torstai 23. toukokuuta 2013

Mikä on flare-purkaus?

15.5. tapahtunut 1X-luokan flare
Nasan SDO-observatorion
kuvaamana. Kuva Nasa/SDO.

Viikon 20 alkupuolella (13.–15.5.2013) Auringossa tapahtui uutiskynnyksen ylittäviä flare-purkauksia. Uutisissa kerrottiin tapahtumasta hyvin suppeasti ja siitä mistä oikeastaan oli kysymys ei kerrottu lainkaan! Esimerkiksi BBC News Word'in tv-uutisia seuraavalle jäi epäselväksi, etenkin kun samaan aikaan näytettiin kuvaa koronamassapurkauksesta (CME) joka on aivan eri asia, vaikka liittyykin Auringossa esiintyviin ilmiöihin.

Auringossa näkyvät ilmiöt, mukaan lukien flare-purkaukset ovat olennaiselta osiltaan magneettikentän aikaan saamia ilmiöitä. Tavallisin tähän ilmiöryhmään kuuluvista ilmiöistä ovat auringonpilkut, jotka näkyvät joskus jopa paljain silmin, tai tarkemmin sanottua ilman optista suurennusta.

Auringonpilkut syntyvät Auringon magneettisesti aktiivisille alueille, ja samoille alueille syntyvät myös flare-purkaukset. Flare-purkaukset eivät kuitenkaan näy kuin erittäin harvinaisissa tapauksissa paljain silmin, jolloin sellaisen täytyy olla erittäin voimakas. Tavallisimmin flaret näkyvät Auringon voimistuneena röntgen- ja uv-säteilynä ja kromosfäärin lämpötilan äkillisenä paikallisena nousuna jopa usean miljoonan asteen lämpötilaan. Ne näkyvät myös erikoiskaukoputkilla vedyn alfa-viivan aallonpituudella kromosfäärin paikallisena kirkastumisena.

Mitä magneettikentässä tapahtuu flare-purkauksen aikana? Kyse on perimmiltään magneettisesta oikosulusta, joka on analoginen tapahtuma sähkökentän oikosulun kanssa, johon jokainen meistä on varmasti tutustunut palaneina sulakkeina sähköverkossa. Magneettisen oikosulun saa aikaan magneettikentän erisuuntaisten magneettisten voimaviivojen joutuminen toistensa läheisyyteen. Ulkoisen dynaamisen paineen vaikutuksesta erisuuntaiset magneettikentät lähestyvät toisiaan ja lopulta yhtyvät. Seurauksena on magneettikenttään varastoituneen energian vapautuminen. Se aiheuttaa voimakkaan röntgen- ja uv-säteilyn emission ja suuren protonimäärän kiihtymisen noin puoleen valonnopeudesta.

Flare-purkauksen voimakas sähkömagneettisen säteilyn emissio kuumentaa lähialueen plasmaa miljoonien asteiden lämpötilaan, ja nopeasti muuttuvat magneettikentät kiihdyttävät protonit suureen nopeuteen, jotka lopulta syöksyvät avaruuteen noin puolella valonnopeudesta. Yksittäinen episodi menee yleensä hyvin nopeasti ohi, mutta aktiivisen pilkkuryhmän potentiaali tuottaa uusia purkauksia alenee vain hieman ja lyhyeksi ajaksi. Usein sama aktiivinen alue tuottaa useita voimakkuudeltaan erilaisia purkauksia, joista ensimmäinen ei yleensä ole kaikkein voimakkain.

Flare-purkaus
 
Flare-purkaus etenee vaiheittain: aluksi voidaan havaita parisenkymmentä minuuttia kestävä esipurkaus. Tätä seuraa muutaman minuutin mittainen pääpurkaus ja lopuksi kuumentunut plasma säteilee tunteja tai jopa muutaman vuorokauden ympäristöään voimakkaammin lähes kaikilla sähkömagneettisen säteilyn aallonpituuksilla.

Tutkimustarkoitukseen on kehitetty flare-purkausten luokitus, jota käytetään yleisesti kuvaamaan ilmiön voimakkuutta. Luokittelu perustuu satelliiteilla vastaanotettuun röntgensäteilyn vuon intensiteettiin [W/m2]. Intensiteetin kasvaessa kymmenkertaiseksi, luokka kasvaa yhdellä. Aurinko säteilee kaiken aikaa jonkin verran röntgensäteilyä ja tämä muodostaa luokituksen kolme heikointa luokkaa A–C (< 10–8–10–5 W/m2). C-luokan tapahtuma yksittäisenä ilmiönä määritetään jo heikoksi flareksi.

