Výskum Slnka na Astronomickom ústave SAV

RNDr. Aleš Kučera, CSc., RNDr. Ján Rybák, CSc.

Astronomický ústav SAV

Od prvého pozorovania Slnka na Observatóriu na Skalnatom plese uplynulo 60 rokov. História výskumu Slnka na Astronomickom ústave SAV (AsÚ) sa začala písať 19. septembra 1943 o 7:00 pozorovaním slnečnej fotosféry. Za uplynulých 60 rokov od prvého pozorovania prešiel výskum Slnka pod Tatrami dlhú, niekedy zložitú, ale určite úspešnú cestu.

I. Základné etapy rozvoja

Kvalita akéhokoľvek výskumu a teda aj výskumu Slnka sa odvíja od troch základných predpokladov. Prvým a najdôležitejším je ľudský potenciál – kvalitní vedeckí a odborní pracovníci. Druhým je dostatočný prístup k výkonnej  pozorovacej technike a tretím je dostatok financií na výskum. Aj keď nie vždy malo Oddelenie fyziky Slnka na AsÚ SAV naraz k dispozícii všetky tri menované atribúty, prispelo k svetovým poznatkom o Slnku významnou mierou. Výskum Slnka na AsÚ SAV sa rozvíjal v niekoľkých etapách, ktoré boli spojené hlavne s prístupom k novej prístrojovej technike a otváraním nových možností.

Začiatky

Začiatky boli veľmi skromné. Malá skupinka pracovníkov sa venovala na Skalnatom plese fotografovaniu slnečnej fotosféry a zákresľovaniu slnečných škvŕn. Kresby Slnka sa robia na AsÚ SAV dodnes a dáta sú stále zasielané do svetového centra, ktoré je v súčasnosti na Observatoire Royal de Belgique. Vznikol tak unikátny rad pozorovaní získaných rovnakou metódou, z ktorého dodnes vedci čerpajú podklady k štúdiu premennosti a periodicity slnečnej činnosti a aj rotácie slnečných škvŕn. Archív fotografických platní Slnka na našom ústave patrí k najbohatším v Európe.

Prichádza fyzika koróny

Významným medzníkom v rozvoji slnečnej fyziky na Slovensku bolo postavenie Observatória na Lomnickom štíte v r. 1962, kde je umiestnený dvojitý koronograf. Náš výskum Slnka sa tak rozšíril aj do oblasti slnečnej koróny. Zaradili sme sa tak k necelej desiatke špičkových pracovísk vo svete, ktoré vysoko v horách študujú najvrchnejšiu časť slnečnej atmosféry. Spektrograf umiestnený na koronografe na Lomnickom štíte dovolil získavať spektrá koróny. To radikálne zmenilo náš dovtedajší spôsob výskumu Slnka, pretože štatistické a morfologické štúdie boli doplnené fyzikou. Výsledky výskumu slnečnej koróny a protuberanciíi získané z pozorovaní na Lomnickom štíte, z mnohých expedícií za zatmením Slnka a tiež z kozmických pozorovaní, sú pýchou AsÚ SAV a sú im venované dva samostatné príspevky v tomto čísle Kozmosu.

Vstupujeme do chromosféry

Ďalším rozšírením komplexného výskumu Slnka bola inštalácia H-alfa filtra na ďalekohľade na Skalnatom plese v októbri 1971. Tým sme vyplnili v pozorovaniach medzeru medzi fotosférou a korónou a  mohli sme začať štúdium slnečnej chromosféry a chromosférických erupcií. Fotografické záznamy detailov slnečných škvŕn a erupcií umožnili študovať morfologický vývoj erupcií a ich súvis so slnečnou aktivitou a zmenami magnetických polí. O bohatý archív chromosférických pozorovaní (príklad viď na obr.1) je stále záujem, aj keď sa už s ich pozorovaniami skončilo, pretože chýbali zdroje na obnovu opotrebovaného H-alfa filtra.

