Magneettiset pyörteet aiheuttavat revontulihelmet

Marraskuussa 2018 13 avaruusalusten joukko, mukaan lukien ESAn Cluster -satelliitit, oli oikeassa paikassa oikeaan aikaan havaitakseen prosessin, jota ei ole koskaan ennen nähty kokonaisuudessaan. Niiden havainnot selittävät, kuinka pyörteet Maan magnetosfäärin reunalla voivat saada aikaan näkyviä revontulihelmiä taivaalla satatuhatta kilometriä alapuolella.

Tämä yhteys Maan "päivän puolelle" (tai Aurinkoon päin olevalle puolelle) ilmestyvien revontulien ja pyörteiden välillä vahvistaa teorian siitä, kuinka nämä ainutlaatuiset revontulet – jotka tunnetaan helminä, koska ne näyttävät taivaan poikki ripustetuilta helminauhalta – muodostuvat. Kun jotkut avaruusalukset havaitsivat itse pyörteitä, toiset näkivät, että varautuneiden hiukkasten virta käytti pyörteitä pääsypisteinä tunneliin kohti maan pintaa, mikä sai taivaan hehkumaan.

Taiteilijan näkemys siitä, miten Cluster- ja XMM-Newton satelliitit tarkkailevat Maan magnetosfääriä. Kuva ESA.

Magnetosfääri suojaa maapalloa Auringon lähettämiltä hiukkasilta, joka hiukkasvirta tunnetaan aurinkotuulena. Magnetosfääri on kuin jättimäinen kupla, joka estää tai vaikeuttaa energisten aurinkotuulen hiukkasten pääsyn alailmakehään. Osa hiukkasista kuitenkin pääsee lähelle, yläilmakehään ja silloin voimme nähdä revontulia, jotka syntyvät varattujen hiukkasten (elektronien) törmätessä ilmakehän kaasumolekyyleihin ja atomeihin. Näin tapahtui myös marraskuun 6 päivänä 2018, jolloin kaikkiaan 12 tutkimussatelliittia oli magnetopausin läheisyydessä.

Magnetosfäärin lähellä sijaitsevien 12 satelliitin joukossa olivat neljä ESAn Cluster-tehtävää , samoin kuin NASAn neljä Magnetospheric Multiscale ( MMS ) -satelliittia ja kolme Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms ( THEMIS ) -satelliittia sekä JAXAn Geotail . Lisäksi Yhdysvaltain puolustusmeteorologisen satelliittiohjelman ( DMSP ) satelliitti havaitsi revontulien helmiä läheltä Maan pintaa.

"Tämä löytö osoittaa, että Cluster-avaruusalukset ovat osa "magnetosfääristä orkesteria" tehtävissä, jotka yhdessä mahdollistavat ylimääräistä tiedettä, jota ei ole mahdollista saavuttaa jokaisella tehtävällä erikseen", selittää Philippe Escoubet, ESAn Cluster-projektin tutkija.

Pyörteet muodostuvat, kun aurinkotuuli puhaltaa magnetopausin ohi. Aivan kuten tuuli Maan päällä voi nostaa valtameriä ja pilviä, aurinkotuuli voi rullata magnetopausin jättimäisiksi aalloiksi, jotka koostuvat pyörremäisistä pyörteistä.

Kun pyörre on sopivan kokoinen, aurinkotuulen elektronit pyörivät sen keskustan ympärillä, ennen kuin ne tulevat magnetosfääriin, kulkevat kohti Maan yläilmakehää ja saavuttavat sen. Siellä elektronit törmäävät vedyn, hapen ja typen kanssa, jolloin ne hehkuvat ja muodostavat taivaalla revontulihelmiä. Nämä pyöreät helmet – yksi jokaisesta pyörteestä – ilmestyvät ryhmissä, jotka seuraavat toisiaan taivaalla. Tämä on toisin kuin "normaalit" revontulet, jotka ovat litteämpiä, pitkänomaisia ja huonommin organisoituneita.

Kun aurinkotuuli puhaltaa magnetopausin ohi, voi muodostua pyörteitä, jotka lähettävät elektronivirran kohti Maata. Kuva ESA.

"On hienoa käyttää usean satelliitin tehtäviä muodostamaan yhteyksiä magnetosfäärin reunalla olevan dynamiikan ja kaukana alla olevan ionosfäärin välillä", sanoo Steven Petrinec, tutkimuksen johtava kirjoittaja. Tutkimus julkaistiin hiljattain Frontiers in Astronomy and Space Science -tiedejulkaisussa. "Magnetosfäärin havaintojen ja näytteenottopaikkojen niukkuuden vuoksi on tärkeää hyödyntää useiden tehtävien havaintoja täysimääräisesti aina kun mahdollista, jotta voidaan ymmärtää suuren ja monimutkaisen järjestelmän eri prosessien välisiä yhteyksiä."

Sen jälkeen, kun Cluster lanseerattiin 16. heinäkuuta 2000, se on paljastanut joukon mielenkiintoisia yksityiskohtia magnetosfääristä ja sen vuorovaikutuksesta aurinkotuulen kanssa . Suorittamalla tähän mennessä yksityiskohtaisimman tutkimuksen Auringon ja Maan vuorovaikutuksesta, Cluster auttaa meitä valmistautumaan äkillisten aurinkoenergiapurkausten vaikutuksiin täällä maan päällä.

Philippe jatkaa: ”Cluster on toiminut nyt lähes 22 vuotta. Alussa se oli yksi ainoista magnetosfääriä tarkkailevista tehtävistä, joten vertailimme pääasiassa neljää avaruusalusta keskenään. Mutta nykyään voimme verrata heidän tietojaan muiden tehtävien, kuten MMS- ja THEMIS-satelliittien, tietoihin.”

Taiteilijan näkemys neljästä Cluster-satelliitista. Kuva ESA.

Tämä tutkimus osoittaa useiden erilaisten avaruusalusten tärkeyden, jokaisella on omat tieteelliset instrumenttinsa, jotka seuraavat samoja tapahtumia eri näkökulmista.

Simon Wing, tutkimuksen toinen kirjoittaja, huomauttaa: "Tämä tutkimus korostaa myös näiden useiden avaruusalusten havaintojen yhdistämisen tärkeyttä teoriaan. Tässä tapauksessa teoria pystyy ennustamaan DMSP-satelliittien yläilmakehässä havaitsemien revontulien mittaa käyttämällä magnetopausin monipistehavaintoja.”

Steven, joka työskentelee NASAn MMS-tehtävässä, lisää: "Philippe ja minä varmistamme, että saamme Clusterin ja MMS:n työskentelemään mahdollisimman tiiviisti yhdessä. Esimerkiksi Philippe lähettää minulle aina tietoa siitä, milloin nämä kaksi ovat fyysisesti lähellä, jotta voimme varmistaa, että kaikki avaruusalukset toimivat optimaalisesti yhdessä, kun ne tarkkailevat samaa magnetosfäärin aluetta.”