Ilmiö Auringossa: Hale-jakso

KAK – Auringon pintaa täplittävät auringonpilkut eivät synny sattumanvaraisesti, vaan niiden rytmissä sykkii syvempi luonnonilmiö: Hale-jakso. Tämä noin 22 vuotta kestävä magneettinen sykli on Auringon dynamiikan ytimessä, ja sen vaikutukset ulottuvat avaruussäähän ja jopa maapallon lähiavaruuden olosuhteisiin saakka.

Mikä on Hale-jakso?

Hale-jakso koostuu kahdesta peräkkäisestä auringonpilkkujaksosta, joiden aikana Auringon globaalin magneettikentän napaisuus vaihtuu ja palautuu alkuperäiseen suuntaansa. Yksi auringonpilkkujakso (=aurinkosykli, tunnetaan myös nimellä Schwaben jakso) kestää keskimäärin noin 11 vuotta, ja sen aikana auringonpilkkujen määrä nousee ja laskee. Jokaisen syklin aikana, Auringon aktiivisuuden ollessa maksimin tietämillä magneettikenttä kääntyy ja seuraavan jakson alkaessa napaisuus on päinvastainen kuin edellisen jakson alkaessa. Kun kaksi sykliä on kulunut, kenttä on taas alkuperäisessä suunnassaan – ja näin yksi Hale-jakso on päättynyt.

Hale-jakson animaatio ja auringonpilkkujen syntypaikkojen sijoittuminen jakson edetessä. Kuva Scottt McIntosh.

Kuinka Hale-jakso syntyy?

Hale-jakson taustalla toimii Auringon magneettinen dynamo – ilmiö, jossa plasmavirtaukset ja differentiaalinen pyöriminen luovat ja ylläpitävät Auringon magneettikenttää.

Keskeiset prosessit:

1. Differentiaalinen pyöriminen
   Auringon ekvaattori pyörii nopeammin kuin napa-alueet. Tämä venyttää ja kiertää Auringon alkuperäistä (dipolista) magneettikenttää, synnyttäen toroidikentän.
2. Konvektiovirtaukset ja meridionaalikierto
   Kuuma plasma nousee ylös ja viilennetty laskee alas Auringon konvektiovyöhykkeellä. Samalla plasma virtaa navalta ekvaattorille ja takaisin, kierrättäen ja muokaten magneettikenttää.
3. Kentän varastoituminen takokliinissa
   Auringon säteily- ja konvektioalueen rajalla, ns. takokliinissa, magneettikenttä voimistuu ja kohoaa, kunnes se puhkeaa pintaan – usein auringonpilkkuina.

Vaikutukset Auringossa

Hale-jakso ei ole vain teoreettinen käsite – se näkyy konkreettisesti Auringon aktiivisuusalueissa: pilkkuparien napaisuudet vaihtuvat auringopilkkujaksoittain, magneettiset hemisfääriset epäsymmetriat vaihtelevat siten, että yksi pallonpuolisko voi olla aktiivisempi tietyssä vaiheessa jaksoa kuin toinen ja päin vastoin. Näiden lisäksi aktiivisuusmaksimien rakenteet ja pilkkutyypit voivat vaihdella Hale-jaksojen mukaan.

Vaikutukset Maahan ja avaruussäähän

Vaikka Auringon magneettinen kääntyminen tapahtuu 150 miljoonan kilometrin etäisyydellä, sen vaikutukset kantautuvat Maahan asti. Esimerkiksi avaruussään intensiteetti vaihtelee Hale-jakson mukaan.

Auringon voimakaan magneettikentän vaihtelu ja suunnan muutokset ohjaavat ja estävät osan kosmisista säteistä. Aurinkokunnan ulkopuolelta tuleva kosminen säteily koostuu enimmäkseen energeettisistä varatuista hiukkasista kuten protoneista ja muista vedyn isotoopeista. Kosmisen säteilyn hiukkasista on pieni osa myös raskaampia atomiytimiä. Auringon aktiivisuuden minimien aikaan Maahan saapuu enemmän säteilyä ja vastaavasti maksimin aikaan vain murto-osa siitä.

Termination Event – Auringon sykli uudesta näkökulmasta

Tutkijat Scott McIntosh ja Robert Leamon ovat viime vuosina kehittäneet "Termination Event" -hypoteesia ^[1], joka liittyy siihen, miten Auringon magneettisyklit oikeasti käynnistyvät ja päättyvät. Heidän mukaansa perinteinen tapa tarkastella aurinkosyklin alkua pilkkujen lisääntymisenä saattaa jättää huomiotta syklien syvemmän ja dramaattisemman alkuhetken.

