IONOSPHERIC PHYSICS, S, KEVÄT 2017 REVONTULIALIMYRSKY

Transkriptio

1 IONOSPHERIC PHYSICS, S, KEVÄT 2017 REVONTULIALIMYRSKY Joonas Vatjus & Jakke Niskanen Ionospheric Physics, Projektityö Oulun yliopisto Fysiikan laitos

2 SISÄLLYSLUETTELO 1. Johdanto 3 Ionosfääri. 3 Magnetosfääri.. 3 Revontulien esiintyminen Revontulialimyrskyn päävaiheet 4 Kasvuvaihe.. 5 Laajenemisvaihe.. 5 Palautumisvaihe Revontulialimyrskyn vaiheiden havaitseminen 7 4. Lähteet 8

3 1. Johdanto Tässä osiossa johdatellaan revontulen esiintymisalueeseen ja sen ympärillä olevia osia. Jotta revontulien syntymekanismi ja revontulihiukkasten liikkeitä voidaan ymmärtää, täytyy tarkastella kokonaiskuvaa. Ionosfääri Maan Ionosfääri on noin kilometrin korkeudella maan pinnasta. Ionosfäärissä molekyylit ovat ionisoituneet Auringon säteilyn vaikutuksesta. Ionosfääri jaetaan korkeuksittain eri kerroksiin (D, E, F1 ja F2 kerrokset) sen koostumuksen mukaisesti (ks. kuva1). [Aikio & Nygrén, 2013] Kuva 1: Ionosfäärin eri kerrokset, kerroksien dominoivat ionit sekä elektronitiheys (päivä ja yö) korkeuden funktiona. Magnetosfääri Magnetosfääri on se maapalloa ympäröivä alue, jossa Maan magneettikenttä vaikuttaa hallitsevasti varattujen hiukkasten liikkeisiinä aurinkotuuleen nähden. Magnetosfäärin alueessa, joka on lähellä maata (etäisyys n. 3-4 RE) magneettikenttää voidaan approksimoida magneettisella dipolilla. Kauempana approksimaatio ei enään toimi,

4 sillä aurinkotuulen vaikutuksesta päiväpuolella Maata magnetosfääri puristuu kasaan (noin 10 RE) ja vastaavasti yöpuolella magnetosfääri venyy pitkäksi pyrstöksi (jopa 200 RE) (Ks. kuva2). [Kaaretkoski, 2011] Magnetosfäärin sisäosat jakautuvat eri energeettisiin plasma-alueisiin (plasma-alueet koostuvat pääosin protoneista ja elektroneista). Pyrstölohkojen ( Magnetic tail ) välissä on nk. plasmalevy ( plasma sheet ), jonka plasma on tiheämpää. Plasmalevyn ympärillä on plasmalevyn reunakerros ( plasma sheet boundary layer ), jossa plasma on hieman jähtyneempää ja harvempaa. Plasmalevyn plasma kytkeytyy magneettikenttäviivoja pitkin ionosfäärin revontuliovaalin päiväntasaajanpuoleiseen osaan. Sen sijaan plasmalevyn reunakerroksen plasma kytkeytyy revontuliovaalin navanpuoleisiin osiin. Näistä plasma-alueista tulevat ne hiukkaset, jotka aiheuttavat revontulia. [Kaaretkoski, 2011] Kuva 2: Magnetosfääri, [Aikio, 2015]. Revontulien esiintyminen Revontulet näkyvät pääasissa revontuliovaalien alueella, ionosfäärissä. Revontuliovaalit sijaitsevat pohjois- ja etelänavan ympärillä nimensä mukaisesti ovaalina tavallisesti n.100km päässä navoilta. Vaikka maapallo pyörii, pysyvät ovaalit paikallaan. Näin maapallo tavallaan pyörii kahden revontuliovaalin välissä. [Kaila, 1998]

