Ilmiö Auringossa: CME

KAK — Koronan massapurkaus CME (Coronal Mass Ejection), on yksi Auringon näyttävimmistä ja merkityksellisimmistä purkausilmiöistä. Siinä Auringon koronan rakenteesta irtoaa miljoonia tonneja plasmaa, joka sinkoutuu avaruuteen magneettikentän omaavana pilvenä. CME:t ovat tärkeä osa avaruussään dynamiikkaa ja revontulien esiintymisen keskeinen moottori.

Jokainen CME on erilainen riippuen sen syntypaikasta, energiasta ja tapahtuman nopeudesta. Tässä yksi näyttävistä CME:stä. Sen koko voi verrata kuvaan liitettyyn maapalloon, jonka halkaisija on 12 756 km. Kuva SOHO European Site.

 

CME:n perusfaktat

CME saa alkunsa Auringon alemmista koronan kerroksista, tyypillisesti aktiivisten alueiden magneettikenttien uudelleen järjestyessä niin sanotun magneettisen uudelleenkytkennän (rekonnektio) seurauksena. Suuri määrä plasmaa (protoneja, elektroneja ja ioneja) sinkoutuu pilvenä avaruuteen, ja ne kuljettavat mukanaan magneettikenttiä.

CME:t nopeudet avaruudessa vaihtelevat riippuen purkauksen luonteesta ja voimakkuudesta: hitaimpien nopeudet ovat noin 300 km/s ja nopeimmat jopa yli 2 500 km/s. Nopeimmat CME:t voivat saavuttaa Maan noin vuorokaudessa.

Miten CME näkyy kaukoputkissa ja avaruusinstrumenteissa?

Kaikki purkaukset eivät kuitenkaan suuntaudu kohti Maata. Ainoastaan CME:t, jotka etenevät tai laajenevat Maan suuntaan, voivat vaikuttaa Maan magneettikenttään. CME:t voidaan havaita erikoisinstrumentein – esimerkiksi koronagraafeilla, kuten SOHO avaruusobservatoriossa, ja joskus epäsuorasti muiden satelliittien tai avaruusobservatorioiden ottamissa UV- tai EUV-kuvissa.

Tavallisissa näkyvän valon aurinkokuvissa CME:t eivät ole näkyvissä. Satelliittien, kuten SOHO:n LASCO-instrumentin, käyttämissä koronagraafeissa CME ilmenee kirkkaana, laajenevana kaarena, joka näyttää irtoavan Auringon reunalta ja leviävän ulospäin. Lisäksi CME:hen liittyvä flare tai EUV-aalto saattaa näkyä EUV-alueella toimivien instrumenttien, kuten SDO-satelliitin kuvissa. Näin voidaan päätellä CME:n lähtöalue ja sen aiheuttamat magneettiset muutokset.

CME-140 maaliskuun lopulta. Kyseinen on IV-luokan halo CME, joka lähestyi Maata keskeisesti. Luokka IV tarkoittaa sitä, että CME laajuus Maasta katsottuna on välillä 270° – 360°. Jos purkaus olisi ollut luokkaa III (180° – 270°, II (90° – 180°) tai I (0° – 90°), niiden todennäköisuus laajentua niin paljoa, että osa CME:stä olisi törmännyt maapalloon on selvästi pienempi. CME:t luetteloidaan kuukausittain juoksevalla numerolla. Kuva SIDC/CACATus.

Merkittävä CME-havaitsija on belgialaisen Royal Observatory of Belgium SIDC (Solar Influences Data Analysis Center) CACTus-ohjelmisto (Computer Aided CME Tracking), joka automaattisesti tunnistaa LASCO-kameroiden kuvista tapahtuvat purkaukset ja määrittää niiden ominaisuudet. Ohjelmisto luetteloi havaitsemansa purkaukset ja se päivitetään kuuden tunnin välein. Näin nopea toiminta mahdollistaa varhaisen vaiheen tunnistuksen ja ennen kaikkea antaa aikaa varautumiseen, jos CME on tulossa kohti Maata.

CME:n havaitseminen maapallon läheisyydessä

Kun CME etenee kohti Maata, se voidaan havaita avaruussatelliiteilla, jotka sijaitsevat Lagrangen pisteessä L1 noin 1,5 miljoonan kilometrin etäisyydellä Maasta Auringon suunnassa. Näissä satelliiteissa on instrumentteja, jotka mittaavat sekä plasmaa että magneettikenttää. Tämä mahdollistaa CME:n etenemisen seuraamisen ja varoituksen antamisen lyhyellä, noin yhden tunnin varoitusajalla. Usein se riittää varautumaan tulevaan magneettiseen myrskyyn.

Maata kiertävien satelliittien lisäksi Maan kiertoradalla olevat ja planeettakunnassa eri tehtävissä olevat luotaimet seuraavat omien sijaintiensa avaruussään vaikutuksia reaaliaikaisesti. Näiden havaintojen avulla voidaan arvioida, miten CME vaikuttaa Maan magnetosfääriin, ionosfääriin ja avaruusaluksiin. Näin saadaan arvokasta tietoa ilmiön voimakkuudesta ja kestoista sekä mahdollisista häiriöistä. Jos luotain pystyy valokuvaamaan Aurinkoa (koronagrafi), niin silloin on mahdollisuus saada myös 3D-tietoja CME-pilvistä heti purkauksen jälkeen.

