KRITIKUS DINAMIKA EGY NAGY EMBERI KONNEKTOMON. Kritikusság és Griffiths-fázisok hálózati modelleknél

Átírás

1 nyezeti problémákat! Egyet kell értenünk abban, hogy amerre cak nézünk, komoly, kezelendõ környezeti anomáliák, nehézégek orát látjuk. Napjainkban zédülete ütemben folyik környezetünk átalakuláa. Az alig követhetõ, napi zintû változá mellett a legnehezebb problémákat a környezetünk jövõje oldaláról felmerülõ kérdéek vetik fel. A termézeti erõforráok végeek é nem hozú idõn belül egézen biztoan bezûkülnek. A klíma nagy valózínûéggel meg fog változni. Ez magával hozza majd, hogy az elzaporodott emberiég jelentõ réze a tengerek által elöntött, vagy éppen az elivatagoodott területekrõl, a valóban élhetetlen régiókból a zerencéebb környezetû vidékek felé fog vándorolni. Az elõbb említett példák, de a legnagyobb környezeti problémák elemzée világoan utal arra, hogy az elmúlt évtizedekben nemcak a világgazdaág globalizálódott, hanem az átalakulá orán elõhívott környezeti problémák zöme i. Nyilvánvaló, ezen környezeti vezélyeket cak nemzetközi erõfezítéekkel lehetne kezelni. Ugyanakkor a mai világban nincenek az emberi törekvéeket özefogó erõk. Még zervezetek i alig vannak az egy-egy kérdében egyége állápontok kialakítáához. Ráadául, az emberiég mély moráli válágon megy kereztül. Kortáraink többégének moráli zínvonala alacony, ami még a globálian célzerû é végrehajtható javalatok megvalóítáát i majdnem lehetetlenné tezi. Nekünk úgy tûnik, hogy a táradalom minden zereplõje néhány kivétellel úgy tez, mintha cak rövid távú érdeke lenne. Az egyének többége cak az anyagi javakat akarja megzerezni é nekik a hozú távú célok, erkölci megfontoláok emmit nem zámítanak. Az olyan kérdéek, mint az emberiég jövõje, a környezet, a Föld további ora a legtöbb emberben fel em merül, élik világukat é cak igen távoli, zavaró roznak tartják a józan kérdéek felvetéét. Mindezek ellenére e orok írói a Föld jövõje zempontjából optimiták é vallják, hogy a Föld élhetõ marad a következõ évzázadban i! Ennek alapja az, hogy hizünk a tudomány hihetetlen erejében é hatékonyágában. A tudomány zinte minden probléma megoldáához egítégül hívható. Ha tömegeen lezünk képeek ezt felimerni, é a egítéget elfogadni, akkor még kiépíthetõ egy vékony palló, amelyen átmehetünk, hogy a jövõ generációk környezete i élhetõ maradhaon! Ehhez azonban már mot óriái elzántágra é munkára van zükég. Irodalom 1. D. H. Meadow, D. L. J. Rander, D. Meadow: A növekedé határai Harminc év múltán. Kouth Kiadó, Budapet, Rakonczai J.: Globáli környezeti kihíváaink. Univerita Szeged Kiadó, Szeged (28) M. Szabó, Á. Ki: Effect of renewable energy reource on the landcape. Hungarian Geographical Bulletin 63/1 (214) DOI:.1521/hungeobull Vajda Gy.: Energiaellátá ma é holnap Magyarorzág az ezredfordulón orozatban, MTA Táradalomtudományi Központ, (24) Szabó M.: A biozféra okféleége az élõvilág változatoága é vezélyeztetettége. Földrajzi Közlemények 132/4 (28) E. O. Wilon: Az élet jövõje. Akkord Kiadó Kft. (26) 288. KRITIKUS DINAMIKA EGY NAGY EMBERI KONNEKTOMON Ódor Géza MTA EK, Műzaki Fizikai é Anyagtudományi Kutatóintézet Kritikuág é Griffith-fáziok hálózati modelleknél Elméleti é kíérleti kutatáok arra utalnak, hogy az agy többnyire egy aktív é inaktív fázit elválaztó kritiku állapot környékén mûködik [1]. A kritiku rendzerek optimáli zámítái képeégekkel rendelkeznek, így ez az állapot hazno az idegrendzer zámára. Miután a kritikuág elérééhez bizonyo kontrollparamétereket hangolni kell, felmerül a kérdé, hogy miként i történik ez. A probléma jól imert A cikk az Eötvö Loránd Fizikai Tárulat zegedi Vándorgyûléén, 216. auguztu 26-án elhangzott elõadá alapján kézült. Közönöm C. C. Hilgetag, R. Juház é M. A. Muñoz megjegyzéeit, W. Cota ábráját, Ódor Gergely konnektom-adatbázi felfedezéét é dekódoláát, az OCP projekt egítõkézégét, valamint NIIF HPC zuperzámítógépe támogatáát. A kutatát az OTKA (K9577) támogatta. a tatiztiku fizikában, é helyfüggetlen kölcönhatáú rendzerek eetében az úgynevezett önzervezõdõ kritikuág (SOC) elméletét vezették be [2]. Az SOC- modellekben egy laú é egy gyor folyamat verengéével a rendzer magát hangolja egy kritiku fáziátalakulái pont köré. A kritiku pont környékén a fizikai mennyiégek hatványfüggvény-vielkedét mutatnak, é ha ilyent figyelnek meg, okan a fenti ver- Ódor Géza 1984-ben villamomérnöki diplomát zerzett a BME-n. Azóta a KFKI területén levő, különböző nevűre átkereztelt MTA kutatóintézetek kutatója. Fizikui MSc-t 1993-ban Chicagóban, PhD-t 1996-ban az ELTE-n kapott. 24 óta az MTA doktora. Kétzer 1 évig CERN kutatói öztöndíja volt. Jelenleg az MTA EK MFA tudományo tanácadója, több nemzetközi projekt tagja. Fő kutatái területe a nemegyenúlyi rendzerek tatiztiku fizikája a rendezetlen é univerzáli vielkedéek vizgálata. ÓDOR GÉZA: KRITIKUS DINAMIKA EGY NAGY EMBERI KONNEKTOMON 227

2 engõ folyamatok azonoítáa nélkül i egybõl SOC mechanizmuról bezélnek. Az önhangolát újabban evolúció adaptáció eredményének i tulajdonítják. A valódi rendzerek azonban általában erõen inhomogének, é elõzör meg kellene gyõzõdnünk arról, hogy a homogén modellek alkalmazhatók-e rájuk. A heterogenitát a tatiztiku fizikában rendezetlenégnek i zoktuk hívni, amikor ezekhez haonlítjuk rendzereinket. Vizonylag gyenge é lokalizált rendezetlenég eetén ritka régió (RR) effektuokról zoktunk bezélni, amelyek azután elkenhetik a fáziátalakulát [3]. A ritka régiók relevanciájuk zerint különbözõ hatáúak lehetnek. Szakadáo fáziátmenetet folytonoá tudnak tenni, úgynevezett Griffith-fáziokat (GP) kelthetnek [4], vagy akár teljeen el i tüntethetnek egy fáziátalakulát. A GP lényege úgy foglalható öze, hogy a rendzer egyik globáli állapotában lehetnek olyan RR-ek, amelyek ellenkezõ fáziban vannak, de járulékuk mérhetõ. Ezek a nagy RR-ek laan igazodnak a globáli állapothoz é hatványfüggvény vagy még laabb dinamikát okoznak a kontrollparaméterek egy kiterjedt tartományában a kritiku pont környékén a rendparaméterben. A GP-ben laan bomló autokorrelációkat, ezáltal villanáo vielkedét i meg lehet figyelni [5]. Az agy gyormemóriájának egy lehetége magyarázata i lehet a GP- vielkedé [6]. Ezen felül a GP-ben a zuzceptibilitá divergál, így erõ a timuluokra való érzékenyég, ami az információfeldolgozá zempontjából hazno tulajdonág. Ezáltal való (neuráli) rendzerek modellezéénél nagyon fonto zempont a heterogenitáok figyelembevétele. Korábban a kontakt folyamat (CP) [7] hálózati dinamikájának tanulmányozáa folytán az a hipotézi zületett [8], hogy a rendezetlenég cak vége gráf (topologiku) dimenzió D eetén okozhat GP-t. Itt D az euklidezi dimenzió