Auringosta purkautuu jatkuva plasmavirta, jota kutsutaan aurinkotuuleksi

Auringon hiukkaspommitus vaikuttaa napa-alueiden talvi-ilmastoon

Avaruusilmastolla eli Auringon aktiivisuuden pitkäaikaisilla muutoksilla on merkittävä vaikutus Maan ilmakehään ja ilmastoon. Monimutkaisen systeemin ymmärtämiseen tarvitaan avaruusfysiikan ja ilmastotieteen yhteistyötä.

PROSPECT-projektissa tutkitaan aurinkotuulen, geomagneettisen aktiivisuuden ja Maan lähiavaruuden energeettisten hiukkasten ja niiden ilmastovaikutusten pitkäaikaista ennustamista.

”Muutaman vuoden päästä voimme toivottavasti kytkeä avaruusilmaston muutokset pitkän ajan sääennusteisiin. Tämä saattaa parantaa esimerkiksi keskimääräisen talvisään ennusteita”, sanoo projektin johtaja, dosentti Timo Asikainen Oulun yliopiston Avaruusilmaston tutkimusryhmästä.

Hiukkaset hajottavat otsonia yläilmakehässä

Auringosta purkautuu jatkuvasti plasmavirta, jota kutsutaan aurinkotuuleksi. Koronan aukoista virratessaan aurinkotuuli muodostaa nopeita virtauksia, jotka saavat lähiavaruuden varatut hiukkaset satamaan ilmakehään. Siellä ne nähdään revontulina.

Revontulet ovat kiehtova ilmiö, mutta Timo Asikaista kiinnostaa enemmän hiukkaspommituksen vaikutus Maan ilmakehään ja ilmastoon.

1970-luvulta lähtien on tiedetty, että Auringosta yläilmakehään satavat hiukkaset saavat aikaan revontulien lisäksi myös kemiallisia muutoksia, jotka hajottavat otsonia.

Otsonikerros absorboi Auringon UV-säteilyä ja muodostaa stratosfäärin noin 10-50 km korkeuteen, missä lämpötila nousee ylöspäin mentäessä. Stratosfäärin eli yläilmakehän lämpötilaan vaikuttaa otsonin määrä, ja kun se muuttuu hiukkaspommituksen seurauksena, myös ilmanpaine ja tuulien voimakkuus muuttuvat. Koko stratosfäärin dynamiikka muuttuu.

”Viimeisten 15 vuoden aikana on selvinnyt, että avaruuden hiukkaspommitus ei muuta vain stratosfäärin olosuhteita. Stratosfäärin muutokset heijastuvat myös alempaan ilmakehään, ja vaikuttavat näin maanpinnan tuuliin ja säähän”, Timo Asikainen sanoo.

Havainnekuva energeettisistä elektroneista, jotka satavat ilmakehään noin 100 km korkeudelle ja laukaisevat ketjun kemiallisia reaktioita (molekyylipallukat), jotka alempana stratosfäärissä noin 30-50 km korkeudessa saavat aikaan otsonituhoa. Otsonituho kylmentää napa-alueen stratosfääriä ja voimistaa näin napa-aluetta kiertävää stratosfäärin polaaripyörrettä (lännestä päin puhaltava kova tuuli, esitetty kaartuvilla nuolilla, jotka etenevät myös alaspäin). Alempana maan pinnalla tämä voimistunut polaaripyörre vaikuttaa myös tuuliin ja ohjaa niitä Atlantilta Pohjois-Eurooppaan (punaiset nuolet alhaalla).
Kuvassa myös yksi POES, Polar Orbiting Environmental Satellite -satelliiteista, jotka mittaavat polaariradalla ilmakehään tulevia hiukkasia.

 

Hiukkaspommitus selittää osan NAO-ilmiöstä

Yhdysvaltain sää- ja valtamerentutkimusorganisaatio NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) on lähettänyt satelliitteja polaariradalle avaruuteen 1970-luvun lopulta lähtien. Satelliitit mittaavat muun muassa avaruudesta tulevaa energeettistä hiukkassadetta, joka törmää ilmakehään revontuliovaalin alueella.

40 vuoden aikasarja on kiinnostava sekä avaruus- että ilmastotutkijoille, ja aineisto on avannut uusia mahdollisuuksia myös avaruusilmaston ilmastovaikutusten tutkimiselle.

”Olemme kiinnostuneita talvi-ilmastosta, koska hiukkaset hävittävät otsonia silloin kun aurinko ei paista, eli talvella. Kesäaikaan Auringon valo hajottaa molekyylit, jotka hajottavat otsonia”, Asikainen sanoo.

Stratosfäärissä syntyy talvella polaaripyörre, joka vaikuttaa myös maan pinnalla vallitseviin tuuliin. Kun hiukkasia sataa yläilmakehään runsaasti, ne hävittävät otsonia, mikä muuttaa stratosfäärin lämpötilaa niin, että polaaripyörre voimistuu. Maan pinnalle tämä heijastuu positiivisena NAO-indeksinä. NAO-ilmiö (North Atlantic Oscillation) kuvaa suurten ilmanpainekeskusten asemoitumista Atlantilla ja on suurin yksittäinen tekijä, joka vaikuttaa pohjoisen pallonpuoliskon talvisäähän.

Positiivisessa vaiheessa NAO tuottaa tuulista, sateista ja lauhaa talvea Pohjois-Eurooppaan, kuten tämä talvi Suomessa. Heikko polaaripyörre tuottaa negatiivista NAOa ja tarkoittaa ankaraa talvea meille.

