Ilmiö Auringossa: Aurinkotuuli

KAK – Aurinkotuuli on jatkuva hiukkasvirta, joka ulottuu Auringon ulommista kerroksista halki koko heliosfäärin. Tämä hiukkasvirta on seurausta Auringon kuuman kaasukehän eli koronakerroksen laajenemisesta avaruuteen. Vaikka aurinkotuuli on jatkuva, se ei ole suinkaan tasaista – sen nopeus, tiheys ja koostumus ^[1] vaihtelevat sekä ajallisesti että alueellisesti. Lisäksi Auringon magneettikenttä vaikuttaa siihen hyvin monella tavalla.  

Kaaviollinen esitys aurinkotuulesta, joka lähtee Auringosta ja ulottuu planeettakunnan halki aina terminaatiosokkiin ja heilipaussiin asti noin 100 – 150 au etäisyyteen Auringosta. Aurinkotuuli kuljettaa mukanaan magneettikenttää, joka vuorovaikuttaa planeettojen magneettikentän kanssa aiheuttaen mm. revontulia ilmakehissä. Kuva NASA.

 Aurinkotuuli jaetaan havaintojen perusteella kahteen päätyyppiin. Nopea aurinkotuuli saavuttaa tyypillisesti 600 – 800 km/s ja se on peräisin korkeilta leveysasteilta ja korona-aukoista – alueista, joilla Auringon magneettikenttä on avoin ja sallii plasman virrata vapaasti avaruuteen.

Hidas aurinkotuuli etenee noin 300 – 500 km/s vauhdilla, ja sen lähteet ovat huomattavasti monimutkaisempia. Se näyttäisi syntyvän keskileveyksien välisellä alueella erityisesti aktiivisten alueiden ja sulkeutuneiden magneettikenttäalueiden reunoilta, missä plasma pääsee purkautumaan joko vähitellen tai magneettisen uudelleenkytkennän vaikutuksesta. Hidas tuuli on koostumukseltaan tiheämpää kuin nopea, ja sen vaihtelut ovat sekä ajallisesti että avaruudellisesti huomattavia.

Aurinkosyklin eri vaiheissa aurinkotuuli on erilaista – minimissä napa-alueiden vaikutus hallitsee, mutta maksimivaiheessa hidas aurinkotuuli voi vallata koko heliosfäärin ^[2].

Vaikka aurinkotuulen hiukkaset ovat peräisin Auringosta, niin Alfvénin pinnan ^[3] jälkeen aurinkotuulen ominaisuudet todella muodostuvat. Auringon gravitaatio ei tämän pinnan jälkeen pysty pitämää hiukkasia vaikutuspiirissään, vaan hiukkaset poistuvat planeettojen väliseen avaruuteen. Auringon säteilypaine kiihdyttää hiukkaset aikaisempaan suurempaan vauhtiin ^[1], joita mittaamme luotaimilla esimerkiksi maapallon kiertoradoilla.

Auringon läheisyydessä aurinkotuulen hiukkaset noudattavat suunnilleen magneettikentän suuntaa, joka kiertyy Auringon pyörimisliikkeen mukana. Kauempana, noin 32 miljoonan km etäisyydessä, aurinkotuulen hiukkaset kuitenkin ovat jo keränneet sen verran energiaa ja Auringon magneettikentän tiheys on pienentynyt, että hiukkasten liikerata ei enää noudata magneettikentän suuntaa, vaan ne poistuvat enemmän tai vähemmän Auringon säteen suuntaisesti kohti uloimpaa Aurinkokuntaa.

Auringon pyöriminen venyttää aurinkotuulen kuljettamaa kenttää kierremäiseksi, joka tunnetaan nimellä Parkerin spiraali. Maapallon kohdalla magneettikentän (tässä vaiheessa siis interplanetaarinen magneettikenttä, IMF) ja aurinkotuulen välinen kulma on noin 44 °.

Tämä rakenne on erityisen selvä ekliptikan tasossa, jossa se jakaa heliosfäärin suuriin magneettisesti erisuuntaisiin sektoreihin. Näissä sektoreissa kenttä osoittaa vuoroin poispäin ja vuoroin kohti Aurinkoa, sen mukaan miten nämä sektorit ovat itse Auringossa.

Aurinkotuulen ja Auringon magneettikentän keskinäin vuorovaikutus jatkuu koko matkan heliosfäärin laitamille: kauempana aurinkotuuli hidastuu ^[1][2] ja puristuu, kun se kohtaa galaktisen väliaineen vastapaineen. Tällöin syntyy terminaatiosokki ja heliopaussi, jotka merkitsevät aurinkotuulen vaikutusalueen ulkorajoja.

Auringon lähellä ja erityisesti aktiivisten alueiden yläpuolella on avoimia ja suljettuja magneettikenttäviivoja. Suljetut linjat ovat magneettisilmukoita, jotka kaartuvat ylöspäin Auringon kaasukehään ennen kuin ne palavat takaisin Aurinkoon. Vuorovaikutus silmukoiden ja avoimen kentän vuoviivojen kanssa voi johtaa uudelleenkytkentään, joka puolestaan saa aikaan avoimessa magneettivuossa häiriötilan, joka etenee kumpaankin suuntaan noin 80 km/s nopeudella. Auringosta poispäin etenevä häiriö voimistuu, jolloin näemme alueellisen magneettivuon poimuttumisen, Switchback:in.

