Avaruusfysiikka

Avaruusfysiikka

Avaruusfysiikan ryhmän sivusto

Avaruussäästä lyhyesti

Avaruussäällä tarkoitetaan Maan lähiavaruuden sähkömagneettisen- ja hiukkasympäristön muutoksia. Revontulet ovat avaruussään tutuin ilmentymä, mutta avaruussäähän liittyy myös useita haitallista vaikutuksia teknisten järjestelmien toimintaan ja luotettavuuteen niin avaruudessa, ilmassa kuin maan pinnalla. Tällaisia avaruussäälle alttiita järjestelmiä ovat mm. telekommunikaatio-, sähkönjakelu- ja satelliittipaikannusjärjestelmät. Voimakkaiden avaruussäähäiriöiden aikana napa-alueen ylittävien lentojen reittejä uudelleen ohjataan ja kasvanut säteily saattaa vahingoittaa satelliitteja ja vaarantaa astronauttien terveyden. Lisäksi Maan ilmakehä laajenee ja aiheuttaa lisääntyvää kitkaa Maan pinnan lähellä kiertäville satelliiteille. Mm. kansainvälisen avaruusasema ISS:n rataa joudutaan vuosittain korjaamaan, koska asema menettää korkeuttaan avaruussäämyrskyjen aikana.

Kuva 1.

(Vasemmalla) Varsinkin pohjoisilla leveysasteilla saadaan ihailla upeita revontulinäytelmiä avaruusmyrskyjen aikana (kuva: Jouni Jussila). (Oikealla) Koronan massapurkaukset aiheuttavat lähes kaikki isoimmat avaruusmyrskyt. Kuvassa koronan massapurkausta STEREO-A satelliitin COR2 koronagrafin kuvaamana (kuva: NASA).

Aurinko on avaruussään perimmäinen lähde. Auringon aktiivisuus vaihtelee säännöllisesti noin 11-vuoden jaksoissa. Aktiivisuusminimissä Aurinko on rauhallinen ja avaruussäähäiriöt vähäisiä, mutta maksimin aikaan Auringossa ja Maan lähiavaruudessa myrskyää. Tällöin Auringon magneettikenttä on hyvin monimutkainen ja jatkuvassa muutoksessa. Purkauksia tapahtuu useita päivässä. Auringonpurkauksista tärkeimpiä ovat koronanmassapurkaukset eli CME:t (Coronal Mass Ejections) ja roihut (flare).

CME:t (Kuva 1) ovat jättimäisiä magnetisoituneita plasmapilviä. Nopeimmat CME:t syöksyvät Auringosta jopa useiden tuhansien kilometrien nopeudella ja saavuttavat Maan kiertoradan alle kahdessa päivässä. CME:t laajenevat merkittävästi Auringosta lähdettyään ja Maan etäisyydellä pilven läpimitat ovat keskimäärin jopa yksi kolmasosa Maan ja Auringon välisestä etäisyydestä. CME:n kulkeutuminen magnetosfäärin ohitse kestää noin päivän. Pilven voimakas ja pitkäkestoinen eteläinen magneettikenttä kytkeytyy tehokkaasti Maan magneettikenttään ja CME:t aiheuttavatkin lähes kaikki voimakkaimmat avaruussäämyrskyt.

Roihut puolestaan ovat nopeita ja voimallisia energianpurkauksia Auringossa, jotka havaitaan lähes kaikilla sähkömagneettisen spektrin taajuuksilla. Roihupurkaus kiihdyttää äkillisesti varattuja hiukkasia. Nämä hiukkaset saapuvat Maahan vain hieman valoa hitaammin ja aiheuttavat säteilymyrskyjä. Roihupurkaus ei kuitenkaan aiheuta CME:n tavoin häiriötä planeettainväliseen plasmaan ja magneettikenttään.

Avaruusfysiikan ryhmän tutkimus

Fysiikan laitoksen avaruustutkimusryhmä tutkii Aurinko–Maa-fysiikkaa ja avaruussäätä yhteistyössä Ilmatieteen laitoksen ja Aalto-yliopiston kanssa Kumpulan avaruuskeskuksen puitteissa. Tutkimuksemme pääpaino on ymmärtää CME:iden syntyä, etenemistä planeettainvälisessä avaruudessa ja niiden vaikutuksia Maan lähiavaruudessa. Pyrimme ymmärtämään kattavasti avaruussääilmiöiden fysiikkaa, tekemään kansainvälisesti korkealaatuista tutkimusta, sekä käyttämään tätä tietoa kehittääksemme palveluja yhteiskunnalle.

Ryhmän toimintafilosofiana on käyttää monipuolisesti erilaisia tutkimusmenetelmiä data-analyysistä ja datan tulkinnasta teoreettiseen ja laskennalliseen mallinnukseen. Yksi toiminnan painopisteistä on myös avaruustutkimuksessa käytettävien tieteellisten luotain- ja satelliittihavaintolaitteiden kehittäminen.