Snímka slnečnej chromosféry z archívu Astronomického ústavu SAV

Fyzika fotosféry a chromosféry

Veľkým prelomom v prístrojovom vybavení a rozšírení jeho možností výskumu bolo dobudovanie komplexu ústavu v Starej Lesnej v  r. 1986. Horizontálny slnečný ďalekohľad so spektrografom s vynikajúcimi parametrami, ktoré ešte i dnes patria k európskemu priemeru, je prístrojom, ktorý dovoľuje získať spektrá fotosféry a chromosféry s dostatočným rozlíšením, aby mohli byť zmysluplne fyzikálne interpretované. Na druhý slnečný prístroj v Starej Lesnej – dvojitý slnečný ďalekohľad, bol prenesený pozorovací program zo Skalnatého plesa. Tým sa zavŕšila naša snaha o komplexný výskum slnečnej atmosféry, počnúc slnečným povrchom a končiac korónou. Chýbalo už len pokrytie malej časti – prechodovej vrstvy, ktorú je možné pozorovať iba v UV a X žiarení z kozmu, pretože zemská atmosféra uvedené žiarenie pohlcuje.

Tri snímky slnečnej fotosféry získané na Skalnatom plese v auguste 1984. (Na snímke, kde je viditeľný okraj Slnka, sú viditeľné aj fakulové polia - svetlejšie plochy.)

K svetovej špičke, do kozmu a na INTERNET

Snaha pracovníkov ústavu o komplexný a detailný výskum slnečnej atmosféry sa zavŕšila na prelome 90-tych rokov, keď sa otvorili možnosti úzkej spolupráce zo zahraničím. Vďaka vynikajúcim vedeckým výsledkom a úspešnej spolupráci s „Kiepenheuer-Institut für Sonnenphysik“ vo Freiburgu a s „Instituto de Astrofisica de Canarias“ v La Lagune, je našim pracovníkom pravidelne od r. 1992 k dispozícii jeden z najväčších slnečných ďalekohľadov sveta „Vacuum Tower Telescope“ na ostrove Tenerife na Kanárskych ostrovoch (viď. obr.2). Prestížne výsledky dosiahnuté pracovníkmi ústavu týmto prístrojom umožnili od r. 1996 našu aktívnu účasť aj na najväčšom kozmickom projekte pre výskum Slnka, na SOHO (Solar Heliospheric Observatory). SOHO disponuje prístrojmi ktoré pozorujú hlavne tú časť slnečnej atmosféry, ktorá je nedostupná pre pozorovania zo Zeme (horná chromosféra, prechodová vrstva, koróna v UV a X žiarení), meria slnečné magnetické pole a dynamické pohyby fotosféry a pozoruje korónu dvoma mimozatmeňovými koronografmi.

Vákuový vežový teleskop (VTT) na ostrove Tenerife na Kanárskych ostrovoch, ktorý pravidelne využívajú pracovníci AsÚ SAV na získavanie spektier slnečnej atmosféry s veľkým priestorovým a spektrálnym rozlíšením.

Finančné problémy, ktoré už dlhší čas sužujú celú oblasť vedy na Slovensku, donútili AsÚ SAV utlmiť niektoré pozorovania fotosféry a chromosféry v Starej Lesnej a nahradiť ich dátami získanými z „Virtuálneho slnečného laboratória“ na INTERNETE. Toto „laboratórium“ je prístupné vďaka nášmu vkladu do jeho databáz a vďaka širokej medzinárodnej spolupráci. Môžeme tak napríklad pravidelne dopĺňať snímky fotosféry a chromosféry z Observatória Kanzelhöhe v Rakúsku, koronálne pozorovania z Mauna Loa na Havaji či z japonských korónografov a máme prístup k unikátnym dátam z družice SOHO, TRACE a YOHKOH.

Naši slneční fyzici sa svojimi vedeckými prácami, pozorovacími dátami z vlastných prístrojov, priamou účasťou na pozorovaní Slnka s najlepšou svetovou technikou a prístupom k dátam „Virtuálneho Slnečného laboratória“ významnou mierou podieľajú na budovaní moderného obrazu našej najbližšej hviezdy.