Kuva Citation L. A. Fisk and J. C. Kasper 2020 ApJL 894 L4/ DOI 10.3847/2041-8213/ac8104

 

Aurinkotuulen ja kentän vuorovaikutus ei rajoitu vain suuren mittakaavan ilmiöihin. Parker Solar Probe -luotain on paljastanut aivan Auringon läheisyydessä (0,1 – 0,3 au:n etäisyydellä Auringosta) ilmiön nimeltä switchback (takaisin kääntyminen). Kyseessä on magneettikentän paikallinen, äkillinen suunnanmuutos, jossa kenttäviivat taipuvat hetkellisesti takaisinpäin. Näissä kohdissa aurinkotuulen nopeus voi hetkellisesti kasvaa, ja kenttäviivan suunta muuttua jopa lähes 180 astetta.

Switchbackit näyttävät olevan yleisiä erityisesti nopean tuulen alueilla ja esiintyvät melko järjestäytyneinä ryppäinä. Tarkkaa syntymekanismia ei vielä tunneta, mutta tutkijat ajattelevat niiden aiheuttajaksi koronassa tapahtuvat uudelleenkytkeytymiset. Switchbackit viittaavat siihen, että aurinkotuuli ei synny  pelkästään tasaisena virtauksena, vaan mukana voi olla räjähdysmäisiä, dynaamisia tapahtumia jo aivan lähellä Auringon pintaa.

Aurinkotuulen vaikutus ulottuu koko Aurinkokunnan laajuudelle ja näkyy myös meillä Maassa. Nopean ja hitaan tuulen rajapinnoille muodostuu pyörteisiä siirtymäalueita, joissa voi tapahtua hiukkaskiihdytystä ja paineen kasvua. Näitä kutsutaan yhteiskiertoisiksi vuorovaikutusalueiksi (CIR). Kun IMF kohtaa Maan magnetosfäärin, erityisesti silloin kun kentän suunta on etelään, voi tapahtua magneettikenttien uudelleen kytkeytyminen. Tällöin energia ja plasma voivat siirtyä aurinkotuulesta Maan magnetosfääriin ja aiheuttaa mm. revontulia ja geomagneettisia häiriöitä.

 

Viitteet

[1] Aurinkotuuli koostu noin 95 % protoneista, 4 % alfahiukkasia (täysin ionisoitunutta heliumia) ja 0,5 % muita ioneita (tähtitieteellisesti metalleja). Elektroneja on suunnilleen saman verran kuin protoneita. Aurinkotuuli on sähköisesti neutraalia.

Aurinkotuulen tiheys Maan kohdalla on keskimäärin noin 5 protonia kuutiosenttimetrissä, mutta vaihtelu on suurta: minimissään tiheys on luokkaa 0,5 protonia/cm³ ja maksimissaan 64 protonia/cm³, joka sekään ei ole yläraja.

Aurinkotuulen hiukkasten vauhti Maan kohdalla on suunnilleen 200 – 900 km/s keskiarvon ollessa noin 350 – 400 km/s.

[2] Aurinkotuuli hidastuu äänennopeudesta (noin 200 km/s) aliäänennopeuteen noin 100 au:n etäisyydellä hiukkasten kohdatessa tähtienvälisen avaruuden tähtituulen. Aluetta kutsutaan terminaatiosokiksi. Aluetta, jossa aurinkotuulen hiukkasten ja tähtituulen hiukkasten määrät ovat yhtäläiset, kutsutaan heliopaussiksi. Heliopaussin sisäpuolta kutsutaan heliosfääriksi.

[3] Alfvénin pinta sijaitsee noin 18,8 Auringon säteen, noin 13 miljoonaa kilometriä etäisyydellä Auringosta. Alue on nimetty ruotsalaisen plasmafyysikon Hannes Olof Gösta Alfvén (1908 –1995) mukaan. Hänen tutkimuksissaan havaittiin vuonna 1947, että magnetosfäärissa plasma etenee aaltoina, jotka nimettiin Alfvén aalloiksi. Alfvénin tutkimukset kattoivat hyvin monenlaisia magneettikentän ja plasman välisiä ilmiöitä, jotka olivat edellä aikaansa. Hänellä oli vaikeuksia saada julkaistuksi tutkimuksiaan merkittävimmissä tiedejulkaisuissa, koska julkaisujen käyttämät referee-asiantuntijat eivät oikeasti ymmärtäneet mistä niissä on kyse. Myöhemmin tutkimukset ovat osoittautuneet paitsi oikeiksi, jopa perustavaa laatua oleviksi ilmiöiden syvemmän ymmärtämisen kannalta. Alfvén palkittiin Nobelilla vuonna 1970 hänen magnetohydrodynamiikan (MHD) tutkimuksista.