Keskivoimakas flare on M-luokkaa (10–5–10–4 W/m2) ja voimakas flare (10–4–10–3 W/m2). Kaikkein voimakkain ja samalla harvinaisin flare-ilmiö on Y-luokkaa, jolloin röntgensäteilyn vuon tiheys on suurempi kuin 10–3 W/m2. Luvut sinällään eivät auta meitä hahmottamaan itse ilmiötä sen paremmin, mutta tutkijoille niiden merkitys on täysin selvä ja välttämätön työkalu.

Havaitseminen

Flare-purkauksia voidaan havaita monella tapaa. Tavallisin tapa on suora: visuaalinen tai valokuvaaminen Auringon katseluun soveltuvilla ja vety-alfa-viivan kapeakaistaisen aallonpituusalueen läpäisevällä kaukoputkella.

Toinen tapa on havaita Aurinkoa röntgen-, uv- ja radiotaajuuksilla. Tämä kuitenkin on yleensä mahdollista vain ammattilaisten käyttämillä laitteistoilla. Kolmas ja nykyisin myös tähtiharrastajien käyttämä menetelmä on havaita maapallon ionosfäärissä tapahtuvia radiotaajuuksien heijastumismuutoksia. Menetelmä on lähes yhtä tarkka kuin Auringon suora radiotaajuinen havainnointi, mutta radioantennin ei tarvitse olla suunnattava. Menetelmä sopii siis hyvin pienellä budjetilla toimiville harrastajille.

Flare-purkausten visuaalinen havaitseminen ja valokuvaaminen on mahdollista vety-alfa-viivan aallonpituudella toimivilla kaukoputkilla. Nykyisin niitä valmistaa myyntiin muutama kaukoputken valmistaja, eikä pienimpien kaukoputkien hinnat ole kovinkaan korkeat, joten miltei lähes jokaiselle sellaisen kaukoputken hankinta on mahdollista.

Aurinkokaukoputket näyttävät paljon muita kromosfäärin ilmiöitä, joten pelkkiä flare-purkausten havainnointiin suunniteltuja laitteita ne eivät ole. Kromosfäärissä näkyvät auringonpilkut, mutta niiden lisäksi filamentit ja prominenssit (=protuberanssit), magneettikentän aikaan saamat plasma kuviot, kuumat plaget ja tavalliset flaret, mutta myös niiden hieman harvinaisempi muoto ns. Hyderin flare, jossa prominenssin (filamentin) plasma pudotessaan takaisin Aurinkoon kuumentaa putoamiskohdan aineen ympäristöä kuumemmaksi. Mekanismi on siis poikkeava tavallisesta flare-purkauksesta, mutta lopputulos verrattavissa pieneen flareen.

Maapallolla

Flare-purkausten vaikutus maapallolla ja lähiavaruudessamme riippuu paljolti siitä, kuinka voimakkaasta purkauksesta on kysymys. Heikkojen purkausten vaikutus on luonnollisesti vähäisin, mutta X- ja Y-luokkien purkauksien vaikutukset voivat olla merkittäviä. Yleensä vaikutukset rajoittuvat ionosfääriin ja Maata kiertävien satelliittien vioittumiseen. Itse röntgensäteily ei ilmakehän läpi pääse, joten vaikutukset ovat välillisiä.

Yleisin flaren vaikutus on ionosfäärissä tapahtuvat muutokset ja niistä johtuvat poikkeukselliset radioaaltojen leviämiset ja tai voimakkaat radiohäiriöt tietyillä radiotaajuuksilla. Tilanne voi kestää flare-purkauksen jälkeen useita tunteja, joskus jopa useita vuorokausia.

Avaruus on tyly paikka kaikenlaiselle elektroniikalle; kosmisen säteilyn hiukkaset, Van Allenin vyöhykkeiden sähkövarautuneet hiukkaset ja Auringon röntgensäteily pystyvät vaurioittamaan herkkiä laitteita pysyvästi. Koko "avaruuskauden" aikana on menetetty satoja satelliitteja näiden ilmiöiden aiheuttamista vaurioista johtuen.

Maanpinnalla me ihmiset olemme suojassa toistaiseksi havaittujen flare-purkausten vaaroilta. Sen sijaan rakentamamme sähkölinjat, kaasu- ja öljyputkistot jne. kaikki sähköä johtavat rakenteet voivat vaurioitua flare-purkausten ja etenkin niihin tavallisesti liittyvien koronamassapurkausten (CME) aiheuttamien indusoituneiden sähkövirtojen vaikutuksesta.

Aivan kaikki Auringossa tapahtuvien purkausten vaikutukset eivät ole ikäviä tai vaarallisia. Kirkkaat, kauniit ja voimakkaasti leimuavat revontulet ovat seurausta Auringossa tapahtuvista purkauksista. Niistä kuitenkin enemmän joskus toisella kertaa.