Sisällys Esipuhe... 7 Johdanto... 8 1 Aurinko avaruussääilmiöiden käynnistäjä... 11 1.1 Aurinko energialähteenä...11 1.2 Auringonpilkut...15 1.3 Auringonpilkkujen esiintymisten jaksollisuudet... 20 1.4 Auringonpilkut jaksolla 23 (1996 2006)... 23 1.5 Auringonpilkut 2000-luvulla...25 1.6 Auringon hiukkassäteily... 26 1.7 Kosminen säteily...32 2 Avaruussääilmiöitä maapallolla... 35 2.1 Maan magneettikenttä ja magnetosfääri...35 2.2 Ilmakehän kerrokset otsoni... 38 2.3 Ionosfääri... 43 2.4 Radioaallot ionosfäärissä...47 2.5 Avaruussään magneettimyrskyt... 48 2.6 Avaruussään häiriöindeksit...55 2.7 Avaruussää ja revontulet...63 2.8 Revontulet ennen ja nyt... 64 2.9 Revontulivalon synty...67 2.10 Revontulet ja auringonpilkkujaksot...73 2.11 Revontulet muilla planeetoilla...75 3 Avaruussään haittavaikutuksia...77 3.1 Avaruussäähäiriöiden vaikutukset maanpinnalla...78 3.2 Vauriot lankalennättimissä...78 3.3 Vauriot voimaverkoissa... 80 3.4 Häiriöt maakaasuputkistoissa... 82 3.5 Avaruussään haitat satelliiteille ja lentokoneille... 84 3.6 Avaruussää ja satelliittipaikannus... 90 3.7 Avaruussään vaikutuksia eläinkunnassa... 92 3.8 Voiko avaruussäätä ennustaa?...93 3.9 Avaruussääpalvelua internetissä... 97 Sisällys 5
4 Avaruussään vaikutus maapallon sääilmiöihin... 101 4.1 Auringonpilkkujaksot ja maapallon lämpötila...105 4.2 Kosminen säteily ja pilvisyys...108 4.3 Auringon aktiivisuus ja jääkaudet...110 Lopuksi...114 LIITE 1 Avaruussäätutkimuksen kehitykseen vaikuttaneita tiedemiehiä... 115 LIITE 2 Avaruussääaiheista ja sitä sivuavaa kirjallisuutta...119 Internetlähteitä...120 LIITE 3 Lyhyt avaruussääsanasto...121 LIITE 4 Kuvalähteissä käytettyjä lyhenteitä...128 LIITE 5 Tietoja kirjoittajasta...129 Hakemisto... 130 6 Avaruussää
Esipuhe Avaruussää on maapallon lähiavaruuden ilmiö, jota sähköiset ja magneettiset voimat säätelevät. Pääasiassa avaruussää vaikuttaa maapallon ilmakehän ylimmissä kerroksissa noin 80 km korkeudesta ylöspäin maapallon ioni- ja magneettikehissä, mutta osittain se ulottuuu maanpinnalle asti. Avaruussään tunnetuimpia tapahtumia ovat revontulet. Avaruussäähän tuo vaihtelevuutta Aurinko, erityisesti Auringon aktiivisuus, jolla ymmärretään Auringon säteilytoiminnan nopeita muutoksia. Avaruussääilmiöt ovat Auringon ja Maan välistä vuorovaikutusta. Niitä havainnoidaan satelliiteista avaruudessa, mutta myös maanpinnalle sijoitetuista mittalaitteista. Avaruussää voi olla myrskyisä, jolloin se vaikuttaa esimerkiksi satelliittien toimintaan ja aiheuttaa joskus niiden tuhoutumisia. Avaruussäätä tieteellisenä kohteena tutkitaan osana avaruusfysiikan laajempaa kokonaisuutta. Tässä kirjassa esitellään avaruussäähän vaikuttavat tekijät Auringossa, minkälaisia avaruussääilmiöitä maapallolla tunnetaan ja miten ne syntyvät. Esillä ovat myös avaruussään haitat tietyille teknologisille laitteille ja järjestelmille. Oman lukunsa saa myös se, miten avaruussää vaikuttaa tavalliseen säähän. Kirjan tekijä on saanut arvokkaita kommentteja ja muuta apua seuraavilta henkilöiltä: Ari-Matti Harri, Lasse Häkkinen, Kirsti Jylhä, Kirsti Kauristie, Hannu Koskinen, Sinikka Köpfer-Nevanlinna, Juha-Pekka Luntama, Minna Palmroth, Kari Pajunpää, Risto Pirjola, Markku Postila, Antti Pulkkinen, Tuija Pulkkinen, Terttu Sallinen, Markku Sarimaa, Suvi Syrjä, Eija Vallinheimo ja Ari Viljanen. Esitän parhaimmat kiitokseni heille kaikille. Helsingin Kumpulassa syyskuussa 2006 Heikki Nevanlinna Esipuhe 7
