Uusia kontribuutioita VLF-radioaaltojen häiriöihin mitattuna korkeilla leveysasteilla

Olet todennäköisesti huomannut, että ääni voi kulkea metalliputkessa paljon selkeämmin ja kauemmaksi kuin ilmassa. Sama pätee valokuituoptiikkaan, jossa valosignaalit (Internet!) kulkevat pitkiä matkoja hyvin pienellä vääristymällä. Syy tällaiseen käyttäytymiseen on, että molemmat ovat aaltoputkia, jotka kuljettavat signaaleja lähteestään vastaanottimeen.

Vastaavalla tavalla Maa ja alempi ionosfääri (alkaen noin 70 km maan pinnalta ylöspäin, lentokoneiden reittien yläpuolella ja satelliittien kiertoratojen alapuolella) muodostavat luonnollisen aaltoputken radiosignaalien etenemiselle nimeltään maa-ionosfääriaaltoputki. Radiosignaali, joka voi edetä tämän aaltoputken sisällä, on taajuusalueella 3–30 kHz, jota kutsutaan hyvin matalataajuiseksi (engl. very low frequency, VLF). Nämä aallot voidaan tuottaa rakennuksen korkuisella radioantennilla ja vastaanottaa tankotyyppisellä (sähkökomponentti) tai silmukkatyyppisellä (magneettinen komponentti) antennilla. Lisäksi VLF-aaltoja voi syntyä luonnollisesti myös maapallolla esimerkiksi salaman tuottamana.

Jos mistä tahansa syystä tämän aaltoputken yläraja liikkuu alas tai ylös, radiosignaalin eteneminen on häiriintynyt eikä vastaanotettu radiosignaali ole sama. Erilaiset fysikaaliset ilmiöt voivat merkittävästi muuttaa alempaa ionosfääriä. Näiden ilmiöiden alkuperä voi olla maapallolla (esim. salamointi), aurinkokunnassa (esim. avaruussääilmiöt) tai ne voivat tulla kauempana sijaitsevista kohteista (esim. galaktiset gammasäteilypurkaukset). Siksi käyttämällä signaalin etenemistä voimme tutkia eri ilmiöiden vaikutuksia alempaan ionosfääriin.

Väitöstyön tavoitteena oli analysoida Pohjois-Suomessa mitattuja lyhyen ja pitkän aikavälin VLF-vaihteluita ja niiden yhteyksiä eri ilmiöihin. Tärkeimmät tulokset ovat:
(i) Vähimmäisenergia, joka Auringon roihupurkauksella tulisi olla ionosfääristen häiriöiden aikaansaamiseksi, on käänteisesti verrannollinen Auringon aktiivisuusjaksoon.
(ii) VLF-mittauksissa esiintyvän puolivuotisen vaihtelun määritettiin olevan yhteydessä geomagneettisen aktiivisuuden muutoksiin. Samanaikaisesti havaittiin, että Auringon 27 päivän pyörimisjaksoa vastaava vaihtelu on hallitseva Auringon aktiivisuuden laskuvaiheessa.
(iii) Auringonnousuun liittyvät VLF-signaalin vaihemuutokset ovat peräisin lyhyen aallonpituuden Auringon UV-säteilyn varjostamisesta, joka johtuu stratosfäärin otsonin imeytymisestä Auringon noustessa.
(iv) Laajakaistaisten VLF-emissioiden raitainen rakenne havaitaan ajoittain taajuusalueella 16–39 kHz. Näitä taajuuksia ei yleensä käytetä luonnollisten magnetosfääristen – ts. alueelta, jota hallitsee Maan magneettikenttä – VLF-emissioiden tutkimiseen. Näiden havaintojen selittämiseksi esitettiin kaksi erilaista hypoteesia. Ensinnäkin ne saattavat olla peräisin magnetosfääristä, kuten revontulien suhina-aalloista. Toiseksi ne voisivat muodostua Maa-ionosfääriaaltoputkessa, kuten salaman aiheuttamien VLF-signaalien pitkän matkan etenemisen tapauksessa.

Väitöstutkimuksen tuloksia voidaan käyttää tunnistamaan ne ajat, jolloin satelliittiviestintään tai satelliittien sijaintidataan ei pitäisi luottaa. Siksi näillä tuloksilla on mahdollista osaltaan ylläpitää luotettavaa viestintää ja tarkkoja navigointijärjestelmiä. Varsinkin, kun ihmiskunta on nykyään yhä riippuvaisempi teknologiasta, luotettavilla viestintä- ja navigointijärjestelmillä on keskeinen merkitys monille teollisuuden ja ihmisten elämän aloille.