Aurinkomyrsky synnytti kaksi uutta ja väliaikaista säteilyvyötä Maan ionosfääriin

Toukokuun 10. päivänä alkanut aurinkomyrsky tuotti niin runsaasti energisiä protoneita ja elektroneita, että niistä syntyi väliaikaisesti kaksi uutta Van Allenin vyötä maapallon ionosfääriin. Energisistä protoneista, joiden energia oli välillä 6,8 – 20 MeV muodostunut vyö sijoittui noin kahden Maan säteen (2 R_⊕) etäisyydelle pallomme keskipisteestä. Elektroneista, joiden energia oli 1,3 – 5 MeV sijoittui laajemmalle alueelle, joka alkoi noin 2,5 Maan säteen etäisyydestä ja päättyi 3,5 Maan säteen etäisyyteen. Tavallisesti tällä etäisyydellä ei esiinny relativistisia elektroneja.

Kaksi uutta säteilyvyöhykettä, jotka on merkitty violetilla, säilyivät kuukausia toukokuun 2024 aurinkomyrskyn jälkeen. (NASA/Goddardin avaruuslentokeskus/Kristen Perrin).

Uusi protonipilvi vaikutti hyvin stabiililta, se oli havaittavissa yli kuukauden magneettisen myrskyn jälkeen ja tutkijat arvioivat sen olevan vielä havaittavissa vuodenkin jälkeen.

Van Allenin vyöhykkeet ovat protoneista ja elektroneista koostuvia varattujen hiukkasten vöitä Maan magnetosfäärissa. Alempi vyöhyke sijaitsee 1 000 – 12 000 km korkeudella tai L = 1,2 – 3 R_⊕ etäisyydellä. Tämä alempi vyöhyke koostuu pääosin protoneista. Van Allenin vyöhykkeen hiukkasia ei alle 200 km korkeudessa juurikaan esiinny mutta Etelä-Atlantin anomalian alueella niitä esiintyy kaikkein runsaimmin tällä korkeudella. Etelä-Atlantin anomalia johtuu siitä, että Van Allenin vyöhykkeet ovat symmetrisiä magneettikentän keskiakselin (keskipisteen) suhteen, joka poikkeaa jonkin verran Maan barysentrisestä keskipisteestä. Etäisyyttä tästä magneettisesta keksipisteestä merkitään kirjaimella L.

Ulompi Van Allenin vyöhyke sijaitsee 13 000 – 60 000 km korkeudella (L = 3 – 10 R_⊕ etäisyydellä magneettisesta keskipisteestä) ja se ulottuu noin 65 ° leveyspiirille. Se sisältää elektroneja (joiden energia on 0,1 – 10 MeV) ja protoneja, joiden energia ylittää 100 MeV. Elektronitiheys on suurin L= 4 – 5 R_⊕ ja se heikkenee nopeasti ulospäin mentäessä.

Kaavio, jossa näkyy Van Allenin säteilyvyöhykkeiden sijoittelu. (Booyabazooka/Wikimedia Commons/Public Domain) (Booyabazooka/Wikimedia Commons/Public Domain).

Van Allenin vyöhykkeet saavat täydennystä aurinkotuulesta ja kosmisesta säteilystä. Vyöhykkeet menettävä elektroneja ja protoneja Maan ilmakehään, johon ne ovat kosketuksessa alimmilta osiltaan. Ulompi vyöhyke on sisempää suurempi ja sen hiukkastiheys vaihtelee voimakkaasti kulloisen avaruussään mukaan. Uloimmassa vyöhykkeessä on myös erilaisia ioneja kuten alfahiukkasia ja O⁺ happi-ionea.

Säteilyvyöhykkeistä johtuen Maata kiertävät satelliitit ja tutkimusluotaimet ovat alttiina kaiken aikaan voimakkaalle hiukkasäteilylle. Esimerkiksi Kansainvälisellä avaruusasemalla miehistöön kohdistuu vähintään 25 sievertin vuosittainen säteilyannos.