Luotain- ja satelliittihavaintolaitteiden kehitystyö Avaruustutkimusryhmä osallistuu useiden luotain- ja satelliittihavaintolaitteistojen kehittämiseen.

Korkeaenergia-astrofysiikan ryhmän kehittämä XSM-instrumentti tekee röntgen-alueen spektrihavaintoja. Laitteella on tehty havaintoja auringon koronan röntgen-emissiosta kahdessa kansainvälisessä satelliittihankkeessa: laite oli osa hyötykuormaa sekä ESA:n SMART-1 että Intian ja ESA:n Chandrayaan-1 -kuuluotaimissa. Vastaavanlainen instrumentti tekee parhaillaan mittauksia NASA:n MESSENGER-luotaimessa Merkuriuksen ympäristössä, ja konseptista kehitetään myös standardoitua röntgen-vuomonitoria (X-ray Flux Monitor, XFM) ESA:lle ja kaupallisia satelliitteja varten.

BepiColombo on ESA:n johtama Merkurius-luotainhanke. Luotain on tarkoitus laukaista vuonna 2015. Sen hyötykuormaan kuuluva SIXS-laite on kehitetty Helsingin yliopiston, Ilmatieteen laitoksen ja suomalaisten avaruusalan yritysten yhteistyönä. SIXS-laite mittaa Auringon röntgenvuon lisäksi elektroni- ja protonivuota Merkuriuksen lähiavaruudessa. SIXS:n hiukkasilmaisinyksikön pohjalta kehitetään ESA:lle ja kaupallisiin satelliitteihin hiukkassäteilyn ilmaisinta (Energetic Particle Spectrometer, EPS).

Mallinnus ja data-analyysi

Tämän hetken tutkimuksemme tärkeimmät tavoitteet ovat - Ymmärtää ja mallintaa CME-purkauksen syntyä Auringossa ja varhaista kehitystä koronassa - Selvittää miten CME:iden ominaisuudet muuttuvat matkalla Auringosta Maahan - Aurinkotuulen ja Maan magnetofäärin kytkeytyminen CME:iden eri osa-alueiden aikana - Aurinkotuulten rakenteiden vaikutus Maan säteilyvöihin (Van Allenin vyöt)

Auringosta on saatavilla hyvin kattavia havaintosarjoja. Ryhmämme hyödyntää varsinkin ESA:n ja NASA:n SOHO-luotaimen, NASA:n kahden STEREO- ja Solar Dynamics Observatory (SDO)-luotaimen tekemiä tarkkoja aurinkohavaintoja. Näitä havaintoja käyttäen tuotamme mm. kolmiulotteisia malleja CME:istä (Kuva 2). Tulevaisuuden kiehtovimmat näkymät Aurinkoon tarjoavat ESA:n Solar Orbiter ja NASA:n Solar Probe-tiedeohjelmat. Solar Orbiter on Aurinkoa ja aurinkotuulta tutkiva luotain joka lähetetään noin 60 Auringon säteen etäisyydelle Auringosta. Solar Probe puolestaan matkustaa vieläkin lähemmäs Aurinkoa, vain noin kymmenen Auringon säteen päähän. Solar Proben ja Orbiterin toivotaan vastaavaan moniin avoimiin kysymyksiin CME:iden ja aurinkotuulen synnystä ja kehityksestä planeettainvälisessä avaruudessa.

Kuva 2.

Koronan massapurkaus kolmesta eri suunnasta kuvattuna. Alakuvassa näkyy kolmiulotteinen mallinnus.

Pitkän ajan avaruussääennusteiden luotettavuus on nykyisin vielä varsin vaatimatonta. Yksi merkittävimpiä avoimia ongelmia on se, ettei nykymenetelmin pystytä arvioimaan CME:n magneettikentän suuntaa tai voimakkuutta. Ryhmämme tutkimus pureutuu varsinkin tähän ongelmaan. Olemme kehittämässä uudenlaista kytkettyä simulaatiota, joka käyttää SDO:n magnetogrammeja purkautuvien koronan magneettikenttien mallintamiseen (Kuva 2), Lisäksi yhdistämme Hinoden, SDO:n ja STEREO:n röntgen- ja ultraviolettialueenhavaintoja ja magnetogrammeja selvittämään CME:n magneettikentän rakennetta ja CME:n kehittymistä koronassa.

Kuva 3.

(Vasemmalla) MHD malli purkautuvasta koronan massapurkausesta., (Oikealla) Japanilaisen Hinode satelliitin röntgenalueella kuvaama koronan kiertynyt vuoköysi, joka enteilee koronan massapurkausta. Yhdistämällä Hinoden mittauksia SDO:n ja STEREO:n havaintoihin ultraviolettialueella ja magnetogrammeihin saadaan epäsuorasti tietoa purkauksen magneettikentästä.

