Ilmiö Auringossa: Polaaripyörre – näkymätön dynamiikan jättiläinen

KAK – Auringon napa-alueet ovat visuaalisesti hiljaisia, mutta fyysisesti äärimmäisen aktiivisia alueita. Näissä korkeilla leveysasteilla ja napa-alueissa esiintyy ilmiö, jota kutsutaan nimellä polaaripyörre (solar polar vortex). Vaikka nimi voi herättää assosiaatioita maapallon napapyörteisiin, kyse ei ole mistään ilmakehän kaltaisesta virtauksesta – vaan magneettisesti ja dynaamisesti määrittyvästä plasmarakenteesta, joka on edelleen tutkimuksen kohteena.

 

Tämä ESA:n johtaman Solar Orbiter -lennon yhdistelmäkuva esittelee Aurinkoa kahdeksalla eri aallonpituudella, joista jokainen paljastaa Auringon plasmakehän eri kerrokset ja lämpötilat. Ylärivillä näkyy Auringon fotosfääri näkyvässä valossa, magneettikenttäkartta ja korona äärimmäisessä ultraviolettivalossa. Alarivi kattaa ultraviolettihavainnot 10000 °C:sta yli 1,2 miljoonaan °C:een, ja siinä korostuvat vedyn, hiilen, hapen, neonin ja magnesiumin emissiot. Nämä usean aallonpituuden näkymät auttavat tutkijoita ymmärtämään Auringon monimutkaista rakennetta ja dynaamista käyttäytymistä sen uloimmissa kerroksissa. Kuva ESA & NASA/Solar Orbiter/PHI, EUI and SPICE Teams. – Lue tarkempi selostus kuvasta jäljempänä.

Polaaripyörre on vaikeasti suoraan havaittavissa oleva pyörivä rakenne, jossa plasmavirrat ja magneettikentät muodostavat hitaan, mutta pitkäkestoisen kiertoliikkeen. Kyseessä ei ole yhtenäinen vakiomuotoinen pyörre, vaan dynaamisesti uusiutuva ja usein epäsymmetrinen rakenne, joka liittyy napa-alueiden ja polaarikenttien käyttäytymiseen Auringon aktiivisuuden syklissä.

Pyörre liittyy useisiin ilmiöihin, kuten Auringon differentiaalikiertoon (jossa napa-alueet pyörivät hitaammin kuin ekvaattorin seutu), magneettivuon kulkeutumiseen napa-alueille aktiivisista alueista, magneettisen polaarikenttien vaihtumiseen auringonpilkkujakson aikana.

Koska napa-alueita katsellaan aina sivusta täällä maapallolla ja navoilla ei ole pilkkuja tai aktiivisuusalueita, polaaripyörteet eivät ilmene visuaalisesti selkeinä rakenteina kuten esimerkiksi flarepurkaukset tai prominenssit. Niiden olemassaolosta kertovat epäsuorathavainnot: helioseimologisien aaltoliikkeiden analyysi paljastaa hitaan pyörteen tapaisen kiertoliikkeen napa-alueilla, SDO:n ja SOHO:n ottamien kuvien analysointi sekä virtausmallit ja magnetogrammit paljastavat pitkän aikavälin rakenteellisia pyörteitä.

Auringon toiminnoista on tehty lukuisia tietokonemallinnuksia. Osa näistä mallinnuksista on kattanut myös napa-alueet. Osassa erilaisia malleja tai simulointeja nähdään, että konvektio ja differentiaalikierto voivat synnyttää napa-alueille stabiileja pyörteisiä virtauksia. Näin ollen tutkijat pitävät mahdollisena, että Auringossakin esiintyy polaaripyörre. Kaikilla ilmakehällisillä planeetoilla on polaaripyörre, joka tosin on ilmakehän ilmiö eikä liity juuri mitenkään planeettojen magneettikenttiin.

Polaaripyörteet ovat keskeinen osa Auringon globaalia dynamoa, ja ne liittyvät läheisesti siihen, miten magneettikenttä kääntyy jokaisen 11-vuotisen auringonpilkkujakson aikana.  Pilkkujakson aktiivisella kaudella napa-alueiden magneettikenttä heikkenee ja kun vahvistuminen uudelleen alkaa, kentän suunta onkin vaihtunut. Tämä prosessi Auringossa on juuri nyt menossa.

Aktiivisuusmaksimin jälkeen napa-alueilla magneettivuo voimistuu ja sen lisäksi sinne kulkeutuu magneettivuota konvektiovyöhykkeeltä– ja juuri nämä virrat näyttävät järjestyvän pyörteisiksi suuressa mittakaavassa. Magneettikentän voimistuessa napa-alueilla se mahdollistaa plasmavirtojen pyörteenomaisen liikkeen. Plasmapyörteen liikesuunta määräytyy magneettikentän napaisuuden mukaan.

Auringonpilkkujakson minimin aikaan polaaripyörre on voimakkaimmillaan. Minimin mentyä, magneettivuo napa-alueilla alkaa heiketä ja hajota, jolloin olosuhteet huonontuvat polaaripyörteen kannalta. Aktiivisuusmaksimin lähestyessä polaaripyörre katoaa kokonaan.

Vaikka polaaripyörteet eivät näy suoraan Auringon kuvissa, niiden dynamiikka voi vaikuttaa pitkän aikavälin ennusteisiin:

• Auringon syklin voimakkuuden arviointi: polaarikenttien kehittyminen liittyy suoraan seuraavan syklin intensiteettiin
• Pitkäkestoisten piirteiden, kuten korona-aukkojen, asettuminen napa-alueille riippuu näistä pyörteisistä magneettirakenteista
• Vaikutus aurinkotuulen rakenteeseen ja suuntaavuuteen, etenkin napa-alueiden avoimien magneettikenttien välityksellä.

