Ilmiö Auringossa: Konvektio ja granulaatio

KAK – Auringon pinnan alla kiehuu, kirjaimellisesti. Energia, joka on syntynyt syvällä Auringon ytimessä fuusioreaktioissa, ei pääse etenemään ulos suoraviivaisesti, vaan sen on kuljettava monivaiheisen energiankuljetusketjun läpi. Noin Auringon säteen 70 % kohdalla ulospäin fotonien matka vaikeutuu merkittävästi, ja säteilymekanismi korvautuu konvektiolla. Tuloksena on dynaaminen, solurakenteinen pintakerros, jonka ilmentymiä ovat granulaatio, supergranulaatio ja jopa valtavat, koko Auringon mittakaavan ylittävät konvektiiviset liikkeet.

Auringon rakenne. Konvektiovyöhyke on meille näkyvän fotosfäärin alapuolella ulottuen aina 200 000 km syvyyteen Auringon pinnasta. Konvektiokierto syntyy, kun plasma kuumenee takokliinissaja kuumentunut kaasu kohoaa ylöspäin. Fotosfäärisä kaasu vuorostaan viilenee ja uppoaa syvemmälle. Konvektiivinen kierto muistuttaa siis veden kiehumista kattilassa.

Konvektiovyöhyke ja energian kuljetus

Auringon sisärakenteessa konvektiovyöhyke ulottuu noin 200 000 km syvyyteen pinnasta alaspäin. Tällä alueella plasma on riittävän läpinäkymätöntä, että fotonit absorboituvat ja siroavat jatkuvasti, ja energiansiirto säteilyn kautta käy tehottomaksi. Tällöin energia siirtyy ylöspäin kuuman plasman virtauksina – konvektiona. Kuuma plasma kohoaa ylös, jäähtyy pinnalla ja palaa takaisin alas muodostaen suuria konvektiokierroksia.

 

Auringon granulaatio Tampereen Ursan tähtitornilla kuvattuna. Granulaation nouseva virtaus näkyy kuvassa vaaleina alueina ja integranulit (laskeva virtaus) tummina rajoina. Auringonpilkkujen ympärillä olevat vaaleat alueet ovat artefakteja, jotka johtuvat kuvankäsittelystä, jossa kuvan terävyyttä säädetään.Klikkaa kuva suuremmaksi! Kuva © Kari A. Kuure.

Richard B. Dunn Solar Telescope:lla ottu kuva granulaatiosta. Kaukoputki käyttää 310 – 1 000 nm (uv –ir) aallonpituuksia havaintoihin. Kuva T. Rimmele/NSO/AURA/NSF.

Granulaatio: Auringon rakeinen pinta

Konvektion pintailmentymä on granulaatio, joka näkyy fotosfäärin valokuvissa solurakenteena. Yksittäinen granula on noin 1 000 km halkaisijaltaan (Ø ~ 1,3 kaarisekuntia) oleva kirkas, kuumaa nousevaa plasmaa sisältävä alue. Sen ympärillä olevat tummemmat intergranulit ovat viileämpiä laskuvirtauksia. Granulan tyypillinen kesto on vain noin 5 – 10 minuuttia ja Auringon pinnalla on samanaikaisesti miljoonia granuloita. Ne muistuttavat ulkonäöltään kiehuvan nesteen pintaa.

Supergranulaatio: suurempia virtauksia

Granulaatiota suuremmassa mittakaavassa esiintyy supergranulaatiota, noin 30 000 km kokoisia solurakenteita, joiden kesto on useita vuorokausia. Supergranulaatiota ei näe helposti (jos ollenkaan) fotosfäärin valokuvissa, mutta ne näkyvät doppler-kartoissa ja mahdollisesti kromosfäärin kapeakaistakuvissa (esim. CaK). 

CaK-aallonpituusalueen kuva Auringosta. Kuvassa näkyy jälkiä supergranulaatiosta, jonka yksittäisen supregranulin halkaisija voi olla 30 000 km tai jopa paljon suurempikin. Supergranulit näkyvät tässä kuvassa tummempina kuin intergranulit. Kuva © Kari A. Kuure.