"Termination Event" viittaa hetkeen, jolloin edellisen Hale-jakson jäännösmagneettisuus "tuhoaa" itsensä ekvaattorilla. Tapahtumassa vastakkaisnapaiset magneettikentät pohjoiselta ja eteläiseltä pallonpuoliskolta kohtaavat ekvaattorilla. Tämä magneettinen annihilaatio pyyhkäisee vanhan syklin vaikutukset pois. Tämän jälkeen uusi sykli käynnistyy nopeasti, ja auringonpilkkutoiminta alkaa voimistua.

McIntoshin ryhmän mukaan tämä tapahtuma on nopea ja äkillinen siirtymä, joka selittää sen, miksi auringonpilkut voivat alkaa lisääntyä nopeasti syklin alussa. Termination Event näyttää toistuvan noin 11 vuoden välein, muttei täysin säännöllisesti. Vaihteluväli on hieman alle 9 vuodesta lähes neljääntoista vuoteen. Tapahtuman jälkeen nähdään usein nopea siirtymä seuraavaan aktiivisuusvaiheeseen. Se voi selittää myös syklien erilaisen alkuvauhdin: toiset syklit näyttävät käynnistyvän äkisti, toiset hitaammin.

Tapahtuma näkyy erityisesti helioseismologisissa havainnoissa, ultraviolettikuvissa ja magneettikartoissa. McIntoshin ja Leamonin malli tunnetaan myös ”Extended Solar Cycle” -termillä, jossa sykli alkaa jo ennen pilkkujen ilmaantumista. Termination Event -jakson vaihtuessa Auringon ultraviolettisäteily voimistuu useita kymmeniä prosentteja aikaisemmasta.

McIntosh ja Leamon ehdotuksen mukaan kahden magneettisen vyöhykkeen yhtäkkisessä katoamisessa vapautuu valtavasti energiaa. Samalla tapahtuu nopea ja selkeä uv-säteilyn hyppäys koko spektrissä, mutta erityisesti lyhytaaltoisessa uv:ssa (120 – 280 nm). Tämä tapahtuma johtaa äkilliseen Auringon globaaliin reorganisoitumiseen ja käynnistää uuden pilkkujakson näkyvästi.

Vaikka tapahtuma on lyhytaikainen (muutamasta vuorokaudesta viikkoon tai kahteen) sillä on omat seurauksensa, sillä suurin osa Maahan suuntautuneesta säteilystä imeytyy ilmakehän termosfäärissä ja tämä seurauksena se laajenee merkittävästi. Tapahtuma on äkillinen, joten sen ennustaminen tarkasti on vähintäänkin hankalaa. Parhaiten se nähdään vasta silloin kun se on jo tapahtunut.

Tapahtuman aikaan matalalla kiertoradalla olevien satelliittien radat alenevat ennakoitua nopeammin johtunen laajentuneesta ilmakehästä ja sen aiheuttamasta kitkasta. McIntoshin ja Leamonin esittävätkin, että helmikuun 3. päivän 2022 SpaceX-yhtiön 49 Starlink-satelliitin menetys johtui juuri äkillisesti ilmaantuneesta Termination Event -tapahtumasta. Aikaisemmin SpaceX-yhtiö oli selittänyt menetyksen johtuneen G1-luokan magneettisesta myrskystä. Magneettista myrskyä tapahtuman aikana oli mutta kuitenkin niin heikkona, että se ei oikein syyksi kelpaa. Magneettiset myrskyt tai paremminkin niihin johtaneet tapahtumat aurinkotuulessa saattavat lämmittää ja laajentaa ilmakehää jossain määrin. SpaceX-yhtiö ei ollut ainoa vaikeuksissa ollut operoija, sillä myös Capella Space joutui hätätoimenpiteisiin Synthetic Aperture Radar (SAR) satelliitin pitämiseksi kiertoradalla.

Uusin tutkimus, kuten Termination Event -malli, antaa entistä vivahteikkaamman kuvan siitä, miten sykli todella käynnistyy. Auringonpilkut ja niiden vaihtuva napaisuus ovat vain näkyvä pintakerros syvemmästä ilmiöstä, jonka ymmärtäminen antaa sekä ammattilaiselle että harrastajalle uuden näkökulman tähteemme.

Viiteet

[1] Tutkimus on julkaistu artikkelissa Scott W. McIntosh, Sandra Chapman, Robert J. Leamon, Ricky Egeland & Nicholas W. Watkins:  Overlapping Magnetic Activity Cycles and the Sunspot Number: Forecasting Sunspot Cycle 25 Amplitude.  Springer Nature Link 24 November 2020 Volume 295, article number 163, (2020), Volume 295, article number 163, (2020). Artikkeli on vapaasti luettavissa.