Kalevi Mursula ja kuvitusta Auringon tutkimuksesta

Aurinko yllätti kokeneen aurinkotutkijan

Auringon korona on kutistunut Auringon magneettisen toiminnan hiljetessä viime vuosikymmeninä. Auringon magneettista toimintaa on mallinnettu jopa tuhat vuotta mutta varmoja ennusteita tuleville vuosikymmenille ei vielä saada.

Oulun yliopiston Avaruusilmaston tutkimusryhmässä tutkitaan Auringon pitkäaikaista muutosta ja sen vaikutuksia, eli avaruusilmastoa. Professori Kalevi Mursula on luotsannut ryhmää 1990-luvun alkupuolelta saakka. Vastikään päättynyt tutkimuksen huippuyksikkö ReSoLVE (Research on Solar Long-term Variability and Effects) sai aikaan paljon, mutta Auringosta löytyy aina uusia arvoituksia.

”Tutkimme, mitä muutoksia Auringon toiminnassa on tapahtunut erityisesti viimeisten 100-150 vuoden aikana. Mitä vaikutuksia Auringon toiminnan muutoksilla on ollut aurinkotuulelle sekä Maan magneettisen myrskyisyyden kehitykselle? Selvitämme myös, kuinka pitkälle voidaan ennustaa, mitä Auringossa tapahtuu tulevaisuudessa”, Kalevi Mursula kertoo.

Suomen Akatemian rahoittamassa, vuosina 2014-2019 toimineessa ReSoLVE-huippuyksikössä työskenteli tutkijoita Oulun yliopistosta ja Aalto-yliopistosta.

Aurinko hiljenee

Auringon magneettisen toiminnan hiljeneminen alkoi 1990-luvun puolivälissä, mutta vasta nyt ymmärretään paremmin niitä muutoksia, joita Auringossa oli silloin meneillään, sanoo professori Kalevi Mursula Oulun yliopiston Avaruusilmaston tutkimusryhmästä.

Auringon aktiivisuus näkyy muun muassa auringonpilkkujen määrässä. Auringonpilkkuja on mitattu jatkuvasti 1610-luvulta lähtien, pian kaukoputken keksimisen jälkeen. Yksi auringonpilkkusykli kestää noin 11 vuotta. Nyt on lopuillaan Auringon aktiivisuuden sykli numero 24. 

”Nykyisen syklin aktiivisuus jäi edellisiä paljon matalammaksi, ja matalan aktiivisuuden aikana myös sähkömagneettisia purkauksia eli aurinkomyrskyjä esiintyy vähemmän. Auringon aktiivisuuden lasku näkyy niissä vielä selvemmin kuin auringonpilkkujen määrässä”, Mursula sanoo. 

Myös Auringon hiljainen vaihe on tutkijoille mielenkiintoinen. Koko 1950-luvun lopulla satelliittien myötä alkanut avaruuskausi on ollut poikkeuksellisen aktiivisuuden aikaa. Nyt meneillään oleva normaali tai hiljaisempi Auringon kausi on tutkijoille uutta ja mielenkiintoista. 

Mitä Auringossa tapahtuu, kun sen aktiivisuus kasvaa tai pienenee? 

”Auringon ulompi ilmakehä eli korona on kutistunut tilavuudeltaan alle puoleen hiljenemisen aikana. Julkaisimme tästä artikkelin vastikään alan huippulehdessä”, Mursula kertoo. ”Koronan kutistuminen alkoi jo 1990-luvun loppupuolella, eli syklin 23 alkuvaiheessa.” 

Kuva näyttää Auringon magneettisen aktiivisuuden vuosittaisen muutoksen yhden aurinkosyklin aikana aurinkominimistä 1996 maksimivuoteen 2001 ja takaisin lähelle seuraavaa minimiä 2006. Magneettisesti aktiiviset alueet näkyvät kirkkaampina ja niiden kohdalla, pinnan yläpuolella nähdään usein kirkkaita magneettisia silmukoita.  Kuva: NASA

 

Simulaatio vuosituhannen taakse 

Tutkijat haluavat myös selvittää Auringossa tapahtuvia pitkän aikavälin muutoksia. Mitä Auringossa tapahtuu silloin, kun normaalia auringonpilkkusykliä ei esiinny? Viimeisin tällainen Auringon suuri minimi oli 70 vuotta kestänyt Maunderin minimi 1645-1715. 

Professori Maarit Käpylän ryhmä Aalto-yliopistosta on mallintanut Auringon magneettikentän syntyä pinnan alla olevissa kerroksissa.

”He ovat simuloineet Auringon toimintaa noin tuhannen vuoden ajalta. Pisimmät tietokoneajot ovat kestäneet jopa puoli vuotta”, Mursula kertoo. 

