Revontulet – eksotiikaa ja fysiikkaa

1. Revontulet – eksotiikaa ja fysiikkaa Kirsti Kauristie Ilmatieteen laitos Avaruus ja yläilmakehä-tutkimus

2. Sisältöä • Turistin näkemys • Värit • Uskomukset • Tilastollinen esiintyminen • Satelliittimittalaitteilla havaittuna • Revontuliovaali • Yhteys Maan lähiavaruuden plasmailmiöihin • Kalansilmälinssillä kuvattuna • Revontulihiukkaset ja ionosfääri • Kiihdytysmekanismeista • Revontulitutkimuksen haasteita • Energiavuon suuruus • Pohjoisten ja eteläisten revontulien vertailututkimus

3. Turistin näkemys

4. Utsjoki, talvi 2003 Kuvat: Vera Nevanlinna

5. Oulu, 21.10. 2001 Kuvat: Jouni Jussila

6. Jyväskylä, 30.9.2001 Kuvat: Juha Kinnunen

7. Miten revontulivalo syntyy? • Yläilmakehään ”sataa” maan magneettikentän voimaviivojen suunnassa elektroneja ja protoneja • Satavat hiukkaset törmäilevät happiatomeihin ja typpimolekyyleihin, jotka virittyvät • Viritystilan purkautuessa syntyy valoa (vrt. loisteputki) • Sallitut sävyt: vihreä, punainen, ja sinipunainen • Himmeät tulet ihmissilmä näkee vaalean harmaina • Mustat raidat yötaivasta

8. Böömiläisen taiteilijan näkemys revontulista vuodelta 1570 Eksotiikkaa ja uskomuksia • Suomalaiset: Tulikettu (vrt. Kanadan intiaanien karibu tai Raamatussa esiintyvä Leviatan merihirviö) • Vaihtoehtotulkinta: Reporepointulet, loitsutulet • Grönlannin eskimot: kuolleiden lasten sieluja • Keski- ja Etelä-Euroopassa usein tulkittu enteenä tulevista vitsauksista ja sodista

9. Tilasto: Heikki Nevanlinna Mihin aikaan vuodesta? • Ilmatieteen laitoksen järjestelmälliset revontulikuvaukset 1970-luvulta lähtien-> tilastotietoa • Kuvauksia vain pimeään aikaan, mutta revontulia voi toki esiintyä kesäöinäkin • Etelä- ja keski-Suomessa hieman korkeampi todennäköisyys nähdä tulia syys- ja kevätpäivätasauksien aikaan • Lapissa todennäköisyys suunnilleen sama kaikkina talvikuukausina

10. Tilasto: Heikki Nevanlinna Mihin aikaan? • Paras todennäköisyys iltauutisista puolille öin

11. Tilasto: Heikki Nevanlinna Millä leveysasteilla? • Vain pilvettömät yöt! • Jyväskylässä n. joka 10. yö • Oulussa joka 5. yö • Rovaniemellä joka toinen yö • Kilpisjärvellä kolmena yönä neljästä.

12. Kuvat: Arto Oksanen, Jyväskylän Sirius Milloin on nähty Etelä-Suomessakin? • IL:n Hankasalmen kameran havainnoimat revontuliyöt lokakuulta 2000 lähtien: • Talvi 2000-2001: 10 yötä • Talvi 2001-2002: 11 yötä • Talvi 2002-2003: 9 yötä • Talvi 2003-2004: 5 yötä • 2004-2007 kevät: n. 5 yötä • Auringon aktiivisuus vaihtelee 11 vuoden jaksoissa. Ollaan menossa kohti hiljaisempia aikoja.