általánoítáa gráfcomópont-távolágok eetére az alábbi relációban: N r r D, ahol N r azon j comópontok záma, amelyek r = d(i,j) lépénél közelebb vannak egy tetzõlege i kezdõponthoz. Fenti hipotéziünk zámo má terjedéi modell eetén alátámaztát nyert [9], õt vége méretû, kálamente hálózatok eetén i találhatunk hatványfüggvény-dinamikákat, vége idõablakokban []. Konnektomok, modellek é módzerek Napjainkban emberi konnektomokat (agyhálózati gráfokat) körülbelül 1 mm 3 -e felbontáú, úlyozott diffúzió, funkcionáli vagy trukturáli MRI képek alapján lehet generálni. Az Open Connectome projekt (OCP) honlapjáról [11] DTI [12] módzerrel meghatározott gráfokat töltöttünk le (1. ábra) é topológiai zempontból analizáltuk. A DTI módzer lényege, hogy a vízmolekulák anizotróp áramláából (a diffúzió tenzorból) következtet az axonkötegek pályájára, 1. ábra. Agyhálózati konnektomkép DTI módzerrel [11]. é állít elõ egy térképet, amely megmutatja, hogy melyik terület melyikkel van özekötve. Ez megfelelõ zûrõ é korrekció algoritmuok alkalmazáa után egy irányítatlan, de úlyozott kapcolati hálózatot eredményez. Precíz módzerrel kimutattuk, hogy a fokzámelozlá nyújtott exponenciáli alakú [13], tehát a kálamenteég trukturáli eetben ki van zárva (2. ábra). Megmutattuk, annak ellenére, hogy a kivilág együttható nagyon nagy, a D gráfdimenzió kiebb 4-nél. Tehát ezek a hálózatok alapvetõen a beágyazó D = 3 tér rövid távú kapcolataival írhatók le, é a hozú élek nem olyanok, hogy alapvetõen tudják befolyáolni két pont topologiku távolágát. Azt i megmutattuk, hogy ezek a hálózatok robuztuak: a fenti eredmények még 2%- nyi (irányított) él eltávolítáa után em változnak. Ez azért fonto eredmény, mert arra utal, hogy állítáaink túlnyomó réze akkor i igaz marad, ha kiderül, hogy a konnektomok meghatározáa pontatlan. Az egyik ilyen, úgynevezett KKI-18-a jelû, konnektomon végeztem dinamiku modellzimulációkat. Ez a hálózat egy N = comópontzámú, özefüggõ, óriá komponenel rendelkezik, amelyet irányítatlan, de úlyozott él köt öze. Az élúlyok elozláa igen inhomogén, w ij =1 é w ij = 854 között változik. Egy hálózat analizáló algoritmu ábra. A KKI-18 -a gráf fokzámelozláa é különbözõ, legjobban illezkedõ modellek becléei [13]. pr (fok k ) megfigyelt EXP POW LGN WBL TPW GWB k 228 FIZIKAI SZEMLE 217 / 7 8

3 Egy eetlege kritiku fáziátalakulái pontban a mért átlagok kálavielkedét mutatnak, például a túléléi valózínûég azimptotikuan P(t) t δ (2) alakú, ahol δ az úgynevezett túléléi exponen. Ez kálarelációval kapcolható öze a kíérletekben mért τ t = 1 +δ lavinaidõhoz exponenel. Kritikuág eetén az aktív helyek záma N(t) t η (3) 3. ábra. A KKI-18 -a konnektom moduljai. A karikák mérete a comópontok zámával arányo. Közönettel W. Cota-nak. modult azonoított, amelyek közül a legkiebb 8, a legnagyobb comópontot tartalmaz (3. ábra ). Fonto megjegyezni, hogy a comópontok önmagukban 4-5 neuronból állhatnak, kiadván ezzel az emberi agy körülbelül 11 idegejtjét. A valóághoz jobban haonlító agyhálózat vizgálata érdekében az élek 2%-át véletlenzerûen eltávolítottam úgy, hogy a gráf a neuroméréekhez haonló mértékben lett irányított. Kéõbb kiderült, hogy a zimulációk ezen conkítá nélkül i kvalitatívan egyezõ eredményekhez vezetnek. Egy két állapotú (x i = vagy 1) terjedéi modellt alkalmaztam a neuroaktivitá