Simuloinneissa on saatu näkyviin myös näitä suuria minimejä. Niiden aikana Auringon magneettikenttä on pakkautunut konvektiokerroksen pohjalle, jolloin normaalia syklivaihtelua ei näy Auringon pinnalla. Auringon pinnan ja pohjan aktiivisuus vaihtelee eri sykleissä, ja tämä sisäinen toiminta paljastuu mallinnuksen avulla.

Auringon magneettikenttä hulmuaa kuin tyllihame

Auringon magneettinen ekvaattori hulmuaa ja muistuttaa pyörivän ballerinan hametta. Ilmiön nimesi kuuluisa amerikkalainen avaruusfyysikko Norman Ness 1960-70 luvun vaihteessa.

Kalevi Mursula havaitsi parikymmentä vuotta sitten, että Auringon magneettikentän ekvaattori ei olekaan saman suuntainen kuin Auringon pyörimisekvaattori, vaan kääntynyt alaspäin. Auringon pohjoisella pallonpuoliskolla kulloinkin hallitseva magneettinen polariteetti kattaa laajemman alueen kuin vastakkainen polariteetti samaan aikaan eteläisellä pallonpuoliskolla. Tämä epäsymmetrinen rakenne on kestänyt useita aurinkosyklejä.

”Tuloksen vahvistamiseen on käytetty kaikki mahdollinen mittausdata mitä Auringon magneettisuudesta on saatu eri observatorioista ja satelliiteista.” 

Magneettikentän alaspäin kallistuneen ekvaattorin Mursulan ryhmä nimesi ”ujoksi ballerinaksi”.
”Tapasin myöhemmin Norman Nessin, joka onnitteli minua löydöstä. Se oli yksi muistorikas tapahtuma tutkijan urallani”, Kalevi Mursula muistelee.

Kuva esittää Auringon koronan magneettista rakennetta kahtena aurinkosyklin minimivuonna 1986 (vasen kuva) ja 2008 (oikea kuva) Mount Wilsonin observatorion mittausten mukaan mallinnettuna. Auringon näkyvältä pinnalta (keltainen pallo) nousee kahdenlaisia magneettisia kenttäviivoja: avoimia (valkoisiksi väritettyjä) kenttäviivoja, joiden toinen pää on Auringon pinnalla ja toinen ulottuu avaruuteen, sekä suljettuja (vihreitä) kenttäviivoja, joiden molemmat päät ovat Auringon pinnalla. Vuonna 1986 osa suljetuista kenttäviivoista yhdisti Auringon pohjoisen ja eteläisen pallonpuoliskon lähellä napoja olevat alueet ja ulottuivat ekvaattorilta huomattavan kauas Auringon pinnalta. Vuonna 2008 tällaisia kenttäviivoja ei ollut. Koska kauimmas ulottuvat suljetut kenttäviivat määrittävät Auringon koronan efektiivisen tilavuuden, magneettisen rakenteen ero osoittaa koronan pienentyneen merkittävästi, noin neljäsosaan aiemmasta kyseisten vuosien välillä.

 

Uusilla menetelmillä uutta tietoa vanhoista aineistoista

Aurinkotuulen ja Maan magneettikentän välinen vuorovaikutus tuottaa muun muassa Maan ilmakehään törmääviä hiukkasia. Sähkömagneettinen vuorovaikutus synnyttää voimakkaita puristusalueita, rajapintoja, joissa aurinkotuulen ominaisuudet muuttuvat. Rajapinnat elävät jatkuvasti. 

Magneettista häiriöisyyttä mitataan sadoissa observatorioissa. Mittauksia on tehty systemaattisesti lähes 200 vuotta. Näiden mittausten perusteella voidaan jälkikäteenkin tehdä uusia päätelmiä sähkövirroista, aurinkotuulesta ja Auringon koronan rakenteesta. 

”Olemme kehittäneet uusia menetelmiä, joilla saadaan tietoa aurinkotuulesta sadan vuoden takaa. Menetelmillä voidaan analysoida ja luokitella vanhoja mittausaineistoja. Pystymme nyt päättelemään, millaisia rakenteita aurinkotuulessa on ollut, ovatko ne koronan massapurkauksia vai nopeita virtauksia”, Mursula kertoo. 

Vanhoilla mittauksilla mutta uusilla analysointitavoilla saadaan siis uutta historiallista tietoa Auringon toiminnasta. Miten Auringon kasvavan aktiivisuuden kausi 1900-luvun alussa muutti aurinkotuulta, miten se vaikutti koronaan, ja mitä vaikutuksia sillä oli Maahan?

