb fler után az észak-amerikai NORAD központ, amely a Föld körül keringő tárgyakat követi, több száz ismeretlen objektumot jelez, mivel az erősebb fékeződés miatt az ismert tárgyak pályája olyan mértékben megváltozik, hogy a számítógépek nem ismerik fel.
A flerek által okozott ionoszférazavarok a GPS-navigáció hibáit is növelik, sőt 2003 októberében előfordult, hogy a fler rádiósugárzása rövid időre elnyomta a GPS-műholdak adóinak jeleit.
Napjainkban a modern társadalmakban számos művelet során használunk műholdakat. A legnyilvánvalóbb alkalmazásokon kívül (csillagászati és meteorológiai műholdak, GPS) példaként néhány további alkalmazási terület: műsorszórás, kontinensek közötti kommunikáció (pl. telefon), banki műveletek (pl. bankkártya használata vásárláskor). Ezeknek az igényeknek a kiszolgálására több száz, különböző pályákon mozgó műhold van állandóan használatban.
Ezek közül a pályák közül a legolcsóbb az alacsony földkörüli pálya (LEO) használata, mivel ennek eléréshez kell a legkevesebb energia, azonban a LEO-pályán mozgó műholdak vannak leginkább kitéve a légkör fékező hatásának, erre pedig nagy hatással van a naptevékenység.
Emlékezetes az 1989-es napvihar, amikor több száz műhold pályájának magassága csökkent le hirtelen több kilométerrel (egyiküké 30 km-rel), ami jelentősen lecsökkentette az élettartamukat. A légkörben haladó űreszközök magasságvesztésének folyamatát intenzíven kutatják, nem csak az élettartam csökkenése miatt, hanem azért is, mert a sűrűbb légkörbe belépő, irányíthatatlan eszközök izzó darabjai lakott területekre is zuhanhatnak. A legtöbb alacsony pályás műhold elegendően kis méretű, így a sűrűbb légkörben elégnek, darabjaik nem hullanak le a felszínre.
Nagyobb eszközök darabjai azonban túlélhetik a zuhanást és elérhetik a felszínt. Ezeket a nagyobb műholdakat természetesen ellátják hajtóművel, ezért a légkörbe való belépésük kontrollált, kiszámított pályán zajlik, becsapódási területük általában a Csendes-óceán lakatlan része. A nagy űreszközök alól kivételesnek számít a Nemzetközi Űrállomás (ISS), aminek nincs önálló meghajtása, ezért a magasságvesztését sem tudja önállóan pótolni. Napaktivitás maximuma idején akár napi 400 m-t is veszíthet a magasságából (146 km/év), míg napminimum esetén ez az érték 80 m/nap (29 km/év).
Rendszeres magasságemelés hiányában az ISS néhány év alatt belépne a sűrűbb légkörbe, és lezuhanna a felszínre. Emiatt gondos tervezést igényel egy ekkora űreszköz életciklusának utolsó fázisa, mert azt kell biztosítani, hogy előre kiszámított időszakban és pályán haladjon, és a Föld valamely lakatlan területén csapódjon be.
A közepes és magas pályán, valamint a geoszinkron pályán haladó műholdakra már nem hat a légkör fékező hatása. Ezekben a magasságokban problémát okoznak az elektromos feltöltődés és a nagy energiájú sugárzás. Az ilyen műholdak pályájuk egy részén a Van Allen-övben haladnak, ahol az itt áramló nagy energiájú részecskék tönkretehetik a műhold érzékeny áramköreit.
