lauantai 24. syyskuuta 2016

Kysymyksiä revontulista

K: Mitä revontulet ovat?


V: revontulet ovat ilmakehän yläosassa, termosfäärissä (85–690 km) ja joskus vieläkin korkeammalla eksosfäärissä esiintyviä valoilmiöitä.

Revontulien esiintyminen edellyttää sitä, että maapallon magneettikenttään on joutunut aurinkotuulen varattuja hiukkasia (elektroneja) tavallista runsaammin. Lopulta magneettikenttä saavuttaa kylläisen tilan, jossa elektroneja ei voi enempää sitoutua magneettikenttään. Tässä tilassa magneettinen kenttä on hyvin epävakaa ja pienikin häiriö saa aikaan magneettisen myrskyn.

Myrskyn aikana magneettinen pyrstö (aina vastakkaisella puolella maapalloa kuin Aurinko) katkeaa, pyrstön kärki irtoaa ja jäljelle jäänyt osa supistuu voimakkaasti. Supistuminen kiihdyttää elektroneja jotka syöksyvät kohti maapalloa ja osa niistä päätyy magneettisten voimaviivojen ohjaamina magneettisten napojen läheisyyteen yläilmakehään. Toinen osa elektroneista päätyy Maan ympäri kiertävään rengas(sähkö)virtaan. Rengasvirran elektronit eivät aiheuta revontulia.

Revontulivalo syntyy elektronien törmätessä ilmakehän atomeihin. Törmäyksessä atomiydintä kiertävien elektronien energia lisääntyy, jonka seurauksen ne siirtyvät (virittyminen) ulommille orbitaaleille (~kiertoradoille) tai jopa irtoavat kokonaan. Virittyminen tila ei kuitenkaan kestä kovin pitkään vaan elektronit palautuvat alemmille orbitaaleille tai vapaat elektronit sitoutuvat uudelleen atomien orbitaaleille ja vapauttavat energiaa. Energia poistuu atomista sähkömagneettisena säteilynä jolloin näemme sen revontulivalona.


K: Revontulet ovat yleensä vihreitä, mutta muitakin värejä näkee silloin tällöin. Miten revontulien eri värit syntyvät?


V: Revontulien esiintymiskorkeudessa on happi ja typpi atomeja ja molekyylejä. Yleisin vihreä revontulivalo (l=557,7 nm) on peräisin happi-atomeista, jossa elektronit siirtyvät toiselta energiatilalta ensimmäiselle perustilalle. Happi säteilee myös punaista revontulivaloa (l=630,0 nm ja l= 636,4 nm) kun ensimmäisen viritystilan elektronit siirtyvät perustilaan. Happi säteilee myös uv-valoa (l=297,2 nm) silloin kun toisen viritystilan elektronit siirtyvät suoraan perustilaan. Tätä tapahtuu hyvin vähän (noin 5 % ensimmäisestä viritystilasta siirtymisistä) ja uv-valo on näkymätöntä visuaalisesti havaittuna. 

Happi esiintyy yläilmakehässä myös molekyylinä (O2 ja O2+), jolloin se säteilee joko punaista tai vihreää valoa. Lisäksi happi säteilee näkymätöntä infrapunaista valoa.

Yläilmakehässä on myös typpeä, vaikkakin hieman vähemmän kuin happea. Typpi esiintyy eri muodoissa: atomeina (N, N+), molekyylinä (N2, N2+) ja typpioksidina (NO).  Typen atomit säteilevät revontulivaloa aallonpituusalueella 545–635 nm eli vihreästä oranssiin useissa eri väreissä. Typen molekyylit puolestaan säteilevät revontulivaloa aallonpituusalueella 345–410 nm, joka violettiin aallonpituusalueelle.  Typpioksidi säteilee ultraviolettivaloa.

Kaiken kaikkiaan revontulivalossa voidaan nähdä jopa kuuttatoista eri väriä, joskin lähekkäisten eri sävyjen erottaminen toisistaan voi olla vaikeaa. Päävärit ovat vihreä, punainen ja sinivioletti. Sopivasti päällekkäin mennessä päävärit voivat muodostaa yhdistelmävärejä kuten keltainen, pinkki tai jopa valkoinen.