leíráára. Ebben az úgynevezett küzöbmodellben a comópont bejövõ éleinek úlyozott aktivitáözege haonlítódik öze egy küzöbértékkel: j x j w ij > K. (1) A feltétel teljeülée eetén egy inaktív comópont λ valózínûéggel aktiválódhat. Az aktív comópontok a következõ idõlépében ν valózínûéggel inaktiválódnak. Az egyzerûég kedvéért agykutató kollegáktól [14] kölcönzött tochaztiku ejtautomata-algoritmut haználtam, amelyben az öze lehetége comópont zinkronfriítée történik egymára következõ Monte Carlo-lépéek (MC) között. A dinamiku zimulációkat egy véletlen comópont aktiváláával kezdtem é a kialakuló folyamatot addig követtem, amíg az aktivitá fennmaradt, de legfeljebb 5 MC idõlépéig. Mértem a ρ(t) = 1 N átlago aktivitát, a P(t ) túléléi valózínûéget é a kialakuló = N i = 1 N i = 1 aktivitái lavina méretét (itt T a lavina idõhoza). A méréeket minden egye λ, ν é K kontrollparaméter eetén 5 7 független futára átlagoltam. T t = 1 x i x i módon, az η exponenel jellemezhetõen változik, ami a lavina méretet leíró exponenhez a τ = 1 η 2δ 1 η δ (4) kálarelációval köthetõ. A kálázái korrekciók figyelembe vételéhez mértem a kálaexponenek effektív értékeit i, például: δ eff (t) = lnp(t) lnp(t ), lnt lnt (5) t t = 8-a differenciát haználva. A küzöbmodellt vizgálva az derült ki, hogy a kontrollparaméterek emmilyen kombinációja eetén em alakul ki kritiku vielkedé, hanem a nagy úlyú W i = comópontok ( hub -ok) pillanatok alatt felaktivizálódnak é tartóan dominálják a rendzert, vagy ha nem ikerül õket aktivizálni, a terjedé exponenciálian rövid idõ alatt kihal. Ez a zcenárió nem túl életzerû, mert a kiebb úlyú comópontok zinte emmilyen zerepet nem tudnak játzani a folyamatban. Egy való neuráli hálózat eetén azt várjuk, hogy az öze neuronnak van valami zerepe. Ezért módoítottam a modellt, egy comópontfüggõ küzöb feltételezéével, ami gyakorlatban a bejövõ úlyok normáláát jelentette: Ez a neuronok (vagy tartományok) homeoztáziku adaptáció érzékenyégével indokolható feltételezé, amelyre valóban vannak i jelek. j w ij w ij = w ij. W i Variábiliküzöb-modell eredmények A kontrollparaméterek olyan tartományát vizgáltam, ahol λ 1, ami hatékony jelterjedét biztoít, ugyanakkor fáziátmenet cak K <,5 eetén fordult elõ. Ezért K =,25-ot rögzítettem é a ν vagy λ értékének variáláával keretem a kritiku pontot, illetve annak környezetét. Mint a 4. ábrából kikövetkeztethetõ, ez ν =,95 é λ =,88(2) körül van. Felette a P (t) gör- ÓDOR GÉZA: KRITIKUS DINAMIKA EGY NAGY EMBERI KONNEKTOMON 229

4 P ( t ),835,84,845,85,87,95 1, P ( ) ( t )/ T,34 1,5 1,,5 T = 25 T = 63 T = 218 T = 44,,,5 1, t/ T eff,5,8 1,9 1 1, 1 1,26 (2), /t t 5. ábra. Lavinaméret-elozlá K =,25, ν = 1 é λ = 1,,9,,8 eetén. 4. ábra. Túléléi valózínûég K =,25, ν =,95 é λ =,8,,81,,82,,83,,835,,84,,845,,85,,86,,87,,9,,95, 1 (alulról felfelé). Ki ábra: effektív exponenek (5) λ =,835-tõl λ = 1-ig (felülrõl lefelé). A Griffith-effektuok az 1/t limezben kontaná váló görbékben manifeztálódnak [17]. 