IONOSPHERIC PHYSICS, S, KEVÄT 2017 REVONTULIALIMYRSKY

Samankaltaiset tiedostot
Aurinko. Tähtitieteen peruskurssi

Revontulet matkailumaisemassa

Avaruussää. Tekijä: Kai Kaltiola

Sähköstatiikka ja magnetismi

Nopean aurinkotuulen vaikutukset ionosfäärissä. Hannu Kaaretkoski

Avaruussää ja Auringon aktiivisuusjakso: Aurinko oikuttelee

Jupiterin magnetosfääri. Pasi Pekonen 26. Tammikuuta 2009

Luku 27. Tavoiteet Määrittää magneettikentän aiheuttama voima o varattuun hiukkaseen o virtajohtimeen o virtasilmukkaan

8a. Kestomagneetti, magneettikenttä

1.1 Magneettinen vuorovaikutus

Suojeleva Aurinko: Aurinko ja kosmiset säteet IHY

Monimuotoinen Aurinko: Aurinkotutkimuksen juhlavuosi

Tähtitieteen peruskurssi Lounais-Hämeen Uranus ry 2013 Aurinkokunta. Kuva NASA

Luku 3. Ilmakehä suojaa ja suodattaa. Manner 2

Ulottuva Aurinko Auringon hallitsema avaruus

Magneettikentät. Haarto & Karhunen.

Magneettikenttä. Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän

Magneettisten myrskyjen ajajista

Tiera Laitinen Aurinko Maa-kytkennän tutkijaseminaarissa Helsingin yliopistossa

Magnetosfäärin pyrstön rekonnektioalue MHD-simulaatiossa

Kaamoksen valot Juha Ojanperä Kuusamo, Kuusamo-Opisto

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

RATKAISUT: 19. Magneettikenttä

766323A Mekaniikka, osa 2, kl 2015 Harjoitus 4

Kokeellisen tiedonhankinnan menetelmät

MAAN MAGNEETTIKENTÄN IHMEELLISYYKSIÄ: NAPAISUUSKÄÄNNÖKSET

Avaruussääriskit Brent Walker yhteenveto. Prof. Eija Tanskanen Ilmatieteen laitos, Avaruussääryhmä

DEE Tuulivoiman perusteet

Fysiikka 7. Sähkömagnetismi

Aurinkotuulen dynaamisen paineen muutosten vaikutus ionosfäärin dynamiikkaan

SMG-4500 Tuulivoima. Toisen luennon aihepiirit VOIMIEN YHTEISVAIKUTUKSISTA SYNTYVÄT TUULET

Lataa Johdatus plasmafysiikkaan ja sen avaruussovellutuksiin - Hannu Koskinen. Lataa

Kyösti Ryynänen Luento

Sähkö ja magnetismi 2

perushiukkasista Perushiukkasia ovat nykykäsityksen mukaan kvarkit ja leptonit alkeishiukkasiksi

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Jupiter-järjestelmä ja Galileo-luotain II

Leptonit. - elektroni - myoni - tauhiukkanen - kolme erilaista neutriinoa. - neutriinojen varaus on 0 ja muiden leptonien varaus on -1

Atomien rakenteesta. Tapio Hansson

ASTROFYSIIKAN TEHTÄVIÄ VI

Aiheena tänään. Virtasilmukka magneettikentässä Sähkömagneettinen induktio. Vaihtovirtageneraattorin toimintaperiaate Itseinduktio

Kosmos = maailmankaikkeus

KESTOMAGNEETTI VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Jani Vitikka p87434 Hannu Tiitinen p Dynaaminen kenttäteoria SATE2010

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson

Menetelmäohjeet. Muuttuvan magneettikentän tutkiminen

(2)* Joskus vihreä revontuli näyttää keltaiselta sekä paljain silmin että kameralla. Kyseessä on kuitenkin sama vihreä.

Lataa Avaruussää - Heikki Nevanlinna. Lataa

Termiikin ennustaminen radioluotauksista. Heikki Pohjola ja Kristian Roine

Globaali virtapiiri. Reko Hynönen

Maan ja avaruuden välillä ei ole selkeää rajaa

Tarinaa tähtitieteen tiimoilta FYSIIKAN JA KEMIAN PERUSTEET JA PEDAGOGIIKKA 2014 KARI SORMUNEN

Sisällys. Esipuhe... 7 Johdanto... 8

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

Kosmologia: Miten maailmankaikkeudesta tuli tällainen? Tapio Hansson

SMG-4500 Tuulivoima. Ensimmäisen luennon aihepiirit. Ilmavirtojen liikkeisiin vaikuttavat voimat TUULEN LUONNONTIETEELLISET PERUSTEET