Silloin tällöin pimeässä paikassa voi nähdä harmaita revontulia. Silloin kyse on niin himmeistä revontulista, että silmän värien näkemiskynnys ei ylity. Valokuvaamalla harmaat revontulet osoittautuvat usein vihreiksi revontuliksi.


Revontulien verhomainen rakenne näkyy tässä Kanasianvälisellä
avaruusasemalla otetusta kuvasta. Luva Wikimedia Commons.
K: Revontulissa esiintyy erilaisia muotoja kuten kaaria, vöitä, säteitä, kierteitä ja kruunu. Miten nämä syntyvät?


V: Revontulet ovat yleiseltä muodoltaan verhomaisia jonka suunta on maapallon magneettikentän mukainen. Tämä johtuu ilmakehään tunkeutuvien elektronivuon kapeudesta. Elektronit muodostavat eräänlaisen levyn, jonka leveys on vain sadan metrin luokkaa.  Elektronivuon tiheyden ollessa vähäinen, tilanne säilyy muuttumattomana ja revontulet näkyvät kaarena, vyönä tai verhona riippuen havaitsijan asemasta revontuliverhoon nähden.

Tilanne kuitenkin muuttuu elektronivuon tiheyden lisääntyessä. Tällöin verhon paksuus kasvaa ja koko järjestelmä muuttuu epävakaaksi. Tällöin pienikin häiriötekijä saa aikaan revontuliverhon poimuttumisen tai kiertymisen. Poimun halkaisija on noin 1–10 km, jolloin yleensä se nähdään säteinä. Häiriön ollessa paikallista laajemmalla alueella, se johtaa revontuliverhon kiertymiseen itsensä ympäri ja usein myös katkeamiseen. Tällöin kyseessä on halkaisijaltaan 100–1000 km kokoluokkaa olevasta ilmiöstä ja me näemme sen selkeänä spiraalina etenkin jos ilmiö esiintyy korkealla taivaalla.
Revontulikruunu. Kuva Wikimedia Commons.

Revontulikruunu esiintyy havaitsijan keskitaivaalla. Sen tarkka asema määräytyy paikallisen magneettikentän mukaisesti. Kruunun muoto on seurausta perspektiivi-ilmiöstä, sillä sen keskiosa on korkeammalla kuin reunat. Keskiosan väri on usein punainen tai violetti ja reunat vihreitä.

Revontulet usein myös leiskuvat, sykkivät, loimuavat tai välkehtivät. Näissäkin ilmiöissä on kyse elektronivuon epävakaudesta mutta myös laajemmin magneettikentässä tapahtuvasta epävakausilmiöistä. Magneettikentän epävakaus aiheuttaa elektronivuon voimakasta tiheyden vaihtelua ja se näkyy revontulivalon kirkkauden vaihteluina. Usein myös maanpintakerrokseen indusoituneet sähkövirrat moduloivat elektronivuota (sähkövirtaa sekin) aiheuttaen loimuamista. 

Ehkä mielenkiintoisin, harvinaisin ja samalla selittämätön revontuli-ilmiö on revontulilaikut. Kirkkaudeltaan sykkiviä laikkuja voi esiintyä vain muutamia alueellisesti revontulivöissä tai säteiden läheisyydessä, mutta joskus niitä voi nähdä koko taivaan alueella jopa täysin irrallaan muista revontulista. Sykkiminen voi olla synkronoitunutta (kaikki laikut kirkastuvat samanaikaisesti) tai kirkastumiset ja himmenemiset etenevät laikuissa aaltomaisesti.  Itse olen elämäni aikana nähnyt parikertaa synkronisesti sykkiviä laikkuja. Ilmiön syitä ei ole kovinkaan helppoa selittää edellä kerrotuilla mekanismeilla.


K: Kuinka korkealla revontulet esiintyvät?

V: Revontulet esiintyvät yleensä mesopausin (85 km) yläpuolella termosfäärissä tai sen yläpuolella eksosfäärissä. Joskus erittäin voimakkaiden magneettisten myrskyjen aikana revontulia voi esiintyä mesofäärin yläosassa noin 65 km korkeudella.