Aurinko pitää tutkijat varpaillaan

Aurinko yllätti aurinkotutkijat sillä, miten suuresti Auringon magneettinen toiminta voikaan muuttua jopa varsin nopeasti, vain muutaman vuoden aikana. Uutta tietoa aktiivisuuden muutoksesta ja sen vaikutuksista on saatu vielä paljon muutoksen jälkeenkin. 1950-luvulla elettiin suurinta Auringon aktiivisuuden aikaa, mutta ymmärtämys tämän ajanjakson poikkeuksellisuudesta selvisi tutkijoille vasta 2000-luvun alussa. Samoin Auringon nykyisen hiljaisen toiminnan vaikutuksia löydetään edelleen, parikymmentä vuotta hiljenemisen alun jälkeen.

”Varmat tulevaisuuden ennusteet ovat vähissä. Historiallisissa aineistoissa on tosin pystytty kohtalaisen hyvin ennustamaan aktiivisuutta edellisestä syklin minimistä seuraavaan maksimiin geomagneettisen aktiivisuuden perusteella.”

Toistaiseksi paras ennuste saadaan tutkimalla Auringon napa-alueiden magneettikenttien voimakkuutta: kun kentät ovat voimakkaita, seuraava sykli on aktiivinen. 

”Tilanne on nyt varsin samanlainen kuin edellisen syklin lopulla. Voidaan ennustaa, että seuraava sykli 25 on aktiivisuudeltaan suunnilleen samanlainen kuin lopuillaan oleva sykli 24, eli kohtalaisen matala tai keskimääräinen. Maunderin minimin kaltaista jaksoa ei ole luvassa ihan lähitulevaisuudessa, eikä myöskään viime vuosisadalla yleistä korkeaa sykliä”, Mursula sanoo.

Kovin pitkälle Auringon toimintaa ei voida luotettavasti ennustaa, ei edes sykliä 26. 

”Puolen syklin eli viiden vuoden päähän saadaan kohtalainen ennuste. Lyhyen ajan ennusteet Auringon vaikutuksista perustuvat Auringon pinnan suuriin rakenteisiin, jotka pysyvät stabiileina noin puoli vuotta. Kun koronan aukot ovat Maahan päin, tulee Maahan nopeita aurinkotuulen virtauksia. Tähän perustuvia ennusteita voidaan tehdä muutaman Auringon pyörähdyksen päähän. Pidemmän aikavälin tilastollisia ennusteita voidaan tehdä esimerkiksi Auringon magneettikentän toistuvuuksien ja epäsymmetrisen jakauman perusteella.”

Teksti: Satu Räsänen

 

Kuvan keskellä oleva värikäs ympyrä esittää Auringon pinnan magneettikentän rakenteen minimivuonna 1996 Mount Wilsonin observatorion mittaamana. Positiivisen magneettisen polariteetin alueet, joissa magneettikentän suunta on pois Auringon pinnalta, on värjätty keltaisella, negatiiviset alueet sinisellä. Pinnan ulkopuolelle on piirretty muutamia Auringon koronan magneettisia kenttäviivoja, jotka on laskettu pinnan magneettikentän mittauksiin perustuvan mallin mukaan ja joiden suunta siis noudattaa pinnan polariteettirakennetta. Auringon napa-alueilta lähtevät koronan kenttäviivat ovat avoimia eli jatkuvat katkoviivaympyrän ulkopuolelle, kun taas lähempänä päiväntasaajaa olevat kenttäviivat ovat suljettuja eli ovat molemmista päistään kiinni Auringon pinnalla. Katkoviivaympyrä määrittää sen etäisyyden, ns. lähdepintaetäisyyden, jonne asti suljetut kenttäviivat voivat kauimmillaan yltää ja jonka ulkopuolella magneettikenttä on kaikkialla avoin. Koronan kenttäviivat paljastavat Auringon magneettikentän pohjois-etelä-epäsymmetrian. Pohjoiset kenttäviivat kattavat laajemman alueen: koko pohjoisen pallonpuoliskon ja osan eteläistä. Magneettinen epäsymmetria näkyy myös siinä, että on olemassa sellaisia kenttäviivoja, joiden molemmat päät ovat etelässä. Pohjoisessa vastaavia kenttäviivoja ei ole. Magneettinen päiväntasaaja, jossa vastakkaissuuntaiset koronan kenttäviivat yhtyvät lähdepintaetäisyyden ulkopuolella, on siirtynyt noin 4 astetta päiväntasaajan eteläpuolelle. Magneettinen päiväntasaaja muodostaa avaruudessa tiheän aurinkotuulen alueen, ns. heliosfäärin virtalevyn, jota kutsutaan myös ballerinan hameeksi. Silloin, kun Auringon magneettinen päiväntasaaja on etelään kääntynyt, sitä voidaan kutsua ujoksi ballerinaksi. Aurinko on ollut ujo ballerina ainakin viimeiset 50 vuotta. 

 

Pääkuva ja henkilökuva: Juha Sarkkinen


 

 

Viimeksi päivitetty: 20.4.2020