II. Výskum Slnka na Astronomickom ústave SAV

Pracovníci ústavu počas 60-ročnej histórie publikovali vedecké a odborné práce hlavne z oblasti výskumu slnečnej koróny, slnečného cyklu, aktívnych oblastí, erupcií, dynamiky granulácie, fotosféry, chromosféry a prechodovej vrstvy. Vedecká produkcia a efektivita výskumu prudko vzrástla po r. 1990 vďaka zintenzívneniu medzinárodnej spolupráce a prístupu k špičkovej pozorovacej technike a dátam. Vzhľadom na množstvo prác, je zrejmé, že je nemožné vymenovať všetky hodnotné vedecké výsledky, ktorými pracovníci ústavu prispeli k svetovým poznatkom o Slnku. Obmedzíme sa preto len na spomenutie niekoľkých najvýznamnejších výsledkov, ktoré boli široko akceptované vo vedeckej komunite.

Umiestnenie optovláknového zariadenia v budove spektrografu HSĎS v Starej Lesnej.

Najvýznamnejšie výsledky výskumu Slnka na AsÚ SAV

Magnetické prepólovanie Slnka a tvar koróny. Analýza konfigurácie polárnych koronálnych lúčov pozorovaných počas úplných zatmení Slnka a vypočítaná extrapolácia magnetických polí v koróne ukázala, že neplatí zaužívaná predstava o sploštenom tvare slnečnej koróny iba v minime slnečného cyklu. Aktuálny tvar koróny závisí viac na polohe a sklone slnečného magnetického rovníka ako na fáze slnečného cyklu. Koróna preto môže byť výrazne sploštená aj v maxime slnečného cyklu.

Určenie magnetického poľa v koróne. Priame meranie indukcie magnetického poľa v koróne je problematické. Navrhli sme unikátny spôsob nepriameho určenia magnetického poľa v koróne využitím objavu antikorelácie medzi jasnosťou emisnej koróny a  stupňom jej polarizácie.

Katalóg LDE erupcií. Pre roky 1969-1999 bol vytvorený katalóg dlhotrvajúcich röntgenových erupcií (LDE), ktoré významnou mierou ovplyvňujú fyzikálne parametre zemskej ionosféry. Precízne spracovanie katalógu ho zaraďuje medzi základnú databázu potrebnú pre pracovníkov v oblasti prognózovania slnečnej činnosti a pre expertov na „kozmické počasie“. Z časovo-priestorového rozloženia LDE erupcií sme zistili ich zvýšený výskyt v miestach magnetického prepólovania a ich variáciu v závislosti na slnečnom cykle.

Objav nových štruktúr v strednej fotosfére. Z vysokodisperzných slnečných spektier boli zistené nové intenzitné štruktúry vyskytujúce sa v hornej fotosfére a útlm teplotných fluktuácií vo výškach 250-300 km na slnečným povrchom.

Zavedenie dvojdimenzionálnej fotometrie slnečnej fotosféry pomocou optických vlákien. Pracovníci ústavu ako prví zaviedli určovanie rotačných rýchlostí fotosférickej plazmy použitím optovláknovej techniky. Zariadenie (viď obr.3 a 4) je umiestnené na Horizontálnom slnečnom ďalekohľade so spektrografom v Starej Lesnej.

Nová metóda pre určovanie výšky tvorenia spektrálnych čiar vo fotosfére. Zaviedli sme novú metódu na určovanie výšky tvorenia spektrálnych čiar v slnečnej atmosfére meraním fluktuácií Dopplerovských rýchlostí pozdĺž štrbiny spektrografu.

Dynamický a teplotný náraz erupcie do fotosféry. Analýzou vysokodisperzných spektier chromosféry a fotosféry získaných na VTT na Tenerife bol podaný dôkaz, že horná fotosféra vo výškach 300-500 km je vplyvom erupcie intenzívne ohrievaná a je zmenená jej dynamika.