Vihreät revontulet ovat yleensä noin 120–200 km korkeudella, punaiset 200–450km ja violetit näiden yläpuolella jopa joskus 1000 km asti. Korkeuslukemat eivät ole tarkkoja ja paljolti riippuu magneettisen myrskyjen voimakkuudesta, termosfäärin ja eksosfäärin lämpötilasta, elektronien nopeudesta kuin hiukkastiheydestäkin.  Voimakkaiden purkausten ja myrskyjen aikana korkeudet voivat olla hieman alempina kuin rauhallisempina aikoina.


Revontulien määrä noudattaa auringonpilkkujaksoa
niin, että eniten revontulia nähdään maksimin jälkeen
parin vuoden aikana. Kuva NOAA/SWPC.
K: Milloin revontulia näkyy?


V: Revontulien näkyminen vaihtelee hyvin runsaasti riippuen vuodesta, vuoden ajasta ja tapahtumista Auringossa. Pitkällä aikavälillä revontulien esiintyminen noudattaa Auringon aktiivisuusjaksoa (auringonpilkkujaksoa). Näin ollen silloin kun Aurinko on aktiivinen, revontulia esiintyy runsaammin kuin aktiivisuusminimin aikoina.

Revontulia näkyy runsaimmin Auringon aktiivisuushuipun mentyä ohi parin vuoden ajan. Revontulet ovat suora seuraus Auringossa tapahtuviin flare- ja etenkin CME-purkauksista, joita ko. ajankohtana ilmaantuu runsaasti, jopa useita yhden vuorokauden kuluessa. CME eli koronamassapurkaus heittää avaruuteen suuren määrän aurinkoainetta, plasmaa. Jos purkaus sattuu oikeaan aikaan ja suuntaan, osa plasmapilvestä törmää maapallon magneettikenttään parin vuorokauden kuluttua ja aiheuttaa magneettisen myrskyn, joka puolestaan näkyy revontulina.

Aktiivisuusminimin lähestyessä Auringossa tapahtuvat purkaukset vähenevät, josta syystä revontulitoiminta jonkin verran hiipuu ja silloin kun revontulia näkyy, niiden voimakkuus ei ole huippuvuosien veroista.

Täytyy kuitenkin huomata, että myös aktiivisuusminimin aikana revontulia voi näkyä, joskus jopa hyvin kirkkaita. Tällöin revontulien aiheuttajana on Auringon korona-aukko, joka kohdistuu suoraan maapalloon. Korona-aukossa aurinkotuulen tiheys on tavallista vähäisempi mutta hiukkasten vauhti tavanomaista suurempi. Korona-aukko ei suoranaisesti aiheuta magneettista myrskyä mutta revontulitoiminta johtuu magneettikentän rauhattomuudesta jota myös alimyrskyiksi kutsutaan.

Revontulien esiintyvyys noudattaa myös vuodenaikaista rytmiä. Runsaimmin revontulia nähdään syys–lokakuussa ja maalis-huhtikuussa. Syyskauden revontulitoiminta alkaa käytännössä jo elokuun jälkipuoliskolla. Keskitalvella marras–helmikuussa revontulien esiintyvyys on suunnilleen puolet syksyn ja kevään lukemista. Kesällä revontulia ei voi nähdä pohjoisella pallonpuoliskolla johtuen valoisista öistä, mutta niitä esiintyy suunnilleen yhtä paljon kuin talviaikana.

Revontulet noudattavat myös vuorokautista rytmiä. Revontulet ovat yleensä kirkkaimpia, näkyvät korkealla ja runsaampina keskiyön jälkeen parin tunnin ajan. Aktiivisina revontulikausina, jolloin esiintyy magneettisia myrskyjä, revontulia voi nähdä jo iltayöstä alkaen aina aamutunneille asti. Hyvin voimakkaitten magneettisten myrskyjen aikana revontulia voi nähdä jo heti illalla, kun tulee riittävän pimeää ja ne jatkuvat aina aamuhämärään asti.

Revontulet eivät voimakkaittenkaan purkausten aikana jatku kirkkaudeltaan samanlaisina pitkään. Usein erillisten alimyrskyjen välillä voi olla puolentunnin tai tunnin mittaisia taukoja, tai revontulien näkyminen voi rajoittua hyvinkin lyhytaikaiseksi.