AURINKOENERGIAA AVARUUDESTA

DEE-11110: SÄHKÖTEKNIIKAN PERUSTEET

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

Ilmastonmuutos ja ilmastomallit

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

Koronan massapurkauksen synnyttämät aallot

Mikrotila Makrotila Statistinen paino Ω(n) 3 Ω(3) = 4 2 Ω(2) = 6 4 Ω(4) = 1

Elektroniikka. Tampereen musiikkiakatemia Elektroniikka Klas Granqvist

Potentiaali ja sähkökenttä: pistevaraus. kun asetetaan V( ) = 0

VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Lauri Karppi j SATE.2010 Dynaaminen kenttäteoria DIPOLIRYHMÄANTENNI.

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I

Susanna Viljanen

AMMATTIKORKEAKOULUJEN TEKNIIKAN JA LIIKENTEEN VALINTAKOE ÄLÄ KÄÄNNÄ SIVUA ENNEN KUIN VALVOJA ANTAA LUVAN!

FY6 - Soveltavat tehtävät

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio Sähkötekniikka/MV

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

MAGNEETTINEN MAAPALLOMME OPETUSMATERIAALI

Radioaaltojen eteneminen. Marjo Yli-Paavola, OH3HOC

Synkrotronisäteily ja elektronispektroskopia. Tutkimus Oulun yliopistossa

SMG KENTTÄ JA LIIKKUVA KOORDINAATISTO

Koronan massapurkaukset ja niiden synty. Sanni Hoilijoki Teoreettisen fysiikan syventävien opintojen seminaari

Fysiikan kurssit suositellaan suoritettavaksi numerojärjestyksessä. Poikkeuksena kurssit 10-14, joista tarkemmin alla.

RATKAISUT: 18. Sähkökenttä

SATE1120 Staattinen kenttäteoria kevät / 5 Laskuharjoitus 14: Indusoitunut sähkömotorinen voima ja kertausta magneettikentistä

Muista, että ongelma kuin ongelma ratkeaa yleensä vastaamalla seuraaviin kolmeen kysymykseen: Mitä osaan itse? Mitä voin lukea? Keneltä voin kysyä?

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Harjoitustehtäviä kokeeseen: Sähköoppi ja magnetismi

kipinäpurkauksena, josta salama on esimerkki.

Heijastuminen ionosfääristä

Yleistä sähkömagnetismista SÄHKÖMAGNETISMI KÄSITEKARTTANA: Varaus. Coulombin voima Gaussin laki. Dipoli. Sähkökenttä. Poissonin yhtälö.

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

Lataa Revontulet - Kari Kaila. Lataa

Valomylly. (tunnetaan myös Crookesin radiometrinä) Pieni välipala nykyisin lähinnä leluksi jääneen laitteen historiasta.


Teoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta

Luento Kyösti Ryynänen

Fysiikan perusteet ja pedagogiikka (kertaus)

Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I. Ilmakehän vaikutus havaintoihin. Jyri Lehtinen. kevät Helsingin yliopisto, Fysiikan laitos

Elektroniikan perusteet, Radioamatööritutkintokoulutus

12. Aurinko. Ainoa tähti, jota voidaan tutkia yksityiskohtaisesti esim. pyöriminen, tähdenpilkut pinnalla, ytimestä tulevat neutrinot

Voima F tekee työtä W vaikuttaessaan kappaleeseen, joka siirtyy paikasta r 1 paikkaan r 2. Työ on skalaarisuure, EI vektori!

761352A JOHDATUS AVARUUSFYSIIKKAAN

Transkriptio:

IONOSPHERIC PHYSICS, 761658S, KEVÄT 2017 REVONTULIALIMYRSKY Joonas Vatjus & Jakke Niskanen Ionospheric Physics, Projektityö Oulun yliopisto Fysiikan laitos 12.4.2017

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

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 70-1000 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,

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]

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. 10-60 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.

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].

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]

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 30-50 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].

4. Lähteet Aikio, A., & T. Nygren, Ionospheric physics course material, course: 761658S Ionospheric Physics, 2013. Aikio, A., Auroral physics course material, course: 761649S Auroral Physics, 2015. Book by Kivelson, M. & Russel, T., Article by McPherron, Magnetospheric dynamics, 1995. Kaila, K., Revontulet, Helsinki: Tähtitieteellinen yhdistys Ursa, 1998. Kaaretkoski H., Nopean aurinkotuulen vaikutukset ionosfäärissä, Oulun yliopisto, 2011