13. Satelliittikameran kuvaamana

14. Revontuliovaali • Ovaali kiertää magneettista napaa, mutta on siirtynyt muutaman asteen yöpuolen suuntaan, missä leveämpi. • Tässä tapauksessa aamupuolella näkyy nk. tuplaovaalirakenne aamusektorissa. • Mitä enemmän energian syöttöä aurinkotuulesta magnetosfääriin, sitä isompi ja kirkkaampi ovaali • 17.2.1997 06:45-07:00 Suomen aikaa, kuvat n. 1.5 minuutin välein • Kuvattu UV alueella (), näytetään tässä vääräväripaletilla • Kuvat: NASA:n Polar UVI satelliitti • Animaatio: JHU/APL

15. Revontulia ajavat ilmiöt Maan lähiavaruudessa

16. Ovaali ja magnetosfäärin muoto

17. Ovaalin poikkileikkaus ↔pyrstön venyminen • Napakalotin reunan paikka kertoo paljonko magnetosfäärin pyrstössä on avoimia kenttäviivoja • Kirkkaiden revontulirakenteiden eteläreunan siirtyminen ekvaattorille päin kertoo pyrstön venymisestä

18. Kalansilmälinssillä kuvattuna

19. Revontulirakenteita, L~1-100 km • Kalansilmälinssi näkee koko taivaan mutta vääristää kuvaa kuten teelusikan kupera puoli. • Näkökenttä 100 km:n korkeudessa ympyrä, jonka säde n. 300 km. • Usein eri sävyt kuvataan erikseen, suotimet kolmelle aallonpituudelle: 557.7 nm, 630.0 nm ja 427.8 nm • Minuutin aikana viisi kuvaa: 557.7 20s välein ja muut kerran minuutissa. • Valotusajat 1-2 sekuntia • Pohjoinen ylhäällä, itä oikealla

20. Revontulihiukkasten tuottama näkyvä valo • Elektronisateen tuottama valo • 557.7 nm, OI1S (metastabiilista1S tilasta stabiiliin1D tilaan), elinaika 0.7 s • 630.0nm, OI1D, elinaika 110 s • 427.8 nm, N+2(1N), elinaika 70 ns • Elektroni törmäilee yläilmakehässä kymmeniä tai jopa satoja kertoja, ennen kuin sen energia on sopivalla alueella y.o. viritystiloja tuottamaan. • Protonit tuottavat myös revontulia • Protonin liikesuunta ei paljoa muutu törmäyksissä • Alas satava protoni saattaa siepata mukaansa electronin  neutraali vety jonka liikettä ei magneettikenttä määrää  uudet törmäykset voivat muuttaa vedyn taas protoniksi  ”pehmeitä” revontulia • Protonien tuottamat revontulet yleensä niin himmeitä, ettei niitä ihmissilmin näe.

21. Ionosfääri • Ilmakehän yläosa, jossa merkittävä osa hiukkasista on sähköisesti varattuja. Pieni osa kuitenkin, esim. 250 km:n korkeudella suhde on 1/10000. • Elektronien käyttäytymiseen ei neutraalit vaikuta, positiivisten ionien käyttäytymiseen vaikuttaa. • Ionosfääriplasma on kvasineutraalia • Kolme erilaista aluetta • D-kerros 60-90 km, 108-1010 m-3, vuorovaikutukset (myös kemialliset) neutraali-ilmakehän kanssa tärkeitä. • E-kerros 90-150 km, 1011 m-3, alue, jossa sähkövirrat ja näkyvät revontulet hallitsevia. • F-kerros 150 km- , 1011-1012 m-3, suuret elektronitiheydet ja niiden vaihtelut vaikuttavat radiosignaalien etenemiseen. • Revontulihiukkasten sade ionosfääriin • Kuumentaa ionosfäärin hiukkasia • Lisää sähkön johtavuutta E-kerroksessa • Aiheuttaa revontulia

22. ”Laboratoriokoe” Lapissa toimivilla laitteilla: • EISCAT tutkat • Osa avaruuteen lähetetystä signaalista siroaa ionosfäärin elektroneista takaisin. Takaisin sironneesta signaalista voidaan päätellä ionosfäärin tilaa kuvaavia parametrejä: Ne, Te, Ti, vi • 931, 224, 500 MHz, 1.7, 3.0 MW • Revontulikamera • 557.7 427.8 630.0 nm • 20 s välein 557.7 nm mittauksia • Paikkaresoluutio: 1 km zeniitissä, ~10 km horisontissa