5 2. Revontulialimyrskyn päävaiheet Kun auringon aktiivisuus on normaalissa tilassa, eli aurinkotuuli puhaltaa hiukkasia tasaisesti avaruuteen, myös maapallon magneettikentässä vallitsee rauhallinen aika. Tällöin voidaan havaita rauhallisia ja himmeitä revontulia, kun muutamia matalaenergisiä elektroneja pääsee tunkeutumaan ilmakehään. Myös protoneja pääsee ilmakehään suunnilleen yhtä paljon kuin elektroneja, mutta protonit leviävät paljon laajemmalle alueelle, eikä niiden aiheuttamia revontulia juurikaan voi nähdä paljain silmin. [Kaila, 1998] Auringon koronassa tapahtuu ajoittain hetkellisiä massapurkauksia, joista sinkoutuu avaruuteen aurinkotuulen mukana paljon hiukkasia. Kun massapurkauksesta peräisin oleva hiukkaspilvi osuu Maahan, alkaa Maan magneettikentässä magneettinen myrsky. Magneettisen myrskyn voimakkuus riippuu hikkaspilven voimakkuudesta ja suunnasta. Hiukkaspilven osuessa Maahan aurinkotuulen hiukkastiheys on tällöin moninkertainen, joten hiukkasia pääsee paljon magnetosfääriin. Tästä seuraa magnetosfääriin alimyrskyjä, joille on määritelty kolme vaihetta: kasvuvaihe, laajenemisvaihe ja palautumisvaihe. [Kaila, 1998] Alimyrskyjä voi olla magneettisen myrskyn aikana useampia, jonka vuoksi se on nimitettykin alimyrskyksi. Tosin alimyrsky voi tapahtua ilman suurempaa magneettista myrskyä. [Kaila, 1998] Kasvuvaihe Alimyrskyt huomataan, kun maanpinnan suuntainen magneettikenttä heikkenee nopeasti. Tämä johtuu rengasvirran nopeasta voimistumisesta, kun magneettikehän aktiivisuus pumppaa siihen lisää energiaa. Kasvuvaihe alkaa, kun IMF eli planeettojen välinen magneettikenttä kääntyy eteläänpäin. Tällöin IMF ja Maan magneettikenttä kytkeytyvät yhteen ja aurinkotuulen hiukkasia pääsee magnetosfääriin sisälle. Hiukkaset tulevat päiväpuolelta, eli auringon puolelta ja päätyvät sieltä iltapuolelle magnetosfäärin pyrstöön. Ionosfäärissä tämä näkyy revontuliovaalin kasvamisena, eli revontulet siirtyvät päiväntasaajalle päin. Kun hiukkasten virtaus jatkuu magnetosfäärin pyrstöön, sen läpimitta alkaa kasvaa ja plasmalevy alkaa ohentua ja se liikkuu hieman maata kohti. Kasvuvaiheen kesto on noin min. [Kaila, 1998] Laajenemisvaihe Jossain vaiheessa magnetosfääri ei enää pysty vastaanottamaan energiaa IMF:stä. Kun IMF etelään osoittava komponentti kääntyy takaisin pohjoiseen, IMF ja virittynyt magnetosfääri eivät enää ole kytköksissä, alkaa laajenemisvaihe. Samalla kun IMF kääntyy pohjoiseen rengasvirran kasvaminen loppuu ja siitä aiheutuvat häirinnät vähenevät. Nyt magnetosfääri on viritystilassa ja voi purkautua pienestäkin häiriöstä. Plasmalevyn oheneminen jatkuu edelleen (ks. kuva3; 3.kohta) ja jossakin vaiheessa se katkeaa yhdestä tai useammasta kohdasta.

6 Kuvan 3 viimeisessä vaiheessa näkyy plasmalevyn katkeaminen niin, että katkenneen kohdan molemmille puolille muodostuu pisaramainen muoto. Avaruuden puoleinen pisara alkaa kiihtyä maasta poispäin aurinkotuulen mukaan, kun taas maanpuoleinen pisara lähtee kiihtyvällä liikkeellä maata kohti. Magnetosfääri ohjaa hiukkasten liikettä niin, että lähempänä maata hiukkaset liikkuvat kenttäviivoja pitkin napoja kohti. Kuitenkin vain tietyt hiukkaset, joilla on sopiva nousukulma suhteessa maahan, pääsevät tunkeutumaan ionosfääriin aiheuttaen magneettikentän suuntaisen sähkövirran. Myös ionosfäärista alkaa virrata positiivisia ioneja magnetosfääriin, jolloin magnetosfäärin pyrstön poikki kulkeva sähkövirta pääsee sulkeutumaan ionosfäärin kautta. Kuvassa 4 näkyy, kuinka plasmalevyn katkeamisen myötä sähkövirta kytkeytyy ionosfäärin kautta. Sähkövirta on kiilan muotoinen, jonka vuoksi virtasysteemi nimeltään substorm current wedge. Tämä tapahtuma, kun hiukkaset törmäilevät ilmakehän hiukkasiin, aiheuttaa kauniita revontulia, kun ilmakehän hiukkasten viritystilat purkautuvat. Ne hiukkaset, jotka eivät pääse ionosfääriin, jäävät kiertämään maata magneettikentän vaikutuksesta, josta ne lopulta palautuvat takaisin pyrstöön. Laajenemisvaiheen arvioitu kesto on 10-30min. [Kaila, 1998 &]; [McPherron, 1995] Kuva 3: Laajenemisvaihessa plasmalevyn katkeaminen on verrattavissa hanasta tippuvaan vesipisaraan, [Kaila, 1998].