CME:n mukana tuleva magneettikenttä – avain revontuliin

Yksi CME:n tärkeimmistä mutta hankalimmin arvioitavista ominaisuuksista on sen mukanaan kuljettama magneettikenttä, eli ICME-rakenteen sisäinen kenttä (Interplanetary CME). Tämä kenttä ei ole satunnainen – se on osa Auringon suurta magneettista rakennetta, ja kulkee avaruudessa yhdessä plasman kanssa.

Maan avaruussään kannalta kriittinen kysymys on, mihin suuntaan CME:n magneettikenttä osoittaa. Maan oma magneettikenttä on suunnattu pohjoiseen. Jos CME:n kenttä osoittaa etelään, se pääsee vuorovaikuttamaan tehokkaasti Maan kentän kanssa magneettisen rekonnektion kautta. Tällöin Maan magnetosfääri aukeaa hetkellisesti ulospäin ja aurinkotuulen sekä CME:n hiukkasia ja kenttää pääsee virtaamaan Maan magneettikenttään. Tulos on geomagneettinen myrsky, joka voi laukaista poikkeuksellisen kirkkaat ja laaja-alaiset revontulet. Jos taas kenttä osoittaa pohjoiseen, vaikutus on paljon heikompi – vaikka CME olisikin nopea ja massiivinen. Tällöin se vain "liukuu ohi", aiheuttamatta merkittävää magneettista häiriötä tai myrskyä.

Yksi suurista haasteista avaruussääennusteissa on, että CME:n magneettikentän suuntaa ei voida luotettavasti mitata ennen kuin se on jo melkein Maassa. Vaikka CME näkyy koronagraafeissa, kentän sisäinen suunta selviää vasta L1-pisteessä sijaitsevien satelliittien mittauksista (kuten DSCOVR, ACE tai Wind) – ja siitä on tyypillisesti vain 30 – 60 minuuttia varoitusaikaa ennen kuin vaikutus saavuttaa Maan.

Eteläsuuntainen (negatiivinen Bz) kenttä johtaa voimakkaaseen vuorovaikutukseen ja sitä seuraaviin kirkkaisiin ja laajoihin revontuliin. Pitkäkestoinen negatiivinen Bz tuottaa pitkäkestoisia magneettisia myrskyjä ja revontuliyötä. Pohjoissuuntainen kenttä (positiivinen Bz) taas ei aiheuta suoraa ja merkittävää vaikutusta. Nopeat vaihtelut puolestaan synnyttävät epäsäännöllisiä ja katkonaisia revontulijaksoja.

Monissa CME:issä magneettikenttä on järjestäytynyt kierremäiseksi rakenteeksi, jota kutsutaan nimellä vuoköydeksi (flux rope). Se muistuttaa ikään kuin jättimäistä magneettista köyttä, jossa kenttä kiertyy keskiosan ympäri. Kun tällainen rakenne kohtaa Maan, kentän suunta (Bz-komponentti) voi muuttua; kenttä voi pysyä etelässä useita tunteja, mikä on erittäin otollista revontulille. Kenttä voi myös vaihdella nopeasti, jolloin seurauksena on epävakaa revontulivyöhyke.

Magneettisella CME:llä on vielä yksi vaikutus, joka saattaa johtaa näyttävänkin revontulien syntyyn, vaikka magneettikentän suunta olikin pohjoiseen. Tämä vaikutus on dynaaminen paine. Dynaaminen paine ^[1] syntyy, kun CME:n plasma ja siihen liittyvä magneettikenttä törmäävät Maan magnetosfääriin. Paineen suuruus riippuu plasman tiheydestä ja nopeudesta.

Kun CME:n nopea ja tiheä plasma osuu magnetosfääriin, dynaaminen paine kasvaa nopeasti. Paineen kasvu puristaa Maan magneettikenttää ja aiheuttaa magnetopaussin (magnetosfäärin ulkoreunan) siirtymisen lähemmäs Maata. Samalla magnetosfäärin sisällä magneettikenttään ja plasmaan kertyy energiaa, joka johtaa sähkövirtojen voimistumisiin ja ennen pitkään myös revontuliin. Kokonaisuutena dynaaminen paine on tärkeä osa CME:n vaikutusta Maahan, koska se määrää kuinka voimakkaasti CME "tönäisee" magnetosfääriä ja mahdollistaa myrskyn kehittymisen.

CME:n vaikutusten mallintaminen ja ennustaminen

Kun CME havaitaan koronagraafeissa, sen etenemistä voidaan mallintaa ennustemalleilla, jotka perustuvat esimerkiksi heliosfäärimallinnukseen (kuten ENLIL) tai magneettikenttärakenne-ennusteisiin. Mallit antavat arvioita CME:n saapumisajasta, nopeudesta ja mahdollisesta suunnasta. Näin voidaan laskea, osuuko CME todennäköisesti Maahan, ja mitä osia Maapallosta se todennäköisimmin osuu.