23. Revontulikamera Kilpisjärvellä, 557.7 nm

24. EISCAT-tutka Tromssassa: elektronitiheys korkeuden funktiona

25. ASC & EISCAT 125 km 117 km 109 km 101 km 96 km

26. Kiihdytysalue 2000-14000 km:n korkeudella • Plasmafysiikassa energiat ilmaistaan eV:na • Tyypilliset ionisaatio-potentiaalit ja revontulia synnyttävät viritystilat 10-20 eV (100 keV) • Revontulihiukkaset tarvitsevat huomattavasti suuremman energian, että pääsevät tunkeutumaan törmäyksistä huolimatta n. 100 km:n korkeudelle. • Selitys: Elektronit kulkevat magneettikentän suuntaisten potentiaali-pudotusten läpi  10-20 keV energiatasolle • Miten tällaisia potentiaalipudotuksia voi olla kenttäviivan suuntaisina? Kuva: ESA

27. Kiihdytysalue ja mustat revontulet Kuvat: Marklund et al., 1997

28. Revontulitutkimuksen haasteita

29. Palmroth et al. 2006 Paljonko revontulihiukkaset kantavat energiaa? • Koko ovaalin alueelle tulevaa energiavuota voidaan arvoida satelliittikameroiden ottamista kuvista • Tyypilliset arvot kymmeniä GW/ovaali, aurinkotuulen syöttö satoja GW tai TW • Tuloksissa suuria eroja riippuen arviointimenetelmästä  vertailut simulaatiotulosten kanssa vaikeaa. • Yhden revontulikameran näkökenttä: muutama GW, vrt. aurinkovakiota (1,3 kW/m2) vastaava energia samalle alueelle on 370 TW

30. Pohjoisen ja eteläisen revontulialueen vertailututkimus • Magnetosfäärin muutoksilla on ”jalanjälkensä” kummallakin pallonpuoliskolla esim. revontulialimyrskyt kehittyvät Etelämantereen yllä samaan tahtiin kuin pohjoisessakin. • Yleisesti tunnettuja syitä epäsymmetrioihin • Aurinkotuulen magneettikentän (IMF) itä-länsi-komponentti aiheuttaa epäsymmetristä energian syöttöä magnetosfääriin ja vääntää pyrstöä. • Maan kallistuskulman vuoksi auringonsäteily on eri suuruinen, mikä aiheuttaa eron pohjoisen ja eteläisen ionosfäärin taustajohtavuudessa. • Muita tekijöitä, jotka saattavat vaikuttaa • Kiihdytysalueen rooli pienten rakenteiden epäsymmetrioissa • Maan sisäsyntyisen kentän erojen vaikutukset • Avoimia kysymyksiä: • Miten suuria epäsymmetrioita IMF voi eri olosuhteissa tuottaa? • Millä skaalapituuksilla eroja rupeaa näkymään? • Mihin ilmiöihin ionosfäärin taustajohtavuuden erot vaikuttavat? • Ongelma: Vertailuhavaintojen rajallinen saatavuus

31. Globaali kuva: Satelliitti kameran ottamissa kuvissa revontuliovaa- lit ovat ~samanlaiset. Mesoskaalat, L~10…1000 km: 20 vuotta revontulikamerahavaintoja,yksi jakso jossa selvästi samanlaisten rakentei- den liikkeitä voidaan seurata n. tunnin ajan Figure: Sato et al., GRL, 2005

32. Samanaikaiset revontulet Islannissa ja Etelämantereella • 26.9.2003: Noin tunnin jakso, kuvia 10 sekunnin välein • Katsotaan magneettikentää vastaan, eli alapuolelta pohjoisessa ja yläpuolelta etelässä