Kolmas säteilyvyöhyke havaittiin vuonna 2013 ja se sisältää runsaasti energeettisiä hiukkasia. Tämä vyöhyke saa hiukkasensa koronamassapurkauksista, joten sen havaitseminen magneettisen myrskyn jälkeen ei ollut pelkkä sattuma. Hiukkaset ovat hyvin nopeita.

Suomalaisten tähtiharrastajien havainnot johtivat uuden revontuli-ilmiön löytymiseen

Ursan Taivaanvahti-palveluun raportoidut erikoiset revontulet ovat johtaneet uuden revontuli-ilmiön löytymiseen. Aiemmin tuntematon RAGDA-revontulimuoto sai selityksensä yhteistyössä Bostonin yliopiston tutkijoiden kanssa. 

Ilmiön kintereille päästiin lokakuussa 2018, jolloin tähtiharrastaja Emma Bruus kuvasi Rautalammilla kirkkaiden revontulten yhteydessä punaisen kaaren. Hän arveli sitä ensin harvinaiseksi, niin kutsutuksi SAR-kaareksi (Stable Auroral Red Arc).

RAGDA-revontulimuoto eli punainen kaari vihreällä udulla Ikaalisten taivaalla. Kuvan käyttö sallittu ainoastaan tästä löydöstä uutisoitaessa. Kuva Heidi Rikala / Tähdet ja avaruus.

”Sen välittömässä läheisyydessä oli erikoisia turkoosinvihreitä, utuisia läiskiä, jotka kiinnittivät huomioni”, Bruus kertoo Tähdet ja avaruus ^[1] -lehdelle. Hän jäi pohtimaan niiden olemusta.

Myöhemmin samana syksynä tähtiharrastaja Heidi Rikala kuvasi punaisen kaaren, jonka vieressä oli samanlaisia läiskiä Ikaalisissa ja latasi havaintonsa Taivaanvahtiin. 

Bruus pani merkille raportin, ja innostui selvittämään Taivaanvahdin havaintoja vastaavanlaisista tapauksista. Kun havaintoja oli pian kasassa yli kymmenen, hän kokosi harrastajista koostuvan työryhmän etsimään lisähavaintoja ja dokumentoimaan ilmiötä tarkemmin. Lopulta havaintoja löytyi yli 70.

Bruus esitteli erikoiset havainnot kansainvälisessä revontuli-workshopissa lokakuussa 2021. Kokoukseen osallistui Bostonin yliopiston revontulitutkimustyöryhmän vetäjä, professori Toshi Nishimura.

Nishimura tunnisti, ettei käsitelty ilmiö vaikuttanut ainakaan normaalilta SAR-kaarelta. Hän tiesi, että vihreän ja punaisen emissioita oli aiemminkin raportoitu, mutta havaintojen kokonaisuus ja muotojen käyttäytyminen oli poikkeuksellista. ”Kukaan osallistujista, minä mukaan lukien, ei pystynyt selittämään tällaista revontulten kehitystä”, hän kertoo. 

Toshi Nishimura ja Emma Bruus Massachusettsin Haystack-observatorion ulkopuolella. Kuvan käyttö sallittu ainoastaan tästä löydöstä uutisoitaessa. Kuva Carlos Martinis / Tähdet ja avaruus.

Havainnot yhdistyvät satelliittimittauksiin

Nishimura ryhtyi selvittämään nyt havaittuja erikoisia revontulimuotoja yhdessä harrastajien kanssa. Samalla Bruusin työryhmä pääsi käsiksi ammattimaisiin tietolähteisiin, joihin kuului muun muassa magnetometrien, revontulitutkien ja taivaskameroiden dataa.