”Kun satelliiteista saatua hiukkassarjaa ja eri puolilta maapalloa mitattuja lämpötilatietoja verrattiin samalta ajanjaksolta, saatiin tilastollisesti merkitsevä korrelaatio suurille alueille pohjoisella pallonpuoliskolla”, Asikainen kertoo.

Suuri hiukkassade pyrkii tuottamaan leutoa säätä Pohjois-Euraasian alueelle ja kylmää Pohjois-Amerikkaan. NAO aiheuttaa samankaltaisen kuvion: kun NAO-indeksi on positiivinen, niin kovat lännenpuoleiset tuulet pitävät talven lämpimänä ja sateisena. Kun NAO-indeksi on negatiivinen, niin Jäämereltä puhaltavat tuulet tekevät talvesta ankaran.

 

Oikealla kuva Auringosta, joka on otettu näkyvän valon aallonpituudella eli kuin tavallisella kameralla hyvin lyhyellä suljinajalla, näkyvissä auringonpilkkuryhmiä. Kuvan aikasarjat havainnollistavat muutamia pitkiä datasarjoja, joita avaruusilmaston tutkimuksessa hyödynnetään.
Vihreällä: noin 40-vuotinen suorista satelliittimittauksista koottu yhdistelmä Maan ilmakehään satavista energeettisistä elektroneista.
Punaisella: geomagneettisista mittauksista rekonstruoitu arvio aurinkotuulen nopeudesta viimeisen sadan vuoden aikana.
Violetilla: pisin yhtenäinen aikasarjan geomagneettiselle aktiivisuudelle (ns. aa-indeksi), joka alkaa vuodesta 1868 ja jatkuu nykypäivään.
Sinisellä: 400-vuotinen aikasarja auringonpilkuista. Tämä datasarja on pisin suoriin mittauksiin perustuva indikaattori Auringon aktiivisuudelle.

 

Auringonpilkkujaksoista epäsuoraa tietoa

Ilmastotutkimuksissa 40 vuotta on lyhyt ajanjakso, joten myös Timo Asikainen on kiinnostunut paljon pitemmistä aikasarjoista. Hiukkaspommituksesta saadaan epäsuoraa tietoa geomagneettisten häiriöiden mittauksista ja auringonpilkkujaksoista. Geomagneettisia häiriöitä on mitattu 1800-luvun puolesta välistä ja auringonpilkkuja 1600-luvulta lähtien.

”Koronan aukoista lähtevien nopeiden virtausten maksimi on auringonpilkkujen laskevalla kaudella, 3-4 vuotta auringonpilkkumaksimin jälkeen. Tällöin myös geomagneettinen häiriöisyys on yleensä suurimmillaan. Kun tiedetään auringonpilkkumaksimit, tiedetään myös, milloin hiukkaspommitustakin on ollut eniten.”

Kun näitä hiukkaspommituksen epäsuoria mittareita verrataan maan pinnan lämpötiloihin pitkällä aikajaksolla, nähdään, että hiukkaset selittävät noin viidesosan NAO-indeksin vaihtelusta.

Tilannetta mutkistaa se, että ilmakehän sisäinen tila näyttää vaikuttavan siihen, kuinka voimakkaasti hiukkasmekanismi vaikuttaa. Jos nämä sisäiset tekijät pystytään kartoittamaan tarkemmin, voidaan hiukkasten vaikutuksia ennustaa paremmin.

”Jos päiväntasaajan stratosfäärissä tuulee lännestä, niin hiukkasvirran vaikutus polaaripyörteeseen häviää aineistosta. Mutta jos otetaan lukuun vain ne talvet, jolloin päiväntasaajan stratosfäärissä tuulee idästä, ja verrataan hiukkasmäärää NAO-indeksiin, niin viimeisten 40 vuoden aikana hiukkasmäärä selitti melkein puolet NAO-indeksin vaihtelusta”, Asikainen sanoo.

Suurin osa keskimääräisen talvisään muutoksista liittyykin ilmaston sisäiseen vaihteluun. Esimerkiksi kuluvan talven leutoutta hiukkaspommitus ei selitä, sillä se on tällä hetkellä vähäistä, mutta NAO-indeksi on voimakkaasti positiivinen. Hiukkasten osuudessa kokonaiskuvassa riittää siis vielä tutkittavaa.

”Reilun viiden vuoden päästä alkaa laskeva auringonpilkkusykli, jolloin voidaan taas odottaa koronan aukoista nopeita virtauksia ja paljon hiukkasia. Se todennäköisesti tuo meille lisää leutoja talvia.”

Mittauksia tehdään satelliiteilla, jotka vaihdetaan uusiin muutaman vuoden välein, eivätkö mittaustulokset ole olleet suoraan vertailukelpoisia. Timo Asikainen on käyttänyt useita vuosia satelliittimittaustulosten kalibrointiin ja muuntanut aineistot yhtenäiseksi sarjaksi. Kuva: Juha Sarkkinen

Teksti: Satu Räsänen

Pääkuva: Aallonpituuden kuvista yhdistetty Auringon kuva, joka näyttää magneettisesti aktiivisia alueita (kirkkaat) ja suuria koronan aukkoja (tummat), joista virtaa nopeaa aurinkotuulta (keltaiset viivat).

 

Viimeksi päivitetty: 20.2.2020