 

Aurinkoharrastajan kannalta on ikävää, että polaaripyörre ei ole havaittavissa pienellä kaukoputkella eikä se synnytä näyttäviä ilmiöitä kuten flarepurkauksia tai prominensseja, mutta sen rooli Auringon sisäisessä dynamiikassa on keskeinen. Se on yksi esimerkki siitä, miten paljon jää piiloon näkyvän fotosfäärin takana – ja miksi Auringon syklinen käyttäytyminen on edelleen tutkimuksen ytimessä.

 

Lue lisää tutkimusraporteista

Mausumi Dikpati et al. 2024: A magnetohydrodynamic mechanism for the formation of solar polar vortices, PNAS, avoin pääsy

Shuhong Yang et al. 2024: Meridional flow in the solar polar caps revealed by magnetic field observation and simulation, arXiv preprint  

Kaori Nagashima et al. 2010: Detection of Supergranulation Alignment in Polar Regions of the Sun by Helioseismology, arXiv preprint  

L. Gizon et al. 2010: Local Helioseismology: Three Dimensional Imaging of the Solar Interior, arXiv preprint

 

Tarkempi selostus kuvasta

Tässä kollaasissa näkyy Solar Orbiterin näkymä Auringon etelänavasta 16. – 17. maaliskuuta 2025 noin 15° Auringon päiväntasaajan alapuolelta. Kyseessä oli avaruusaluksen ensimmäinen korkean katselukulman havainnointikampanja, muutama päivä ennen sen nykyisen 17°:n maksimikatselukulman saavuttamista.

Tähän asti avaruusalukset (ja Maassa olevat teleskoopit) eivät ole koskaan pystyneet näkemään selvästi Auringon napoja, koska yksikään niistä ei ole koskaan päässyt 7°:n etäisyydelle Auringon ekvaattorista. (ESA:n/NASA:n Ulysses-operaatio (1990 – 2009) lensi Auringon napojen yli, mutta siinä ei ollut mukana kuvantamislaitteita).

Nämä tiedot tallennettiin kolmella Solar Orbiterin tieteellisellä instrumentilla: Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI), Extreme Ultraviolet Imager (EUI) ja Spectral Imaging of the Coronal Environment (SPICE) -instrumentilla. Kukin instrumentti tarkkailee Aurinkoa eri tavalla.

PHI tallentaa rautahiukkasten lähettämää näkyvää valoa (617,3 nanometrin aallonpituus, ylhäällä vasemmalla), joka paljastaa Auringon pinnan (fotosfäärin). PHI kartoittaa myös Auringon pinnan magneettikenttää avaruusaluksen näköyhteyttä pitkin (ylhäällä keskellä). Tässä kartassa sininen osoittaa positiivista magneettikenttää, joka osoittaa kohti Solra Orbiter -luotainta, ja punainen negatiivista magneettikenttää päinvastaiseen suuntaa.

EUI kuvaa Aurinkoa ultraviolettivalossa (17,4 nanometrin aallonpituus, ylhäällä oikealla), jolloin Auringon ulomman ilmakehän, koronan, miljoonien asteiden varautunut kaasu paljastuu. Tätä korkeaenergistä valoa lähettävät varatut rautahiukkaset.

SPICE-instrumentti (eri aallonpituuksilla, alin rivi) tallentaa valoa, joka tulee eri kerroksista Auringon pinnan yläpuolella, kromosfääristä aivan Auringon pinnan yläpuolella aina Auringon koronaan asti. Jokaisessa SPICE:n ottamassa kuvassa näkyy plasman eri lämpötilat: 10 000 °C, 32 000 °C, 320 000 °C, 630 000 °C ja 1 000 000 °C.

Vertailemalla ja analysoimalla näiden kolmen kuvantamislaitteen tekemiä toisiaan täydentäviä havaintoja voimme saada tietoa siitä, miten aine liikkuu Auringon uloimmissa kerroksissa. Tämä voi paljastaa odottamattomia kuvioita, kuten napapyörteitä (pyörteistä kaasua), jotka muistuttavat Venuksen ja Saturnuksen napojen ympärillä havaittuja pyörteitä.

Nämä uraauurtavat uudet havainnot ovat myös avainasemassa Auringon magneettikentän ymmärtämisessä ja sen ymmärtämisessä, miksi se kääntyy suunnilleen 11 vuoden välein samaan aikaan, kun Auringon aktiivisuus on suurimmillaan. Nykyiset mallit ja ennusteet 11-vuotisesta aurinkosyklistä eivät pysty ennustamaan tarkasti, milloin ja kuinka voimakkaana Aurinko saavuttaa aktiivisimman tilansa.

Solar Orbiter on ESA:n ja NASA:n kansainvälisessä yhteistyössä toteuttama avaruusoperaatio. Solar Orbiterin Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI) -instrumenttia johtaa Max Planck Institute for Solar System Research (MPS), Saksa. Extreme Ultraviolet Imager (EUI) -instrumenttia johtaa Belgian kuninkaallinen observatorio (ROB). Spectral Imaging of the Coronal Environment (SPICE) -instrumentti on eurooppalaisjohtoinen instrumentti, jota johtaa Institut d'Astrophysique Spatiale (IAS) Pariisissa, Ranskassa.