6. ábra. Túléléi valózínûég 3% gátló élek é K =,1, λ =,95, valamint ν =,4,,45,,49,,5,,51,,52,,55,,57,,7 (alulról felfelé) paraméterek eetén. Ki ábra: ezen görbék lokáli meredekégei fordított orrendben [17]. P ( t ) 1 3,4,45,48,49,5,51,52,55,57,7 eff,5, 5 3 1/t t Szaggatott vonal: hatványfüggvényfit λ =,8-re. Ki ábra: kálakollapzu T = 25, 63, 218, 44, valamint λ =,86, ν =,95 eetén [17]. bék kontan értékhez tartanak, míg alatta (,845 < λ <,88) változó kitevõjû hatványfüggvény-dinamikára, vagyi GP-re utalnak. A λ = 1 környékén megfigyelhetõ egyene vonalak a lokáli meredekégek ln(1/t)- ábrázoláában ultra laú kritiku dinamikára utalnak, akárcak a 3-dimenzió CP erõen rendezetlen fixpontja [15] eetén. Fittelé λ =,88-nál P (t) ln(t 3,5(3) ) azimptotiku vielkedét eredményez. Ebben a régióban a lavinaméret-elozláok i hatványfüggvényfarokkal rendelkeznek, τ = 1,26(2) körül változó exponenekkel, ami kiebb, mint amit agyi elektródá kíérleteknél mértek: τ 1,5 [1]. Egy hullámmoduláció i megfigyelhetõ a görbéken a modulári hálózati truktúrának közönhetõen (5. ábra). Elektródá kíérleteknél é kritiku agymodelleknél fix T idõre átlagolt lavinaméretek univerzáli vielkedéét kálakollapzual zokták jellemezni [16]. Az 5. ábrán látható egy ilyen analízi i, amelyet T = 25, 63, 218, 44 idõkre Π(t)/T,34 vertikáli kálázáal kaptam. Ezek az eredmények jól egyeznek a [16] cikkben említett kíérletekkel, õt azimmetriku kálaformát mutatnak, amelyeket a [16]-beli modell nem tud reprodukálni. Az eredeti, irányítatlan gráfot haználva i haonló GP- dinamikát mutatnak a zimulációk, de ugyanazoknál a paramétereknél valamivel nagyobb az ln[p(lnt )] é az ln[p (ln)] görbék meredekége, vagyi a lavinák térben é idõben i kiebbek az erõebb kötöttég eetén. Azonban az igazi agyhálózatokban gátló mechanizmuok verengenek az ingerlõkkel. Ez a GP zempontjából azért i érdeke, mert emiatt a rendzer effektívgráf-dimenziója fragmentáció zéteé nélkül cökken. Ezt úgy modelleztem, hogy az élúlyok bizonyo zázalékát a futáok elõtt véletlenzerûen negatívra váltottam a konnektomban: w ij = w ij. Ez pinüvegzerû extra heterogenitáokat é várhatóan erõebb RR effektuokat eredményez. A 6. ábra mutatja a túléléi valózínûégeket, ha a linkek 3%-át gátlóvá tezük K =,1 é λ =,95 paramétereknél. A kritiku pontot a laú fejlõdé é az ozcillációk miatt nehéz pontoan meghatározni, de ν =,57 fölött a jelek perzizten aktivitát mutatnak. Ez alatt é ν =,5 felett a túléléi exponen folytonoan változik a < δ <,5 tartományban. A lavinaméret-elozláok hatványfüggvényfarkat mutatnak (7. ábra) τ 1,5 körüli exponenel, ami közel van az agykutatá kíérleti értekeihez [1]. Ugyanakkor ν-t mozgatva némi változát i láthatunk a GP-ben. Ez jobban látható az η-n, ami τ-hoz a (4) kálarelációval kötõdik. 2% gátló él eetén ugyanezeket a τ-kat, míg %-o eetben τ 1,3 értékeket kapunk a kritiku pont környékén. Nagyobb küzöbértékeknél (K =,2,,25) a kritiku pont kiebb ν-nél található, de a GP továbbra i jól látható. 23 FIZIKAI SZEMLE 217 / 7 8

5 P ( ) eff,5,,5 1, 5 3 1/t,55 1,41,5 1,45,49 1, ábra. Lavinaméret-elozlá 3% gátló él é K =,1, ν =,95, valamint λ =,49,,5,,55 eetén. Szaggatott vonal: hatványfüggvényfittelé. Ki ábra: effektív η exponenek λ =,49,,5,,51,,51,,55-ra (alulról felfelé) [17]. Konklúziók A kritikuághoz való közelég optimáli információfeldolgozát enged meg. A neuráli változatoág hatékonyabbá tezi az agymûködét, ezért a heterogenitáok hatáát figyelembe kell venni a modellezénél. A rendezetlenég GP-ket okozhat, de hogy ezt jól meg i tudjuk figyelni, nagy méretû konnektomokon kiterjedt zimulációk zükégeek, amelyek világoá tezik a végeméret-effektuoktól