Aurinkotuulen tutkija katsoo revontulia eri silmin

Avaruussään tarkka ennustaminen on yhteiskuntamme kannalta elintärkeää. Olemme siinä kuitenkin auttamattomasti meteorologiaa jäljessä. “Se on vähän sama kuin tietäisimme hyvin, että kun pohjoisesta tuulee, meille virtaa kylmää ilmaa, mutta emme tietäisi mitä tapahtuu, kun tuuli kääntyy länteen”, sanoo avaruusfyysikko, akatemiatutkija Lauri Holappa.

Revontulet ovat kaikille napa-alueiden lähellä asuville ihmisille tuttu esimerkki avaruussäästä. Varautuneet hiukkaset tulevat Auringosta Maan magneettikenttään ja virtaavat sen kautta napa-alueille, jossa ne tuottavat taivaalle värejä reagoimalla ilmakehässä typpi- ja happimolekyylien kanssa. Auringon jatkuvat ja valtavat purkaukset voivat kuitenkin saada aikaan aurinkomyrskyn, joka osuessaan Maahan voisi aiheuttaa laajaa tuhoa sähköverkoille ja tietojärjestelmille. Aikaa ennakointiin on vähän: aurinkotuuli voi liikkua jopa parin tuhannen kilometrin sekuntivauhtia, joka näillä etäisyyksillä tarkoittaa vajaata vuorokautta ennen osumista Maahan.

Vuonna 1859 huomiota herättivät poikkeuksellisen kirkkaat revontulet, joita havaittiin jopa lähellä päiväntasaajaa. Sinänsä upeaa näkyä seurasi kuitenkin kummallisia sivuvaikutuksia, sillä lennätinjärjestelmät ympäri maailmaa menivät sekaisin ja jopa lakkasivat toimimasta. Joillain lennätinasemilla havaittiin, että sähkösanomia pystyi lähettämään, vaikka lähettimistä otettiin akut pois, ikään kuin ilma itse välittäisi viestit.

Brittiläinen tutkija Richard Carrington oli havainnut näiden poikkeuksellisten revontulien aikaan auringon pinnalla valtavan auringonpilkkuryhmän sekä ensimmäisen koskaan havaitun roihupurkauksen. Pian tämä yhdistettiin magneettikenttää mittaavien magnetometrien hurjiin lukemiin ja näyttäviin revontuliin. Vuoden 1859 ilmiötä kutsutaankin Carrington-myrskyksi. Saman mittaluokan aurinkomyrskyä ei ole–vielä–koettu nykyaikana, kun jokapäiväinen elämämme riippuu aivan eri tavalla sähkö- ja tietoliikennejärjestelmien toiminnasta.

Hiukkasmyrskyjen tutkiminen ja ennustaminen liittyy Lauri Holapan tutkimukseen. Holappa tekee Oulun yliopiston avaruusfysiikan ja tähtitieteen tutkimusyksikössä perustutkimusta, eikä itse suoraan laske esimerkiksi sähköverkkoihin kohdistuvaa kuormitusta, vaikka sellainenkin osaaminen on Suomessa hyvin korkealla tasolla. Holappaa kiinnostaa avaruussään ja tarkemmin aurinkotuulen ja sen vaikutusten tutkiminen ja ymmärtäminen, sillä siinä on vielä paljon tuntematonta.

“Perusongelma on systeemin valtava koko ja monimutkaisuus. Maan sääkin on monimutkainen kokonaisuus, mutta meillä on suuri määrä mittareita ja sensoreita, jotka tuottavat tietoa. Laivat mittaavat merien lämpötilaa, lentokoneista ja satelliiteista saadaan tarkkaa tietoa ilmakehästä ja maan päällä on lukuisia mittareita. Avaruudessa niitä on suhteessa hyvin vähän”, Holappa sanoo.

Yksinkertainen kysymys paljastaa monimutkaisen ilmiön

Holapan tutkimuksen ytimessä on yksinkertainen kysymys: miten aurinkotuulen magneettikentän muutokset vaikuttavat hiukkassateeseen? Hän havainnollistaa asiaa liitutaululla.

Maan magneettikenttä suuntautuu etelänavalta pohjoisnavalle. Päiväpuolella eli Auringon puolella oleva magneettikenttä painuu Maata vasten ja yöpuolella se avautuu pyrstömäiseksi. Magneettikenttä suojaa meitä hiukkasilta ja säteilyltä ja mahdollistaa osaltaan elämän Maapallolla. Aurinkotuuli avaa Maan magneettikenttää ja varautuneet hiukkaset pääsevät maanpinnalle.

“Tämä asia on ymmärretty hyvin jo 1960-luvulta asti. Kaksiulotteisessa mallissa aurinkotuulen magneettikenttä avaa Maan magneettikentän, kun nämä kaksi kenttää ovat vastakkaissuuntaisia. Tässä prosessissa avautuu tie aurinkotuulen hiukkasille Maan lähiavaruuteen, missä magneettikenttä kuljettaa ne napa-alueille”, Holappa sanoo ja piirtää alaspäin eli etelään osoittavan nuolen.

“Aurinkotuulen magneettikenttä voi olla kuitenkin minkä suuntainen tahansa, jolloin kyse on kolmiulotteisesta tilanteesta, eikä tätä tunneta hyvin”, Holappa sanoo ja piirtää aurinkotuulen magneettikentän osoittamaan ensin läpi liitutaulusta viereiseen toimistoon ja sitten liitutaulusta ulos omaan toimistoonsa.

