Mykistynyt mittalaite
”My God, Space is radioactive!” huudahti Ernie Ray. Oli vuosi 1958 ja Yhdysvaltain avaruushallinnon ensimmäinen satelliitti Explorer 1 oli juuri löytänyt Maata ympäröivät säteilyvyöt.
Ray työskenteli Iowan yliopistossa professori James Van Allenin johtamassa tiimissä, joka oli suunnitellut ja rakentanut Explorerin mukana matkanneen Geiger-putken. Instrumentti mittasi suunnitelmien mukaan kosmisia säteitä aina tuhannen kilometrin korkeudelle asti. Sitten se mystisesti hiljeni.
Mittalaitteen mykistymisen syyksi paljastui siis odottamattoman voimakas korkeaenergiaisten hiukkasten pommitus. Seuraavana vuonna joukko luotaimia teki lisää mittauksia ja havaittiin, että planeettaamme ympäröi kaksi erillistä korkean säteilyn - Van Allenin – vyötä; sisempi protonivyö ja ulompi elektronivyö, joka ulottautuu noin seitsemän Maan säteen etäisyydelle.
Pian selvisi myös, että protonivyö on suhteellisen vakaa, mutta elektronivyö jatkuvassa myllerryksessä. Lähes valonnopeudella kulkevat elektronit saattavat ilmestyä vain sekunneissa ja vastaavasti vyö voi hetkessä tyhjentyä lähes kokonaan. Hurjimmat muutokset tapahtuvat ”säteilyvöiden sydämessä”, eli noin 4-5 Maan säteen etäisyydellä.
Tässä kertomuksessa keskitymme ulompaan elektronivyöhön.
Magneettisen pullon vangit
Van Allenin vöiden löytyessä tunnettiin jo perusteet miten varatut hiukkaset liikkuvat Maan magneettikentässä. Ensinnäkin elektronit kieppuvat pientä ympyränmuotoista rataa noin millisekunnin pyörähdysvauhdilla. Samalla ne poukkoilevat eteläisen ja pohjoisen pallonpuoliskon välillä vangittuina Maan magneettikentän muodostamaan magneettiseen pulloon. Edestakaiseen ponnahdukseen pullossa kuluu noin sekunnin verran. Lisäksi elektronit kulkeutuvat itään päin Maan ympäri kerran muutamassa minuutissa.
Elektroneita Maan magneettikentän vankina. Elektronit liikkuvat magneettikentän suuntaisesti pyörien samalla nopeasti kentän ympäri. Jos elektronilla ei ole liikaa kentän suuntaista nopeutta ne ponnahtavat voimakkaasta kentästä napa-alueiden lähellä. Samalla elektronit myös kulkeutuvat Maan ympäri. Hiukkasten radat ovat keltaisella ja Maan magneettikentän kenttäviivat sinisellä. Kuva: NASA
Mutta miten elektronit päätyivät pulloon ja miten ne saivat valtavan nopeutensa?
Näitä kysymyksiä on pohdittu jo vuosikymmeniä, mutta ne ovat vielä osin vastausta vailla. Ulompi säteilyvyö on hämmästyttävän monimutkainen systeemi, jonka tutkimus pureutuu vaikeimpaan plasmafysiikkaan. Se ei paljasta salaisuuksiaan helpolla ja uudet mittaukset osoittavat aina jotain yllättävää.
Säteilyvöiden dynamiikkaa kontrolloi planeettaamme lähiavaruutta riepotteleva aurinkotuuli ja siitä seuraavat muutokset Maan magneettikentässä. Elektronin kohtalon ratkaisee useiden prosessien yhteisvaikutus. Keskiössä on aaltojen ja elektronien energianvaihto.
Avaruus täynnä aaltoliikettä
Avaruusmyrskyjen aikana Maan magneettikehä täyttyy plasma-aalloista, joiden tahdissa elektronit tanssivat.
Säteilyvyön elektroni kiitää siis halki nopeasti muuttuvan avaruuden ja kohtaa matkallaan useita erilaisia plasma-aaltoja. Haasteena on lisäksi se, että tietty aalto voi paitsi kasvattaa elektronin energiaa, myös vapauttaa sen magneettikentän vankilasta.
Esimerkkinä ovat hyvin matalataajuiset (Ultra Low Frequency; ULF) aallot, jotka liittyvät koko geomagneettisen kentän sykkimiseen. ULF-aallot potkivat vangittuja elektroneja niiden kiertäessä Maata ympäri. Elektronit siirtyvät joko lähemmäksi tai kauemmaksi Maasta ja samalla niiden energia (ja nopeus) kasvaa tai vähenee.
Nopeasti heilahtelevat syklotroni- ja kuoroaallot potkivat puolestaan elektroneja niiden pyöriessä magneettikentässä. Kuoroaaltojen potkut kiihdyttävät elektroneita niin, että ne pysyvät edelleen vangittuina magneettisessa pullossa. Suurimpien energioiden saavuttamiseksi kuorolaulun täytyy kuitenkin soida tarpeeksi pitkään, sillä aallot kiihdyttävät elektroneja pikkuhiljaa.