való eltéréeket. Az OCP projekt keretében elérhetõ körülbelül 6 comóponto gráfok HPC zámítátechnikát alkalmazva erre alkalmaak. A legegyzerûbb küzöbmodellek, azok túlágoan erõ hub -jai miatt, annak ellenére nem mutatnak kritiku vielkedét ezeken a hálózatokon, hogy a vizgált konnektomok nem kálamenteek é végtelen dimenziójúak. Vizont comópontonként változó küzöbértékek eetén egyértelmûen megjelennek a Griffith-effektuok: laú hatványfüggvény-dinamikák kiterjedt kontrollparaméter-térben, kritiku önzervezõdé nélkül i [17]. Ez perze nem zárja ki, hogy a neuráli hálózatok valamilyen önhangolát i végezzenek. Mindeneetre dinamiku hatványfüggvényeket láthatunk a kritiku pont alatt, elkerülve ezzel a zuperkritiku, epileptiku állapotot i. Az irányítottági anizotrópia é a gátló élek hatáai nem bizonyultak releván perturbációnak GP zempontjából. Korábban több konnektom topologiku haonlóágát i kimutattuk [13], így a KKI-18 -on elért eredmények univerzalitáát várjuk. Ezek a gráfok robuztuaknak bizonyultak 2%-nyi véletlen (é irányított) élconkítára, ezért a DTI [12] méréi hibák valózínûleg érdemben nem befolyáolják eredményeinket. Kváziztatiku érvényû vizgálataink kiterjeztée idõfüggõ rendezetlenég eetére folyamatban van. Ebben a modellben ugyancak érdeke kérdéek a refraktív comópontállapotok, vagy a plazticitá hatáának felkutatáa. Irodalom 1. J. Begg, D. Plenz: Neuronal avalanche in neocortical circuit. J. Neuroci. 23 (23) P. Bak, C. Tang, K. Wieenfeld, Phy. Rev. A 38 (1988) T. Vojta: Rare region effect at claical, quantum and nonequilibrium phae tranition. J. Phyic A: Math. and Gen. 39 (26) R R. B. Griffith: Nonanalytic behavior above the critical point in a random Iing ferromagnet. Phy. Rev. Lett. 23 (1969) G. Ódor: Slow, burty dynamic a a conequence of quenched network topologie. Phy. Rev. E 89 (214) S. Johnon, J. J. Torre, J. Marro: Robut hort-term memory without ynaptic learning. PLoS ONE 8(1) (213) e T. E. Harri: Contact interaction on a lattice. Ann. Prob. 2 (1974) M. A. Muñoz, R. Juház, C. Catellano, G. Ódor: Griffith phae on complex network. Phy. Rev. Lett. 5 (2) G. Ódor, R. Dickman, G. Ódor: Griffith phae and localization in hierarchical modular network. Sci. Rep. 5 (215) W. Cota, S. C. Ferreira, G. Ódor: Griffith effect of the uceptible-infected-uceptible epidemic model on random power-law network. Phy. Rev. E 93 (216) B. A. Landman et al, NeuroImage 54 (211) M. T. Gatner, G. Ódor: The topology of large Open Connectome network for the human brain. Sci. Rep. 6 (216) M. Kaier, C. C. Hilgetag: Optimal hierarchical modular topologie for producing limited utained activation of neural network. Front. in Neuroinf. 4 (2) I. A. Kovác, F. Iglói, Phy. Rev. B 83 (211) N. Friedman et al, Phy. Rev. Lett. 8 (212) G. Ódor: Critical dynamic on a large human Open Connectome network. Phy. Rev. E 94 (216) Az Eötvö Tárulat fönt van a -on! ÓDOR GÉZA: KRITIKUS DINAMIKA EGY NAGY EMBERI KONNEKTOMON 231