Yksi mielenkiinnonkohteemme ovat äärimmäiset aurinko- ja avaruussäämyrskyt. Esimerkiksi heinäkuussa vuonna 2012 supernopea ja -voimakas CME törmäsi STEREO-A luotaimeen. Tämä tapaus auttoi selvittämään miten kaikkein voimakkaimmat purkaukset syntyvät ja kuinka vakavia avaruussääseuraukset voivat pahimmillaan olla. Olemme myös osallisena kansainvälisessä Euroopan komission rahoittamassa HELCATS-projektissa (projektia johtaa Rutherford Appleton Laboratory, Englanti), joka kehittää uudenlaisia työkaluja STEREO:n heliosfäärin kuvantajien havaintojen analysoimiseen ja tulkitsemiseen.

Nopeat CME:t ajavat edellään planeettainvälisiä shokkiaaltoja, jotka kiihdyttävät hiukkasia vaarallisen korkeisiin energioihin ja jotka osuessaan Maahan ravistelevat koko magnetosfääriä. Ryhmämme on rakentamassa kattavaa heliosfäärin shokkitietokantaa johon kokoamme tietoa planeettainvälisistä nopeista shokkiaalloista useilta eri luotaimilta. Tietokannan tarkoituksena on tarjota tutkijoille eri luotainten havaitsemat shokit koottuna samaan sivustoon ja analysoituna samalla tekniikalla, sekä suoraviivaisia etsintätyökaluja.

Magnetosfäärin tutkimuksessa tutkimme yhteistyössä Aalto-yliopiston tutkimusryhmän kanssa Suomen akatemian SWIFT-projektissa energian siirtymistä aurinkotuulesta magnetosfääriin (Kuva 4). Projektin tarkoituksena on erityisesti selvittää miten aurinkotuulen turbulenssi vaikuttaa kytkeytymisen voimakkuuteen ja miten CME:iden eri osa-alueet (sheath-alue ja ejekta) ajavat aktiivisuutta Maan lähiavaruudessa. Lisäksi olemme viime aikoina perehtyneet Van Allenin säteilyvöiden saloihin. Van Allenin vyöt koostuvat Maan magneettikentän vangitsemista suurienergisistä elektroneista ja protoneista. Avaruussäämyrskyjen aikana vöiden hiukkaspopulaatio voi muuttua dramaattisesti. Miten ja miksi muutokset tapahtuvat on yksi avaruussäätutkimuksen ajankohtaisimpia kysymyksiä. Vyöt sulkevat sisäänsä myös geostationaarisen radan, jolla kiitää lukuisia tietoliikenne, kaupallisia ja sotilassatelliitteja. Vuoden 2012 lopussa laukaistut NASA:n Van Allen Probe satelliitit tarjoavat ennennäkemättömän kattavaa ja tarkkaa tietoa säteilyvöiden hiukkasista. Ryhmämme selvittää parhaillaan miten Van Allenin vöiden hiukkaset saavuttavat korkeat energiansa ja miten niitä häviää erilaisten aurinkotuuleen rakenteiden aikana.

Kuva 4.

(Vasemmalla) Viiden THEMIS-luotaimen mittauksista viiden vuoden ajalta koottu kartta Maan magnetosfäärin pyrstön virtausnopeudesta (Maahan päin). Vasemman puoleinen kartta kuvaa virtausta eteläisen aurinkotuulen magneettikentän aikana ja oikean puoleinen kartta pohjoisen kentän aikana. Oikealla) Van Allenin luotaimien mittauksia elektronivoista Maan säteilyvöissä. Kuvissa L-parametri kuvaa etäisyyttä Maasta Maan säteissä. Alhaiset energiat (~ 60 keV) ovat kuvassa ylhäällä ja suurimmat energiat alhaalla (> 2 MeV). Kuvassa näkyy miten koronan massapurkauksen iskeytyminen Maahan kiihdyttää elektroneja pienemmissä energialuokissa.

Lisätietoja

Kumpula Space Centre

MHD Simulations of CMEs at UH

Posteri ryhmän aktiviteeteistä (englanniksi)


Henkilökunta

Hannu Koskinen, Professori
Physicum C227
(+358) 50 4155356
hannu e koskinen (at) helsinki fi

Emilia Kilpua, Ylopistonlehtori
Physicum D324
(+358) 50 4155358
Emilia Kilpua (at) helsinki fi

Alexey Isavnin, Tutkijatohtori
Physicum D326
(+358) 50 4155514
alexey isavnin (at) helsinki fi

Jens Pomoell, Tutkijatohtori
Physicum

jens pomoell (at) helsinki fi

Minna Myllys, tohtorikoulutettava
Physicum A219
(+358) 50 4486267
minna myllys (at) helsinki fi

Erika Palmerio, tohtorikoulutettava
Physicum D315

erika palmerio (at) helsinki fi