 

Supergranulaation näkyy selkeimmin tässä dopder-kuvassa, joka perustuu helioseimisiin havaintoihin. Kuva NASA/MSFC/Hathaway.

Supergranuloiden reunat ovat paikkoja, joihin Auringon magneettikentät kasaantuvat, muodostaen magneettisen verkoston. Esimerkkinä näistä magneettikentistä ovat filamentit, jotka hyvin usein tai oikeastaan pääsääntöisesti kehittyvät juuri supergranuloiden reunoihin, etenkin paikkoihin, joissa erinapaiset kentät kohtaavat.

Mesogranulaatio: olemassa vai ei?

Välimaastossa granulaation ja supergranulaation välillä on havaittu mesogranulaatioksi kutsuttuja rakenteita, halkaisijaltaan 5 000 –10 000 km, mutta niiden olemassaolo itsenäisenä ilmiönä on kiistanalainen. Osa tutkijoista näkee ne tilastollisina seurauksina pienempien ja suurempien solujen vuorovaikutuksesta.

Jättisolut ja Rossby-aallot

Konvektiota esiintyy myös valtavan mittakaavan ilmiöitä, mutta näitä ei voi havaita suoraan optisessa valossa:

Jättisolut ("giant cells") ovat jopa satojentuhansien kilometrien laajuisia virtausrakenteita, jotka kulkevat koko konvektiovyöhykkeen läpi. Ne voivat säilyä viikkoja tai kuukausia, ja niiden havaitseminen perustuu aikasarjadataan ja simulaatioihin.

Rossby-aallot ovat pyörteisiä aaltoja, jotka syntyvät pyörivän plasmapallon sisällä. Auringossa ne ilmenevät hitaasti liikkuvina, ei-symmetrisinä rakenteina, jotka voivat vaikuttaa Auringon pyörimisnopeuden vaihteluihin ja magneettikenttien liikkeisiin. Havaintojen ja mallien perusteella ne voivat olla yhteydessä aurinkosyklin (=auringonpilkkujakso) rytmiin ja mahdollisesti jopa vaikuttaa aktiivisuusalueiden synkronointiin eri leveysasteilla.

Havainnointi ja merkitys

Konvektiiviset rakenteet vaikuttavat moniin havaittaviin ilmiöihin: pilkkuryhmien muodostumiseen, magneettikenttien dynamiikkaan, aaltoliikkeiden syntyyn ja jopa aurinkotuulen järjestymiseen. Ne ovat myös olennainen osa Auringon dynamoa ja aktiivisuussykliä ohjaavaa mekanismia.

Uudet havaintomenetelmät, kuten doppler-mittaukset, spektroskopia ja kapeakaistainen kuvantaminen, mahdollistavat yllä mainittujen rakenteiden tutkimuksen eri korkeuksilla ja mittakaavoilla. Simulaatiot ja numeeriset mallit auttavat ymmärtämään, miten pienistä kuplivista solurakenteista kasvaa koko Auringon dynamiikkaa hallitsevia prosesseja.

 

Taulukko 1. Konvektiorakenteiden mittakaavat Auringossa

Nimi	Koko (halkaisija)	Kesto	Kuvaus ja havaitseminen
Granulaatio	~1000 km	5 – 10 min	Näkyy fotosfäärissä valokuvissa. Kirkas keskusta, tumma reuna.
Mesogranulaatio	~5 000 – 10 000 km	1 – 2 tuntia	Epäselvä rakenne, näkyy joissain doppler-havainnoissa. Kiistanalainen.
Supergranulaatio	~20 000 – 30 000 km	1 – 2 vrk	Näkyy kromosfäärin suodatinkuvissa ja doppler-kartoissa. Magneettikentät kasaantuvat reunoille.
Giant cells (jättisolut)	~100 000 – 300 000 km	Viikkoja –kuukausia	Erittäin hidas virtaus koko konvektiovyöhykkeen läpi. Todisteet epäsuoria.
Rossby-aallot	Useita satoja tuhansia km	Satoja päiviä	Suuria pyörteisrakenteita, liittyvät Auringon differentiaaliseen pyörimiseen.