Muuttuva magneettikenttä tuo mukanaan epävakaata avaruussäätä

Avaruusfyysikkojen jargonista osittain riisuttuna avaruussääennuste voisi kuulua esimerkiksi: ”Seuraavien päivien aikana on odotettavissa nopean aurinkotuulen tuottamia voimakkaita häiriöitä Maan lähiavaruudessa. Häiriöt ovat voimakkaimmillaan, kun interplanetaarinen magneettikenttä osoittaa etelään.”

Avaruussäällä viitataan erityisesti aurinkotuulen vaikutuksiin Maan lähiavaruudessa. Esimerkkejä haitallisista avaruussääilmiöstä ovat vauriot satelliiteissa ja sähköverkoissa, astronauteille haitallinen hiukkassäteily sekä häiriöt GPS-paikannuksessa. Toisaalta avaruussäähän liittyy myös mukavia ilmiöitä, kuten näyttäviä revontulia.

Kaikkien avaruussääilmiöiden perimmäinen lähde on Aurinko ja sen magneettikentässä tapahtuvat enemmän tai vähemmän oikukkaat prosessit. Avaruussään ennustajan tulee siksi tuijottaa jatkuvasti mitä Auringossa tapahtuu. Useat satelliitit tuottavatkin koko ajan reaaliaikaisia mittauksia Auringon magneettikentästä sekä siinä tapahtuvista nopeista muutoksista, esimerkiksi koronan massapurkauksista, räjahdyksenomaisesti Auringon pinnalta avaruuteen leviävistä hiukkaspilvistä. Maata kohti purkautuessaan nämä hiukkaspilvet ovat tärkeimpiä ajureita niin sanotuille geomagneettisille myrskyille, joihin liittyvät myös edellä mainitut sähköverkkojen häiriöt. Jos Auringon pinnalla havaitaan koronan massapurkaus, osuu se Maahan yleensä noin 1-3 päivän kuluttua.

Avaruussään ennustamiseksi on Auringon tarkkailun lisäksi ymmärrettävä mitä tapahtuu, kun aurinkotuuli kohtaa Maan magneettikentän. Aurinkotuuli koostuu hiukkasista, lähinnä protoneista ja elektroneista, mutta se kuljettaa mukanaan myös magneettikenttää, jota kutsutaan interplanetaariseksi magneettikentäksi (interplanetary magnetic field, IMF). Tärkeimmät avaruussäätä säätelevät tekijät ovat aurinkotuulen kuljettaman IMF:n voimakkuus ja suunta. Jo satelliittiaikakauden alkuajoista lähtien on tiedetty, että väkivaltaisia avaruussääilmiötä, kuten geomagneettisia myrskyjä ja näyttäviä revontulia, esiintyy eniten voimakkaan etelään osoittavan IMF:n vallitessa. Tällöin IMF:n ja Maan magneettikentän välinen rekonnektio, eräänlainen yhteenkietoutuminen, on tehokasta. Pohjoiseen osoittavan IMF:n aikana rekonnektio hiipuu ja geomagneettiset häiriöt sekä revontulet jäävät vaatimattomiksi.

Avaruussään riippuvuus IMF:n suunnasta ei ole kuitenkaan aivan näin yksinkertainen. Viimeaikaiset tutkimustulokset ovat osoittaneet, että pohjoisen pallonpuoliskon talvella geomagneettisia häiriöitä ja revontulia voimistaa merkittävästi myös itään osoittava IMF:n komponentti. Hämmästyttävää kyllä, kunnollista selitystä näin yksinkertaiselta kuulostavalle ilmiölle ei vielä ole olemassa. Sellaisen pyrin löytämään Suomen Akatemian rahoittamassa hankkeessa, jossa analysoin satelliittien ja Maan pinnalla sijaitsevien instrumenttien mittauksia. Hankkeen tutkimus on luonteeltaan perustutkimusta, mutta hankkeen tuloksia voidaan hyödyntää avaruussään ennustamisessa. Lisäksi tulokset auttavat ymmärtämään paremmin avaruusilmastoa, esimerkiksi mitä jo pitkästi yli 100 vuotta tehdyt havainnot geomagneettisesta aktiivisuudesta kertovat Auringon magneettikentän dynamiikasta pitkillä aikaskaaloilla.

Avaruustutkimuksessa törmää monesti Havukka-ahon ajattelijan pohtimaan perusongelmaan: ” Jos avaruus olisi vähänkään suurempi kuin se nykyään on, niin se olisi turhan iso.” Aurinkotuulen ja Maan magneettikentän välinen vuorovaikutus alkaa jo noin 60 000 kilometrin päässä Maan pinnalta, mutta Maan pinnalla havaittavat magneettiset häiriöt syntyvät suurelta osin vain noin 100km korkeudella Maan pinnasta. Näiden etäisyyksien välillä vaikuttavien tapahtumaketjujen ymmärtäminen on haastavaa, sillä avaruudesta on tarjolla mittauksia vain harvakseltaan sieltä ja täältä. Mittauksista saatavaa informaatiota yritän täydentää tietokonesimulaatioilla, joiden käyttöön hain vastikään apua Yhdysvalloista NASA:n tutkijoilta. Vaikka kevät ja kesä sujuivat vierailulla koronaepidemian takia omituisissa merkeissä, oli kotiintuomisina mielenkiintoisia simulaatiotuloksia, joiden analysointi yhteistyötahojen kanssa jatkuu luontevasti etäyhteyksien avulla. Ehkä kevään pakolliset etäpalaverit olivat sittenkin hyödyllisiä kansainvälisen yhteistyön kannalta.

​
Lauri Holappa toimii tutkijatohtorina Oulun yliopiston Avaruusfysiikan ja tähtitieteen tutkimusyksikössä. Hän väitteli Oulun yliopistosta vuonna 2017, jonka jälkeen hän on mm. tehnyt kaksi tutkijavierailua NASA Goddard Space Flight Center -tutkimuskeskukseen, Washington DC:n läheisyyteen.

​