Premenlivá rotácia slnečnej koróny. Analýza rotácie slnečnej koróny v zelenej emisnej čiare za obdobie rokov 1947–1991 ukázala, že koróna rotuje ako tuhé teleso len niekoľko rokov počas slnečného minima a pred ním a mení rotáciu na diferenciálnu na začiatku nového slnečného maxima. Koncept priemernej rotácie koróny tak stratil fyzikálnu opodstatnenosť.

Prognóza slnečnej aktivity do r. 2010-2011. Porovnaním premennej svietivosti slnečnej koróny a indexu slnečných škvŕn za obdobie rokov 1943-1999 sme prognózovali slnečnú aktivitu na obdobie prebiehajúceho 23 a budúceho 24 slnečného cyklu. Pre budúce „kozmické počasie“ je dôležitá prognóza hlbokého sekulárneho minima v 24 slnečnom cykle. Pre prognózovanie boli využité aj unikátne polarizačné merania urobené pracovníkmi ústavu počas 10-tich úplných zatmení Slnka. Významným výsledkom je aj zistenie, že cyklus slnečnej aktivity je rôzny pre rôzne heliografické šírky. Obr. č. 5. ukazuje niekoľkoročný posun cyklu slnečnej aktivity medzi rovníkovými oblasťami (-15° až + 15°) a strednými šírkami (20° až 40°).

Observačné potvrdenie nárazových vĺn v slnečnej granulácii. Z vlastných spektrálnych dát získaných na VTT na Tenerife s veľkým priestorovým rozlíšením pri použití adaptívnej optiky na stabilizáciu obrazu, sme po prvý krát dokumentovali časový vývoj nárazovej vlny a následného šoku na rozhraní granula-intergranula v slnečnej fotosfére. Takéto ultramalé aktívne útvary v slnečnej atmosfére (0.2“) je možné odhaliť iba v dátach ktoré sú na špičke súčasnej slnečnej observačnej techniky.

Významnou súčasťou výskumu Slnka je jeho vplyv na našu Zem. Tejto problematike, v súčasnosti nazývanej „Kozmické počasie“, sa venujú pracovníci ústavu intenzívnejšie od 80-tych rokov minulého storočia. Táto rozsiahla interdisciplinárna oblasť výskumu je nielen mimoriadne zaujímavá, ale má i veľký priamy aplikačný význam. Skúmali sme hlavne slnečnú časť tohoto komplexného problému, najmä cyklus aktivity na Slnku v rôznych jeho prejavoch. Svojimi výsledkami sme prispeli do ojedinelej série publikácií “Faktor slnečnej a geomagnetickej aktivity v životnom prostredí” redigovanej dr. A. Prigancovou z GfÚ SAV. Výskum vzťahov Slnko-Zem, sa zameral hlavne na hľadanie súvisu röntgenového žiarenia Slnka, dlho-trvajúcich erupcií, magnetického toku vo fotosfére a koronálnej aktivity Slnka s prejavmi slnečnej aktivity v medziplanetárnom prostredí a s intenzitou kozmického žiarenia. Pracovníci ústavu spolupracovali v tejto oblasti hlavne s kolegami z GfÚ SAV v Bratislave, ÚeF SAV v Košiciach a z SÚH v Hurbanove. Okrem týchto prác sa naši pracovníci venovali i hľadaniu priameho súvisu slnečnej aktivity s počtom dopravných nehôd, s počtom úmrtí na infarkt myokardu a s inými príčinami úmrtí v SR. Tieto súvislosti sa nepotvrdili, ale zistil sa napríklad súvis úmrtnosti na srdcovo-cievne ochorenia s vonkajšou teplotou a inými meteorologickými podmienkami.

Detail optovláknového zariadenia pre dvojdimenzionálnu simultánnu spektrofotometriu slnečnej atmosféry. Na ľavej strane je vstupná časť, kde sú optické vlákna usporiadané dvojrozmerne v ploche a na pravej strane je výstupná časť, kde svetlo opúšťa zariadenie a vstupuje do spektrografu ako jeden stĺpec nad sebou poukladaných optických vlákien. Tým je možné urobiť naraz spektrá všetkých pozícií z ktorých je svetlo snímané na vstupnej dvojrozmernej ploche.