Johdanto Nasa Sään vaihtelut kuuluvat tuttuihin arkipäivän kokemuksiin. Sade, auringonpaiste, pilvet, tuuli, lumi ja jää liittyvät päivästä toiseen tapahtuviin muutoksiin säätilassa, mutta myös vuodenaikojen tuomiin sään vaihteluihin. Meillä on jonkinlainen kouluajoilta mieleen jäänyt käsitys siitä, mistä nämä ilmiöt johtuvat: tuuli on ilman liikettä ja pilvet tiivistynyttä vesihöyryä. Veden kiertokulku luonnossa on ainakin hämärästi tuttu. Mutta mikä saa ilman liikkeelle ja miksi toiset pilvet satavat ja toiset eivät? Ilmaston muutokset on jo vaikeampi hahmottaa, ainakin jos pidämme kiinni siitä tieteellisestä määritelmästä, jonka mukaan ilmastollisia muutoksia tarkastellaan aina 30 vuoden jaksoissa. Lapsuuden kesät olivat aina aurinkoisia ja talvet lumisia, mutta riittääkö tällainen subjektiivinen muistikuva todistamaan ilmaston muutoksesta? Joka tapauksessa tiedämme, että säät muuttuvat myös pitempien aikojen puitteissa. Taivaalla on myös ilmiöitä, joita emme mitenkään pysty selittämään arkikokemuksella. Mistä tulevat ja mikä aiheuttaa syysiltoina ja alkukevään tummina öinä taivaalla leiskuvat revontulet? Mistä tulee niiden kalman kelmeä tai verenpunainen väri? Sekä revontulet että sääilmiöt saavat käyttövoimansa Auringon säteilystä: edellinen Auringon lähettämistä sähköisistä hiukkasista, niin sanotusta aurinkotuulesta, jälkimmäinen siitä Auringon säteilyenergiasta, jonka aistimme valona ja lämpönä. Revontulien syntysijat sijaitsevat ilmakehän ylärajoilla noin 100 km korkeudesta ylöspäin. Siellä vallitsevat lähes avaruuden olosuhteet ilman ollessa äärimmäisen ohutta. Revontulien valoleikki on osa laajem- 8 Avaruussää
paa ilmiömaailmaa, josta käytetään nimeä avaruussää. Maapallon lähiavaruudessa on sähköisesti varattuja hiukkasia, joiden liikkeisiin vaikuttavat sähköiset ja magneettiset voimat ja Auringon säteilymuutokset eli Auringon aktiivisuus. Näistä muodostuu vaihteleva avaruussää. Voidaan puhua myös avaruusilmastosta, kun avaruussäätä hallitsevat olosuhteet muuttuvat hitaasti vuosikymmenien aikana. Avaruussää käsitteenä on suhteellisen uusi, noin 15 vuotta sitten käyttöön otettu. Siihen liittyvät ilmiöt maapallon lähiavaruudessa ovat kuitenkin ikivanhoja kuten säätapahtumat maapallolla. Avaruussäähän on viime vuosina kiinnitetty huomiota sen vuoksi, että avaruuteen lähetettyjen laitteiden määrä kasvaa nopeasti. Tällaisia ovat muun muassa tietoliikenne- ja tutkimussatelliitit sekä miehitetyt avaruuslennot, jotka kaikki ovat alttiita avaruussäähäiriöille. Laitteet voivat ääritapauksissa vaurioitua vakavasti avaruussään rajuista vaihteluista. Avaruuden kautta tapahtuva viesti- ja radioliikenne ovat myös riippuvaisia avaruussäätiloista, minkä radioamatöörit hyvin tietävät. Avaruussään vaikutukset yltävät myös maanpinnalle. Sähköä johtavat teknologiset järjestelmät kuten valtakunnan laajuiset sähköverkot sekä öljy- ja kaasuputket reagoivat avaruussään muutoksiin. Niihin syntyy sähkövirtoja, jotka pahimmillaan voivat aiheuttaa suuria vahinkoja. Myös satelliittipaikannus (esim. GPS) ja matkapuhelinverkot oireilevat voimakkaiden avaruussäähäiriöiden aikana. On hyvä kuitenkin muistaa, että tavalliset maanpäälliset myrskyt, tulvat ja muut luonnontuhot aiheuttavat vuosittain maapallolla noin 40 miljardin euron vahingot, mikä on kymmeniä kertoja enemmän kuin mitä avaruussäämyrskyjen aiheuttamiksi vahingoiksi lasketaan. Avaruussäähäiriöiden aiheuttamat viat teknologisissa järjestelmissä eivät ole uusi ongelma. Jo niinkin varhain kuin 1840-luvulla ensimmäisissä lankalennättimissä havaittiin toimintahäiriöitä voimakkaiden revontulien yhteydessä. Tunnetuin nykyaikana tapahtunut vahinko sattui maaliskuussa 1989, jolloin avaruussäämyrsky rikkoi sähköverkon muuntajia ja Kanadassa Quebecin provinssia koetteli pitkä sähkökatkos. Sähköverkko oli pois päältä kymmenisen tuntia, ja miljoonat ihmiset joutuivat kärsimään. Vahingot olivat miljoonia dollareita. Haittavaikutuksiltaan pienempiä häiriöitä on ollut sen jälkeenkin. Maaliskuun 1989 tapahtuman jälkeen tiedemiehet kiinnostuivat selvittämään kysymystä siitä, miten avaruussäähäiriö syntyy Auringosta Maahan johtavana tapahtumasarjana. Häiriöille alttiiden teknologisten järjestelmien ylläpidon kannalta on tärkeää tietää, voidaanko avaruussääilmiöitä ja niiden vahinkovoimaa ennus- Johdanto 9