Revontulia Etelämantereella. Kuva Wikimedia Commons.
K: Näkyvätkö revontulet yhtä aikaa molemmilla pallonpuoliskoilla?


V: Kyllä, revontulet esiintyvät samanaikaisesti sekä pohjoisella kuin eteläisellä pallonpuoliskolla. Tarkkaan ottaen revontulet esiintyvät revontuliovaaliksi kutsutulla vyöhykkeellä magneettisten napojen ympäristössä.

Revontuliovaali on nimensä mukaisesti soikea vyöhyke, jonka pisin puoliakseli on noin 2500 km ja lyhyempi puoliakseli on noin 1500 km. Ovaalin koko kuitenkin vaihtelee sen mukaan kuinka voimakas magneettinen myrsky on: mitä voimakkaampi sen laajempi ovaali on. Usein revontuliovaali ulottuu maamme etelärannikolle ja voimakkaiden magneettisten myrskyjen aikana jopa Keski-Eurooppaan asti.

Pohjois-Amerikassa revontuliovaali perinteisesti on voinut ulottua jopa paljon kauemmaksi etelään, sillä magneettinen napa on sijainnut Kanadan pohjois-osan saaristossa. Parin viime vuosikymmenen aikana pohjoisen magneettinapa on kuitenkin siirtynyt vauhdilla kohti pohjoista ja sijaitsee nyt (2016) suhteellisen lähelle maantieteellistä pohjoisnapaa, siitä suunilleen Berigin salmen suuntaan jonkin matkaa. Näin ollen Pohjois-Euroopassa ja Siperiassa revontulien näkymismahdollisuudet ovat parantuneet ja Pohjois-Amerikassa vastaavasti hieman heikentyneet.


K: Miksi Lapissa revontulia näkyy useammin kuin Etelä-Suomessa?


V: Lapissa revontulien näkyminen etelää useammin johtuu siitä, että se sijaitsee lähempänä magneettista napaa kuin Etelä-Suomi. Lapissa revontulia voi nähdä silloinkin, kun ei ole menossa minkäänlaista magneettista myrskyä, riittää kunhan vain pientä rauhattomuutta esiintyy magneettikentässä. Revontulien näkyminen Etelä-Suomessa edellyttää, jos ei suorastaan magneettista myrskyä, niin ainakin voimakasta alimyrskyä.  Voimakas rauhattomuus on luonnollisesti harvalukuisempaa kuin pieni väreily.


Kp-indeksi, joka vaalitaan kullakin havaintopaikalla
revontulien näkemiseen. Pohjoisessa revontulia
näkyy pienemillä indeksin arvoilla kuin etelässä.
K: Kuinka revontuliennusteita laaditaan?

V: Revontuliennusteiden laadinta on hyvin monimutkainen juttu. Tästä syystä ennusteet myös harvoin osuvat aivan täysin kohdalleen.  Ennusteen laatimiseksi tarvitaan tietoja monista osatekijöistä kuten maapallon magneettikentän tilasta, lähiavaruuden avaruussäästä ja viimekädessä Auringon magneettikentästä, aktiivisuudesta ja siellä tapahtuneista purkauksista.

Ennusteen laadinnan lähtökohtana ovat K-, A ja a-indeksit, jotka ovat yksittäisten magneettisten mittausasemien magneettisten ilmiöiden tyyppiä, magneettikentän amplitudin maksimiarvoa ja A-indeksi vuorokausikeskiarvo. Näistä lasketaan 13 havaintoaseman keskiarvojen perusteella Kp-, Ap- ja ap-indeksit, jotka kuvaavat magneettikentän tilaa koko maapallolla. Ennustetta varten havaintoasemat pyrkivät myös ennustamaan tulevan kehityksen lähimpien 6 tunnin aikana.

Kp-indeksiennuste laaditaan myös 27–28 vuorokaudeksi. Kauden pituus määräytyi Auringon ekvaattoriseutujen pyörähdysajan mukaan, sillä magneettista rauhattomuutta aiheuttavat ilmiöt noudattavat suunnilleen Auringon pyrähdysaikaa. Jos siis hyvän revontulinäytelmän haluaa nähdä uudelleen, silloin noin 28 vuorokauden kuluttua on yleensä ainakin pieni mahdollisuus revontulien jälleen näkymiselle.