Holapan mukaan aurinkotuulen ominaisuudet vaikuttavat hiukkassateeseen, joka taas vaikuttaa ilmakehän yläosan, ionosfäärin sähkövirtoihin. Ionosfäärin muuttuvat virrat toimivat keittiön induktiolieden tapaan: muuttuvat sähkövirrat ionosfäärissä indusoivat virtoja maan pinnalla oleviin sähköverkkoihin samaan tapaan kuin induktiolevy lämmittää kattilaa.

Se, miten ionosfäärin sähkövirtojen liikkeet tarkkaan ottaen kytkeytyvät aurinkotuuleen, on teoreettisesti hyvin vaikea asia. Ionosfäärin sähkövirtojen tarkkaa rakennetta ei vielä tunneta. Holappa odottaa mielenkiinnolla lähiaikoina valmistuvan EISCAT3D-tutkan mittauksia, jotka valaisevat sähkövirtojen rakennetta alle sadan kilometrin mittakaavassa, mikä on tämänhetkisten mittaustekniikoiden ulottumattomissa. Holappa vetää Oulun yliopistossa ICONIC-hanketta, jossa pyritään vastaamaan näihin avaruussään mallintamiseen liittyviin haasteisiin.

“Tämän tapahtumaketjun ymmärtäminen paremmin auttaisi myös sähköverkkojen häiriöiden ennakoimista”, Holappa sanoo.

Aurinkotuulessa riittää tutkittavaa

Holappa kertoo olleensa pienenä kiinnostunut avaruudesta ja revontulista samaan tapaan kuin lapset yleensä, mutta ei halunnut esimerkiksi kouluiässä erityisesti avaruustutkijaksi. Koulussa häntä kiinnostivat urheilun eli keskimatkojen juoksun lisäksi fysiikka ja luonnonilmiöt, ja lopulta kesätyöpaikka avaruusfysiikan ryhmässä vei mukanaan ja Holappa päätyi opiskelemaan alaa.

Hän väitteli vuonna 2017 ja on sen jälkeen käynyt Yhdysvalloissa kahdella vajaan vuoden mittaisella post doc -pestillä NASA:n Goddard Space Flight Centerissä Washington D.C.:n alueella. Hän muistaa pitäneensä esitelmää aurinkotuulen magneettikentän suunnan vaikutuksesta hiukkassateeseen NASA:n tutkijoille, jotka innostuivat Holapan tutkimusongelmasta.

“He näkivät, että kyseessä on oikea kysymys ja ilmiö, jota täytyy tutkia. Asiat eivät menekään odotusten mukaan. Olimme löytäneet jotain, joka innosti muitakin tutkijoita ja josta on seurannut paljon kansainvälistä yhteistyötä ja jatkotutkimusta”, Holappa sanoo.

Holappa ohjaa oman tutkimuksensa lisäksi kahta väitöskirjatutkijaa ja ICONIC-hankkeen lisäksi hän on akatemiatutkijana Suomen Akatemian MIDAS-hankkeessa. MIDAS liittyy läheisesti ICONIC-hankkeeseen, mutta eroaa siitä tutkimusmenetelmien osalta. MIDAS-hankkeessa käytetään paljon suurteholaskentaa yhteistyössä NASA:n tutkijoiden kanssa.

Liitutaululle piirretyssä kuviossa riittääkin tutkimusaiheita pitkäksi aikaa, ja Holappa sanoo viihtyvänsä tutkimuksensa ja ohjaustyönsä parissa todella hyvin. Avaruussään tutkiminen edistyy hyvää vauhtia ja ottaa kiinni maanpäällistä vastakappalettaan, meteorologiaa, koko ajan. Tutkimusta helpottavat piensatelliittien kustannusten laskeminen, jonka vuoksi taustalla ei tarvitse aina olla NASA:n tai ESA:n kokoisia organisaatioita, vaan voidaan hyödyntää kaupallisia toimijoita. Tietokoneiden laskentatehon kasvaminen auttaa myös niin sanotun tyhjän avaruuden ongelmassa, kun voidaan kehittää tarkempia tietokonemalleja avaruudesta, mistä Suomessa on erittäin korkeaa asiantuntemusta.

Mutta mitä avaruusfyysikko näkee, kun hän katsoo helmikuisena iltana revontulia pohjoisella taivaalla?

“Katson samaan aikaan netistä reaaliaikaisia mittauksia aurinkotuulesta ja Sodankylän observatorion lukuja ja yritän päätellä, voimistuvatko ne vai ei. Emme ymmärrä läheskään kaikkea revontulista tänäkään päivänä ja ne ovat niin monimutkainen ja dynaaminen ilmiö, että vaikeaa se onkin. Ilmiön kompleksisuus kiinnostaa, mutta toki eläväisiä revontulia voi myös ihailla muuten vain”, Holappa sanoo.

Lauri Holapan tutkijaprofiili: https://www.oulu.fi/fi/tutkijat/lauri-holappa

ICONIC-hanke: https://www.oulu.fi/en/projects/iconic

Kvantum-instituutin Emerging-projektit 2023-2026 löytyvät täältä.

Teksti: Janne-Pekka Manninen
Kuvat: Janne-Pekka Manninen, Lauri Holappa