taa, jotta herkät ja kalliit laitteet kyettäisiin ajoissa suojata avaruusmyrskyjen vaikutuksilta. Avaruussään osailmiöitä kuten revontulia ja Maan magneettikentän häiriöitä on havaittu ja tutkittu nykyaikaisessa mielessä jo 1800-luvulta lähtien osana maapallon geofysikaalista tutkimusta. Modernin avaruussäätutkimuksen juuret ovat siis kaukana menneisyydessä. Avaruussään keskeinen osatekijä magneettinen myrsky ristittiin aivan 1800-luvun alussa. Suomessa Ilmatieteen laitos aloitti toimintansa vuonna 1838. Sen tehtäviin kuului tutkia Maan magneettikentän vaihteluiden ja meteorologisten ilmiöiden välisiä yhteyksiä sekä näiden molempien riippuvuutta Auringon säteilystä. Tutkimusohjelma oli osa 1800-luvun tiedeyhteisön kansainvälistä toimintaa. Tämän päivän terminologian mukaan silloinen ohjelma olisi luokiteltu avaruussäätutkimukseksi. Pitkien havaintosarjojen hyödyntäminen avaruussäätilan hitaiden muutoksien tutkimuksessa antaa arvokasta tietoa avaruusilmaston muuttumisesta vuosikymmenestä toiseen. Ovatko avaruussäähäiriöt yleistymässä vai vähentymässä? Näin saadaan tietoa myös itse Auringon säteilytoiminnan hitaista muutoksista. Avaruussään vaikutus rajoittuu pääasiassa maapallon lähiavaruuteen kauas tavallisen sään vaikutusalueesta. Toisaalta voimakkaat avaruussäämyrskyt tuntuvat myös ilmakehän alimmassa kerroksissa, jotka vaikuttavat ihmisiin. Mielenkiintoinen kysymys on tällöin, vaikuttaako avaruussää jokapäiväiseen säähän maanpinnan lähellä. Onko Auringon aktiivisuustapahtumilla vaikutusta maapallon säähän ja ilmastoon? Aihe liittyy myös käynnissä olevaan ilmastonmuutoskeskusteluun ja kasvihuoneilmiön voimistumiseen. Auringon säteilytuottojen vaihteluilla on oma ihmiskunnan toimista riippumaton osuutensa ilmakehän lämpötilaa muuttavana tekijänä. Avaruussää on erittäin monimutkainen Aurinko Maa-kokonaisuuden vuorovaikutusilmiö. Sen ymmärtämiseksi tarvitaan laaja satelliittien ja maanpintahavaintojen verkosto sekä tietokonesimulaatioita ja -malleja. Avaruussääennusteita varten on havaintojen välityksen avaruudesta ja maanpinnalla oltava reaaliaikaista ja kaikkia havaintotuloksia on voitava yhdistää nopeasti kokonaistilanteen hahmottamiseksi. Avaruussääennusteiden tarkkuus ja luotettavuus ovat kuitenkin kaukana tavanomaisten sääennusteiden tasosta. Tosin hallittava ilmiömaailmakin on paljon monimutkaisempi kahden taivaankappaleen Auringon ja Maan nopeasti muuttuva vuorovaikutuskokonaisuus. 10 Avaruussää
Esa ja Nasa 1 Aurinko avaruussääilmiöiden käynnistäjä 1.1 Aurinko energialähteenä Koska avaruussääilmiöiden perimmäinen aiheuttaja on Aurinko, on hyvä ensin antaa lyhyt kuvaus aurinkokuntamme keskuskappaleesta ja sen avaruussääilmiöihin vaikuttavista ominaisuuksista. Aurinko on suhteessa maailmankaikkeuden muihin tähtiin varsin tavallinen niin kooltaan kuin säteilyvoimakkuudeltaankin. Ikänsä puolesta se on myös keski-ikäinen; takana on 4.5 miljardia vuotta ja saman verran on edessä. Maapalloon ja aurinkokunnan muihin planeettoihin verrattuna Aurinko on kooltaan ylivoimaisen suuri ja massiivinen. Sen massa on Aurinko avaruussääilmiöiden käynnistäjä 11