Kp-indeksi kertoo magneettikentä tilan 3 tunnin jaksoissa.
Kuva NOAA/SWPC.
Jotta Kp-indeksistä oli käytännön hyötyä, täytyy tietää havaintopaikan magneettinen leveys tai sen perusteella laskettu Kp-indeksin arvo. Pirkanmaalla Kp-indeksi täytyy olla arvossa 4- tai enemmän (asteikko 0–9), jotta olisi edes vähäinen mahdollisuus revontulien näkymiselle. Etelämpänä, esimerkiksi Suomen etelärannikolla Kp-indeksin arvon täytyy olla 5- heikkojen revontulien näkymiseen.  Pohjoisessa ja Lapissa vastaavasti arvot 2 ja 1 tuottavat jo revontulia jos kaikki muut tekijät ovat suotuisia.

Kp-indeksin lisäksi tarvitaan tietoa lähiavaruuden avaruussäästä. Tätä varten avaruuteen on sijoitettu luotaimia noin 1,5 miljoonan km etäisyyteen Lagrangen pisteeseen Maan ja Auringon väliin. Luotain mittaa lähiavaruuden hiukkasten määrää, laatua ja nopeutta ja radioi tiedot maapallolle. Näin saadaan noin tuntia ennen ennakkovaroitus voimakkaista aurinkotuulen muutoksista. 

Hieman samaa tehtävää hoitaa SOHO- ja SDO-luotaimet samassa paikassa. Nämä kuitenkin havaitsevat suoraan Aurinkoa ja pystyvät havaitsemaan Auringossa tapahtuvat purkaukset jo niiden alkuvaiheessa noin kaksi vuorokautta ennen kuin niiden vaikutukset alkavat tuntua maapallon magneettikentässä.

Vielä on yksi oleellinen tekijä, joka loppujen lopuksi ratkaisee revontulen näkymisen tai niiden poisjäämisen. Kyseinen tekijä on planeettojen välisen avaruuden magneettikenttä, josta käytetään lyhennettä IMF.

IMF voidaan jakaa komponentteihin x-, y- ja z-akselien suuntaisesti, joista Bz on oleellisen tärkeä tuntea. Bz-kenttä vaihtelee pohjois- ja eteläsuunnan välillä joskus voimakkaammin ja joskus heikommin. Bz-kentän osoittaessa etelään joitakin nanotesloja (nT) revontulien esiintyminen on todennäköisempää kuin kentän osoittaessa pohjoiseen. Etelään suuntautuvien kenttien merkkinä käytetään miinus-merkkiä (-) ja pohjoiseen suuntautuvan kentän merkkinä plus-merkkiä (+). IMFn suunnan vaihtelu johtuu Auringosta, sillä kentän synnyttäjä on Aurinko ja kenttä suuntautuu ekvaattori tasossa Auringosta poispäin.

CME-pilvi purkautumassa Auringossa. Jos purkaus tapahtuu
oikeassa paikassa, niin pilvi voi törmätä maapallon magneettikenttään
parin vuorokauden kuluessa. Kuva Wikimedia Commons.
IMF ei osoita suoraan säteensuunasta Auringosta poispäin, vaan on kiertynyt Auringon ympärille spiraaliksi. Maapallon kohdalla spiraalin tulosuunta on noin 45° Auringon oikealla puolella. Tällä on oma merkityksensä etenkin syyskauden revontulien näkyvyyteen.

Auringon magneettikenttä (IMF) ohjaa niin CME-pilven kuin korona-aukkojen hiukkasten kulkureittiä siten, että ne päätyvät helpoimmin tunkeutumaan maapallon magneettikenttään erityisesti syyspäivän tasauksen aikoihin tai hieman sitä ennen. Tällöin maapallon on kallistunut kohti kenttää ja ”ovi” on avoinna hiukkasten tunkeutumiselle. Keväällä ja etenkin talvella tai kesällä tunkeutuminen ei ole lainkaan yhtä helppoa. Maapallon asento suhteessa IMF:ään selittää revontulien runsauden tasauspäivien aikoihin.