Työryhmän Eero Karvisen tehtävänä oli käydä läpi satelliittimittauksia öiltä, joina harrastajat olivat kuvanneet punaisen kaaren ja sen vieressä vihreää utuista valoa. "Sopivien havaintojen löytämisessä oli haasteensa", Karvinen kertoo Tähdet ja avaruus -lehdelle. "Tarvittiin kirkas yötaivas, aurinkotuulen hiukkasia mittaavan satelliitin ylitys sekä sopiva revontulialimyrskyn vaihe kaikki samaan aikaan."

Lopulta Taivaanvahdista löytyivät Rikalan ja Lauri Kankaan tekemät havainnot, joista oli olemassa samaan aikaan tehtyjä satelliittimittauksia. Kolmas tutkimukseen sopiva havainto saatiin kanadalaiselta tähtiharrastajalta Alan Dyerilta.

Aurinkotuulen protonit synnyttävät uuden revontulimuodon

Tutkimuksessa selvisi, että toisin kuin SAR-kaaret, harrastajien kuvaamat punaisen kaaren ja utuisen vihreän muodostelmat aiheutuvat Auringon hiukkasvirrasta eli aurinkotuulesta.

Tavanomaiset revontulet syntyvät aurinkotuulen elektroneista, mutta nyt löytynyt ilmiö saa alkunsa paljon raskaammista hiukkasista, protoneista. Uusi ilmiö syntyy ketjureaktiossa, jossa ilmakehän atomiin törmännyt protoni irrottaa siitä elektronin. Elektroni puolestaan törmää ilmakehän molekyyliin, ja sen saama lisäenergia vapautuu revontulivalona.

"Olimme pitkään ihmetelleet, miten tällainen kahden päällekkäisen värin revontulimuoto oli mahdollinen. Oli upeaa viimein saada selitys ilmiölle", Emma Bruus kertoo. "Tässä havaintojen määrällä oli ratkaiseva merkitys. Näin suuri määrä järjestelmällisesti tallennettuja tapauksia osoitti, että ilmiö oli todellinen ja toistuva."

Nyt löydetty ilmiö sai ulkonäkönsä mukaan nimen Red Arc with Green Diffuse Aurora (RAGDA)⁽²⁾ eli ”Punainen kaari vihreällä udulla”. Projekti on antanut tutkijoille runsaasti uutta tietoa siitä, miten protonit vuorovaikuttavat ilmakehän kanssa.

Viime vuosikymmeniltä tunnetaan vain pari aiempaa tapausta, jossa kansalaistieteilijät ovat löytäneet uuden revontuli-ilmiön. Vuonna 2017 kanadalaiset harrastajat auttoivat Calgaryn yliopiston tutkijoita tunnistamaan STEVEksi nimetyn revontulimuodon, jonka yhteydessä saattoi esiintyä Säleaidaksi kutsuttu ilmiö.

Vuonna 2020 julkistettiin Helsingin yliopiston Minna Palmrothin johdolla suomalaisten harrastajien kuvaamat revontulidyynit.

Bostonin yliopiston Toshi Nishimuran mukaan on poikkeavaa, että harrastajat löytävät uusia revontulia. "STEVE ja säleaita sekä dyynit ovat ainoita aiempia esimerkkejä, joista olen tietoinen, joten se on harvinaista." 

Sekä dyynien, että nyt RAGDAn tapauksessa lähes kaikki alun perin ilmiöstä raportoidut havainnot saatiin kerättyä Ursan Taivaanvahdista.

"Nämä ovat merkittäviä ja yllättäviä löytöjä", Nishimura toteaa. "Maailmalla on useita revontulihavaintoja kerääviä tietokantoja, mutta yksityiskohtaista tietoa kuvista keräävä ja tapahtumien haun mahdollistava Taivaanvahti on niistä paras."

Huomautukset

[1] Suomessa löydöstä kertoo uusin Tähdet ja avaruus -lehti (7/2022).

[2]Lyhennenimi RAGDA on otettu käyttöön tutkimuksen julkaisemisen jälkeen.