Kuitenkin kenttärakenteen suunta – se tärkein muuttuja revontulien kannalta – on edelleen suurelta osin arvaus. Jotkin tutkimusryhmät yrittävät mallintaa myös CME:n sisäistä rakennetta ja pyörteen suuntaa, mutta tähän liittyy suuria epävarmuuksia.

CME:n magneettikentän sisäisen rakenteen ja suunnan ennustaminen on yksi avaruussään tutkimuksen suurimmista haasteista. Tutkijat kehittävät parhaillaan keinoäly- ja koneoppimismalleja, jotka analysoivat satelliittidataa ja aurinkohavaintoja pyrkien ennustamaan kentän suuntaa ennen purkauksen saapumista. Näiden menetelmien tavoitteena on parantaa varoitusaikaa ja tarkkuutta, jotta voidaan suojata infrastruktuuria ja ihmishenkiä paremmin.

CME:ssä avaruuteen sinkoutuu valtava määrä plasmaa, tyypillisesti miljoonia tonneja. Näiden hiukkasten kokonaisenergia voi nousta useisiin 10²⁵ jouleen, mikä vastaa useiden ydinpommien räjähdysenergiaa. Myös CME:n kineettinen energia on keskeinen tekijä sen vaikutuksen voimakkuudessa, sillä nopeampi ja massiivisempi purkaus kuljettaa enemmän energiaa ja voi aiheuttaa voimakkaampia geomagneettisia myrskyjä.

Kun CME saavuttaa Maapallon, sen hiukkaset ja magneettikenttä voivat häiritä satelliittien toimintaa, heikentää GPS-signaaleja, aiheuttaa radioliikenteen katkoja ja jopa vaurioittaa sähköverkkoja. Voimakkaat geomagneettiset myrskyt voivat johtaa sähköverkon häiriövirtoihin, ylikuormituksiin ja sähkökatkoksiin erityisesti korkeilla leveysasteilla, joissa magneettikentän vaikutukset ovat voimakkaimmat. Lisäksi avaruusalukset ja astronautit altistuvat lisääntyneelle säteilylle, mikä vaatii erityisiä suojautumistoimia.

CME:n ja aurinkotuulen erot

Aurinkotuuli on jatkuvasti Auringosta lähtevä plasman virtaus, joka on yleensä suhteellisen tasaista ja hitaampaa (noin 300 – 800 km/s). CME:t ovat poikkeuksellisia purkauksia, jotka eroavat aurinkotuulesta nopeudeltaan (jopa yli 2 500 km/s), tiheydeltään ja magneettisilta ominaisuuksiltaan. Tämä ero on tärkeä, sillä CME:t aiheuttavat yleensä voimakkaampia ja nopeammin alkavia vaikutuksia Maassa kuin tavallinen aurinkotuuli.

CME-tapausten historiaa ja merkittäviä esimerkkejä

Carringtonin tapahtuma (1859) – Tämä on ensimmäinen dokumentoitu ja hyvin tunnettu CME:n aiheuttama geomagneettinen myrsky. Purkaus laukaisi voimakkaan magneettimyrskyn, joka aiheutti lennätinverkkojen laajoja häiriöitä ja tuotti revontulia hyvin matalille leveysasteille, jopa Karibianmeren seudulle. Tapaus osoitti selvästi CME:n voimakkaan vaikutuksen Maahan ja loi perustan avaruussään tutkimukselle.

Halloween-myrskyt (2003) – Lokakuun lopussa 2003 tapahtui useita suuria aurinkopurkauksia ja CME:tä, jotka osuivat Maahan peräkkäin. Näihin liittyi poikkeuksellisen voimakkaita revontulia, jotka näkyivät laajalti Pohjois-Euroopassa ja Pohjois-Amerikassa. Myrskyt aiheuttivat myös satelliitti- ja radioviestintähäiriöitä sekä sähkönjakelun ongelmia.

7.–9.9.2017 CME-sarja – Syyskuun 2017 alussa useat voimakkaat X-luokan auringonpurkaukset laukaisevat peräkkäisiä CME-purkauksia, jotka osuivat Maahan. Näistä seurasi voimakkaita geomagneettisia myrskyjä, jotka vaikuttivat muun muassa satelliittien toimintaan ja mahdollistivat kirkkaat revontulet jopa Keski-Euroopan leveysasteilla.

23.7.2012 "missattu supermyrsky" – Tämä erittäin nopea ja massiivinen CME kulki Maapallon radan läheltä ilman, että se osui Maahan. Tapahtumaa pidetään nykytietämyksen valossa yhtenä voimakkaimmista mitatuista CME:istä. Jos se olisi osunut Maahan, seuraukset olisivat voineet olla yhtä laajat kuin Carringtonin tapahtumassa, aiheuttaen vakavia häiriöitä globaaleissa sähkö- ja viestintäjärjestelmissä.

 

Viitteet

[1] Dynaaminen paine

lasketaan kaavasta

P_dyn​=0,5×​ρv²

missä

• ρ on plasmahiukkasten massatiheys,
• v on CME:n nopeus suhteessa Maahan.