Koronakitörések hatásai
A napszélben tovaterjedő lökéshullámok, plazmafelhők, hasonlóan a flerek által keltettekhez, csakhogy elindulásukat nem kíséri fler. Egy-egy zárt mágneses hurokrendszer, esetleg az alatta lebegő protuberanciával együtt elveszti egyensúlyát, és elszáll a bolygóközi térbe. CME esetében nem történik a napkoronában nagy energiafelszabadulás, a mágneses tér kinyílik a bolygóközi tér felé, és elengedi a CME-buborékot. Legtöbbjük oldalra terjed, így jól látható, hogy a flerek által okozott CME-k sebessége két-háromszorosa a fler nélküliekének. Az említett 2006. decemberi időszakban a két fler által okozott CME sebessége 1780 és 1040 km/s volt, a legnagyobb fler nélkülieké 435 és 540 km/s. Julius Bartels német geofizikus M-régióknak nevezte el a Napnak azon területeit, amelyek a visszatérő mágneses zavarokat okozzák. Végül a Skylab űrobszervatórium felvételein sikerült azonosítani az M-régiókat a koronalyukakkal. Ezeken a helyeken a napkorona sötétebbnek látszik, mivel a mágneses tér a bolygóközi tér felé nyitott, nem tudja megtartani a korona anyagát. A koronalyukakból származó napszél sebessége nagyobb, mint az átlag, ezek a gyors napszélnyalábok okozzák a zavarokat a földi mágneses térben. Mivel a koronalyukak hosszú életű képződmények, a gyors napszélnyalábok pedig velük együtt forognak, a zavarok is visszatérnek a Nap forgási periódusával.
Egy koronakitörés után a Föld magnetoszféráján kívül keringő
- naprendszerkutató űrszondák,
- a geostacionárius pályán (36 000 km magasan) működő távközlési és meteorológiai hodak, és
- a kb. 20 000 km magasan keringő helymeghatározó és navigációs műholdak kerülnek veszélybe legelőbb. A nagyobb energiájú töltött részecskék a fedélzeti számítógépek bitjeit írhatják felül, az alacsonyabb energiájú töltött részecskék viszont feltöltődést, majd kisülést okozhatnak.
Magnetoszféra egyéb zavarai
A magnetoszférán belül a Föld mágneses tere, kívül a napszél mágneses tere határozza meg a részecskék mozgását. A Nemzetközi Geofizikai Év egyik első váratlan mérési eredménye a Van Allen-övek, a Föld sugárzási övezeteinek felfedezése volt. A sugárzási övek a mágneses egyenlítő mentén veszik körbe a Földet, ott vannak legmagasabban, de az erővonalak mentén a mágneses sarkok közelében már el is érhetik a felső légkört. A külső sugárzási öv és a légkör találkozásánál alakul ki a sarkifény-ovális, itt ugyanis a légkör felső rétegeibe bejutó nagy energiájú részecskék a légköri ionokat fénylésre gerjesztik.
A magnetoszférába behatoló nagy energiájú részecskék az eddig említetteken túl más galibákat is tudnak okozni. Bizonyos esetekben még a földfelszín fölött elég magasan található geostacionárius pályán is megjelennek energikus elektronnyalábok. Ezek a részecskék, nagy áthatolóképességük miatt, könnyen behatolnak a szigetelőanyagokba, és így elektromosan feltöltik azokat. Ha ez az elektrosztatikus feltöltődés elég nagy, szikrázás, átívelés következhet be, és az érzékeny áramkörök tönkremehetnek a mesterséges holdakon. Különösen távközlési műholdak esetében ez komoly veszteségeket okozhat. Megfelelő energiájú töltött részecskék könnyen átbillenthetnek egy-egy bitet a fedélzeti számítógépek memóriájában, megzavarva ezzel a programokat.
A részecskék a magnetoszféra csóvájából főleg a sarkifény-zónákban érik el a Föld felső légkörét, megzavarva a sarkvidék ionoszféráját. A megnövekedett ionizáció miatt a rádióhullámok elnyelődnek, lehetetlenné válik a rövidhullámú rádiókapcsolat, emiatt a sarkvidéken át haladó repülőjáratokat (Egyesült Államok–Hongkong, Egyesült Államok–Japán) kerülő útvonalakon, lényegesen hosszabb távon kell járatni, nagy többletköltségekkel.
A technika fejlődése és a fejlett technikától való függés sebezhetővé teszi mindennapjainkat a Nap hatásaival szemben. Igaz, ezeknek a hatásoknak a megismerése egyrészt lehetővé teszi, hogy felvértezzük az elektromos berendezéseket, műholdon lévő számítógépeket a sugárzás káros hatásai ellen, másrészt megfelelő időben történő előrejelzéssel csökkentsük a lehetséges veszélyt (kikapcsolással, fedezékbe vonulással).