Vedecko-organizačná činnosť.

Výskumná činnosť, to nie je len publikovanie vedeckých prác a prednes referátov na vedeckých konferenciách, ale aj celý rad činností, ktoré priamo či nepriamo súvisia s vedeckou prácou. Patrí sem navrhovanie a realizácia novej observačnej a záznamovej techniky, príprava a realizácia vedeckých projektov a pozorovacích programov, expertízna a edičná činnosť, výuka mladých adeptov vedy, budovanie medzinárodnej spolupráce a organizovanie vedeckých podujatí. Na všetkých uvedených činnostiach sme sa vo svojej 60-ročnej histórii aktívne podieľali ako v rámci AsÚ SAV tak i v širokom medzinárodnom kontexte.

Pracovníci ústavu vyvinuli unikátne zariadenia, medzi ktoré určite patrí mimo-zatmeňový koronograf, pre kozmické experimeny, už spomínané opto-vláknové zariadenie, rýchly koronálny fotometer, a v súčasnosti vyvíjaný automatický systém na pozorovanie chromosférických štruktúr a „on-line“ ukladanie ich obrazov na INTERNET do databázy prístupnej celej vedeckej verejnosti.

Medzi skutočnú raritu v celosvetovom meradle patrí príprava a realizácia neuveriteľného počtu 17-tich expedícií za zatmením Slnka organizovaných našimi pracovníkmi. (Detailný článok od Dr. V .Rušina o týchto expedíciách je na inom mieste v tomto čísle Kozmosu).

Z veľmi úspešných medzinárodných pozorovacích programov navrhnutých a realizovaných našimi pracovníkmi spomeňme aspoň tri pozorovacie programy na družici SOHO zamerané na výskum dynamiky hornej chromosféry a prechodovej vrstvy, sedem programov realizovaných na VTT na Kanárskych ostrovoch zameraných na jemnú spektrálnu analýzu slnečnej fotosféry a chromosféry, dva programy na pozorovanie koróny na observatóriu Norikura v Japonsku a jeden spoločný pozorovací program aktívnych oblastí na Observatóriu Hvar v spolupráci s Univerzitou v Záhrebe v Chorvátsku.

Ukážka 2-4 ročného posunu cyklu slnečnej aktivity medzi aktivitou v rovníkovej oblasti od -15° do +15° (biela časť) a aktivitou v stredných šírkach od 20° do 40° (šrafovaná časť).

Špeciálnou kapitolou v zahraničných stykoch je členstvo a práca v  JOSO (Joint Organization for Solar Observations – Spojenej organizácii pre slnečné pozorovania). V r. 1991 sa pracovníci ústavu zúčastnili výročného zasadania tejto pôvodne čisto západoeurópskej prestížnej organizácie prvý krát a od r. 1992 sa vďaka nim Slovensko stalo regulérnym členom JOSO. V tom istom roku AsÚ SAV organizoval ako prvá inštitúcia východného bloku výročné zasadanie JOSO v Tatranskej Lomnici na ktorom bol náš zástupca zvolený za viceprezidenta uvedenej organizácie a ďalší pracovníci boli zvolení do pracovných skupín pre „Prístrojovú techniku“ a pre „Zatmenia“. V rámci JOSO sa pracovníci ústavu podieľali na organizácii piatich veľkých slnečných „Eurokonferencií“, a mnohých pracovných stretnutí. Od. r. 1992 pravidelne editujú „JOSO Annual Report“ rozosielaný do celého sveta viac ako 200 slnečným fyzikom na 32 pracovísk zaoberajúcich sa výskumom Slnka..