7 Kuva 4: Plasmalevyn katkeamisen vuoksi sähkövirta kytkeytyy ionosfäärin kautta aiheuttaen current wedgen eli virtakiilan, [McPherron, 1995]. Palautumisvaihe Palautumisvaihe huomataan, kun aktiiviset ja sykkivät revontulikaaret alkavat hiipua ja revontulien määrä alkaa vähentyä. Magnetosfääristä ei siis enää virtaa niin paljoa hiukkasia ionosfääriin, joten magnetosfääri ei enää ole niin virittynyt, mutta on kuitenkin edelleen epävakaassa tilassa. Plasmalevy paksuuntuu vähitellen magnetosfäärin normalisoituessa. Yhteenvetona voidaan ajatella, että kasvuvaiheessa aurinkotuulen energia varastoituu magnetosfääriin, laajenesvaiheessa magnetosfäärin energia purkautuu ja palautumisvaiheessa magnetosfääri palaa perustilaansa. [McPherron, 1995]

8 3. Revontulialimyrskyn vaiheiden havaitseminen Revontulialimyrskyt tapahtuvat revontuliovaalissa, joka koostuu kahdesta ovaalin muotoisesta kaistaleesta magneettisilla etelä- ja pohjoisnavoilla. Revontulialimyrsky alkuvaihe on tavallisesti rauhallinen. Alkutila koostuu useista revontulikaarista, jotka ovat ikään kuin ajelehtimassa kohti päiväntasaajaa (Kuva 5a), jonka seurauksena päiväntasaajaa lähinää olevan revontulikaaren osio aktivoituu, joka voidaan havaita ko. osion kirkastumisesna (Kuva 5b). Aktiivinen revontulialue laajenee nopeasti länteen ja kohti napa-alueita (Kuva 5c), jolloin alkaa muodostua kirkas luoteeseen ja napa-alueelle suuntautunut pullistuma bulge. Pullistuman sisällä revontulet ovat todella dynaamisia; revontulikaaret ilmaantuvat ja katoavat, revontulet elehtivät ja sykkivät. [McPherron, 1995] Ajanjakso, jonka aikana aktiivinen revontulialue laajenee, kutsutaan laajenemisvaiheeksi expansion phase of the substorm. Laajenemisen loputtua revontulipullistuma kehittyy pienemmäksi sykkyräksi a sharp kink aktiivisen revontulialueen länsipuolisella rajalla, missä se liittyy kirkkaaseen revontulikaareen ulottuen kauemaksi länteen. (Kuva 5d) Tämä sykkyrä näyttää usein liikkuvan länteen ja tulevan ajan kuluessa selkeämmin erottuvaksi. Noin minuutin jälkeen revontulialimyrskyn alkamisesta revontulien aktiivisuus lakkaa laajenemasta ja laajenemisvaihe on päättynyt. Laajenemisvaiheen päätyttyä revontulien aktiivisuus alkaa heiketä revontuliovaalin päiväntasaajan puoleisilla revontulikaarilla ja tilanne muistuttaa osaltaan aktiivisuudeltaan rauhallista revontulialimyrskyn alkuvaihetta (Kuva 5e ja 5f). [McPherron, 1995] Kuva 5: Revontulialimyrskyn kehittyminen kuudessa eri vaiheessa, [McPherron, 1995].

9 4. Lähteet Aikio, A., & T. Nygren, Ionospheric physics course material, course: S Ionospheric Physics, Aikio, A., Auroral physics course material, course: S Auroral Physics, Book by Kivelson, M. & Russel, T., Article by McPherron, Magnetospheric dynamics, Kaila, K., Revontulet, Helsinki: Tähtitieteellinen yhdistys Ursa, Kaaretkoski H., Nopean aurinkotuulen vaikutukset ionosfäärissä, Oulun yliopisto, 2011