6 A NAPBÓL ÉRKEZÕ ULTRAIBOLYA SUGÁRZÁS NAGY PONTOSSÁGÚ MÉRÉSÉNEK PROBLÉMÁI Tóth Zoltán Orzágo Meteorológiai Szolgálat Marczell György Főobzervatórium Az ultraibolya ugárzá hálózatzerû méréének fontoága 2,5 2 extraterreztriku pektrum tipiku pektrum a földfelzínen Az ultraibolya ugárzá a földfelzínre érkezõ napugárzá töredéke, következéképpen ninc zámottevõ zerepe a légköri energiaháztartában (1. ábra). Ennek következtében körülbelül három évtizeddel ezelõtt még nem zerepelt a napugárzámérõ hálózatok méréi programjában, cak egye helyeken kíérleti, kutatái jelleggel mérték rövidebb-hozabb ideig az UV-ugárzát. A biológiai rendzerekre való hatáa vizont óriái, de nem feledkezhetünk meg a különbözõ anyagokra gyakorolt roncoló hatááról em. A ztratozferiku ózon cökkenéének felfedezée adott lökét a nemzeti UV-ugárzámérõ hálózatok létrejöttének. Imerete, hogy az ózon erõen abzorbeál az UV-tartományban, ezért a légkör ózontartalmának hatáa döntõ a földfelzínre érkezõ UV-ugárzá mennyiégének alakuláában. A méréi orozatok feldolgozáa alapján ma már biztoan állíthatjuk, hogy az ózonkároító anyagok iparból történõ kivonáa ikerrel járt, megállt a légköri ózontartalom cökkenée, é megindult a regeneráció (vizanövekedé). Ebbõl logikuan következne, hogy az UV-ugárzá cökken. Laboratóriumban ez így i lenne. Tegyük fel, hogy egy tartályba ózont tezünk, a tartályt átvilágítjuk UV-ugárzáal, é a kijövõ oldalon mérjük az UV-ugárzát. A tartálybeli ózonkoncentráció növeléével a mért UV-ugárzázint cökken. A termézete, földi légkörben azonban az ózontartalom növekedée ellenére az UV-ugárzá enyhe növekedéét tapaztaljuk (2. ábra, 3. ábra). A légkörben, bár benne termézeteen ugyanazok a fizikai törvények uralkodnak, mégem ilyen egyzerû a hatámechanizmu, ugyani nagyon özetett fizikai rendzer, így bármely fizikai jellemzõjét ok tényezõ határozza meg. A földfelzínt érõ ugárzá mennyiégét befolyáolja a légkör ugárzáátbocátó képeége, amely döntõen a légköri zennyezõ anyagok mennyiégétõl, a felhõzet mennyiégétõl Tóth Zoltán (1961) az ELTE-n zerzett cillagáz é meteorológu diplomát. Szakterülete a légköri napugárzá-átvitel, nap-pektrofotometria, a légköri ózontartalom-méré. Hazánkban elõzör alkalmazta az ózontartalom zenitugárzából történõ meghatározáát. Az OMSZ hazai UV-ugárzámérõ hálózatának egyik megalapítója, fõ mûködtetõje. Nemzetközi kutatái projektek irányító tetületének tagja. Az ELTE megbízott elõadója, a Napugárzá-védelmi Tudományo é Szakértõi Tetület elnökhelyettee. W/(m nm) 2 1,5 1, hullámhoz (nm) 1. ábra. A Napból érkezõ elektromágnee ugárzá pektruma a légkörön kívül (extraterreztriku pektrum) é a földfelzínen az OMSZ LI-18 pektrofotométerével mérve. é típuától, valamint a légkört alkotó gázok mennyiégétõl függ [1]. Mivel ez utóbbi állandó, a felhõzet pedig ugyan erõen fluktuál rövid távon, de hozú távú trend nem tapaztalható, így az elõ tényezõ a meghatározó. Az ipar modernizáláa é a környezetvédõ technikák bevezetée hatáára cökken a légköri zennyezõ anyagok mennyiége, így a légkör ugárzáátbocátó képeége növekzik (4. ábra). Ez perze cak tendenciában igaz, a nagyvárookban felhõmente eetekben i lehet igen alacony a légkör átlátzóága [2]. A méréi adatorok feldolgozáa alapján azt állíthatjuk, hogy a légkör ugárzáátbocátó képeégének UV-ugárzánövelõ hatáa túlkompenzálja az ózontartalom növekedéének UV-ugárzát cökkentõ hatáát, ezért tapaztaljuk az UV-ugárzá enyhe növekedéét az ózonmennyiég növekedée ellenére [3]. 2. ábra. A telje ózontartalom pektrofotométere méréekbõl zámított éve átlagainak zázaléko eltérée a okéve átlagtól Budapet fölött az idõzakra. eltéré az átlago ózonmennyiégtõl (%) év FIZIKAI SZEMLE 217 / 7 8