Neoddeliteľnou súčasťou vedeckej práce sú aj dlhodobé a krátkodobé pracovné pobyty v zahraničí a prijatie vedeckých pracovníkov u nás. Pracovníci Oddelenia fyziky Slnka strávili v posledných 10-tich rokoch dovedna neuveriteľných 2585 dní (viac ako sedem rokov) v zahraničí na pobytoch v 29 štátoch sveta a prijali na AsÚ SAV 54 pracovníkov z 12 štátov sveta, čo svedčí o veľmi bohatej medzinárodnej spolupráci.

Výrazom uznania vedeckej práce je aj pridelenie organizovania štyroch medzinárodných konferencií v rámci bývalej spolupráce akadémií vied socialistických štátov v projekte KAPG (Komisia Akademij po Planetarnoj Geofyzike) a pridelenie organizovania kolokvia Medzinárodnej astronomickej únie „IAU Colloquium 144 – „Solar Coronal Structures“ na ktorom sa v r. 1993 zúčastnilo viac ako 130 účastníkov z celého sveta.

Oslava dvoch významných výročí.

Je príznačné, že oslavu 60. výročia založenia Observatória na Skalnatom plese a 50. výročia založenia SAV, ktoré pripadajú na tento rok, pojali pracovníci ústavu pracovne. V júni 2003 organizovali pri tejto príležitosti významné medzinárodné sympózium „Solar Variability as an Input to the Earth Environment“, ktoré bolo záverečným sympóziom veľkého medzinárodného projektu ISCS (International Solar Cycle Studies) riadeného „Vedeckým výborom pre slnečno-zemskú fyziku (SCOSTEP). Na podujatí sa zúčastnilo viac ako 160 účastníkov z 34 štátov celého sveta, odznelo cez 50 kvalitných príspevkov a prezentovalo sa 140 posterov z ôsmich oblastí výskumu Slnka počnúc Sekciou I „Variácia magnetických polí v 23. Cykle“ a končiac Sekciou VIII „Medziplanetárne nárazové vlny a slnečné energetické častice“. Pridelenie tejto konferencie na AsÚ SAV v Tatranskej Lomnici dokumentuje celosvetové uznanie našej práce.

III. Ako ďalej?

Oddelenie fyziky Slnka má po 60-tich rokoch svojej existencie veľmi dobrú perspektívu na ďalší rozvoj. Toto optimistické konštatovanie podporuje viacero faktov. Nedávno prijatý zákon o SAV zakotvil Slovenskú akadémiu vied a tým aj jej kvalitné vedecké ústavy ako nedielnu súčasť našej spoločnosti. Podpora vedy by sa po našom vstupe do EÚ mala významne zvýšiť, čo by konečne vyriešilo vleklé finančné poddimenzovanie našej vedy. Bohaté kontakty so svetovými inštitúciami zaručujú naše trvalé začlenenie do svetového slnečného výskumu. Najviac potešiteľný je ale fakt, že po rokoch problémov s omladením vedeckého potenciálu sa nám podarilo získať kvalitných doktorandov, medzi ktorými už je aj absolvent výuky astronómie na UPJŠ v Košiciach, kde nové štúdium astronómie výdatne pomáhali zaviesť aj samotní pracovníci ústavu. Viacerí najvýkonnejší pracovníci skúmajúci Slnko, ktorí sa najviac podpísali pod úspechy 60-ročnej histórie výskumu Slnka na Slovensku sú blízko dôchodkového veku a generačná výmena je predo dvermi. Vyžaduje si pripravených odborníkov, ktorými sa ľudia nestávajú zo dňa na deň. Referáty prezentované našimi mladými doktorandmi na významných medzinárodných konferenciách, ich prvé kvalitné vedecké články a pracovné pobyty na prestížnych zahraničných ústavoch spolu s ich vedomosťami a skutočným hlbokým záujmom o slnečnú fyziku sú zárukou, že generačná výmena neohrozí ani v budúcnosti kvalitný a úspešný výskum Slnka na Slovensku.

Prezentované výsledky vo výskume Slnka dosiahli pracovníci Astronomického ústavu SAV Anna Antalová, Katarína Brčeková, Július Koza, Aleš Kucera, Ján Rybák a Július Sýkora.