Syklotroniaallot ja voimakkaimmat kuoroaallot sen sijaan sirottavat elektroneja pullosta yläilmakehään, missä ne törmäävät neutraaleihin atomeihin. Näillä säteilyvöistä karanneilla korkeaenergiasilla elektroneilla on merkittäviä vaikutuksia ilmakehän kemiaan ja otsonin määrään.
Huippuyksikön säteilyvyötutkimusta
Huippuyksikkömme selvittää miten aurinkotuulen rakenteet (Auringosta peräisin olevat purkauspilvet, niiden edellä ajamat turbulentit välivyöhykkeet, sekä nopean ja hitaan aurinkotuulen vuorovaikutusalueet) vaikuttavat Maan lähiavaruuden aaltoihin, sekä prosesseihin, jotka kiihdyttävät ja poistavat säteilyvöiden elektroneita.
Kiihdyttääkö elektroneja pääosin ULF aaltojen aiheuttama kulkeutuminen vai kuoroaaltojen potkut? Tyhjenevätkö vyöt elektronisateesta ilmakehään vai katoavatko elektronit Maan magneettikehän ulkoreunalle?
Julkaisimme vuonna 2019 kaksi aiheeseen liittyvää tutkimusta Journal of Geophysical Research-lehdessä, joissa käytimme kahden, vuonna 2012 laukaistun Van Allen-luotaimen mittauksia.
Ensimmäisessä julkaisussa (Turner et al., 2019) teimme kattavan tilastollisen analyysin ulomman vyön elektronien vaihteluista geomagneettisten myrskyjen aikana koko Van Allenin-luotainmission ajalta. Tulokset painottavat muutosten merkittävää riippuvuutta elektronien energiasta ja etäisyydestä Maasta. Muutosten ennustettavuus parani selvästi, kun järjestimme mittaukset aurinkotuulen rakenteiden mukaan.
Toisessa julkaisussa (Kilpua et al., 2019) tutkimme matkan varrella Auringosta Maahan yhteen sulautuneiden koronan massapurkausten vaikutuksia säteilyvöihin. Havaitsimme, että tällaisen monimutkaisen rakenteen aikana korkeaenergiaiset elektronit pääsääntöisesti katoavat säteilyvöistä, kun taas matalamman energian elektronivuot vuoroin kasvavat, vuoroin vähenevät. Nopeat elektronit ilmestyivät vasta purkauspilven aikana, joka osui Maan magneettikehään vain reunastaan. Tällöin ULF- ja kuoroaallot pääsivät yhdessä kiihdyttämään elektroneja. Analyysimme osoitti myös, että purkauksen välivyöhykkeen pyyhkiessä Maan ohitse on lähiavaruudessamme poikkeuksellisen paljon plasma-aaltoja.
Kuoroaaltoja Van Allen-luotainten havaitsemana Maahan reunastaan osuneen koronan massapurkauksen aikana. Aallot sijaitsevat kahden violetin käyrän välissä. Kuva vastaa Kilpua et al. 2019 analyysin jaksoa.
Piensatelliitilla säteilyvöiden sydämeen
Muun muassa satelliitit geostationaarisella radalla sekä navigaatio- ja kommunikaatiosatelliitit kulkevat uloimman säteilyvyön lävitse. Korkeaenergiaiset ”tappajaelektronit” tunkeutuvat satelliitin suojauksen lävitse ja varaavat sen rakenteita sähköisesti. Seurauksena voi olla kohtalokas sisäinen sähköpurkaus, joka vahingoittaa elektroniikkaa ja pahimmallaan tappaa koko satelliitin.
Pikkuiset nanosatelliitit ovat erityisen haavoittuvaisia. Niiden komponentteja ei ole suunniteltu kestämään säteilyä ja niiden rungon tarjoama suojaus on ohuempaa kuin isojen satelliittien.
Huippuyksikkömme toinen oma nanosatelliitti FORESAIL-2 lähetetään rohkeasti suoraan säteilyvöiden sydämeen. Yksi hankkeen päätehtävistä onkin selvittää kauanko pieni satelliitti selviää hankalissa säteilyolosuhteissa. Satelliittiin suunnitellaan uudenlaisia autonomisia varojärjestelmiä, joiden uskomme pidentävän merkittävästi sen elinikää.
Lisäksi FORESAIL-2 tulee tekemään tärkeitä tiedemittauksia. Luotain mittaa elektroneja useilla eri energioilla ja etäisyyksillä Maasta. Mittaamme myös magneettikenttää ja sen aaltoja, erityisesti ULF ja syklotroniaaltoja.
Julkaisut:
Turner, D., E.K.J. Kilpua, H. Hietala, S.G. Claudepierre, T.P. O’Brien, J.F. Fennell, J.B. Blake, A.N. Jaynes, S. Kanekal, D.N. Baker, H.E. Spence, J-F. Ripoll, and G.D. Reeves, The response of Earth’s electron radiation belts to geomagnetic storms: Statistics from the Van Allen Probes era including effects from different storm drivers, J. Geophys. Res., 10.1029/2018JA026066, 2019.
Kilpua, E.K.J., D.L. Turner, A. Jaynes, H. Hietala, H.E.J. Koskinen, A. Osmane, M. Palmroth, T.I. Pulkkinen, R. Vainio, D. Baker, S. Claudepierre, Outer Van Allen radiation belt response to interacting interplanetary coronal mass ejections, J. Geophys. Res., doi:10.1029/2018JA026238, 2019