Avaruusmyrskyt - magneettikehän dynamiikkaa

Magneettikehä on jatkuvassa liikkeessä: plasma kiertää sen sisässä ohi virtaavan aurinkotuulen pyörittämänä kuin akanvirta koskessa kiven takana. Magnetosfääri myös reagoi herkästi aurinkotuulen ominaisuuksien muutoksiin. Melko vähäisetkin vaihtelut saavat sen varastoimaan ja vapauttamaan magneettista energiaa alimyrskyiksi kutsuttuina sykäyksinä. Rajummat puuskat ja erityisesti koronan massapurkausten lähettämät magneettiset pilvet saavat aikaan pitempiä ja voimakkaampia häiriöjaksoja, varsinaisia magneettisia myrskyjä. Näistä magneettikehän ilmiöistä syntyy avaruussää.

Plasman kierto magneettikehässä

Plasman liike Maan magneettikehässä riippuu olennaisesti magnetopausille iskeytyvän aurinkotuulen magneettikentän suunnasta. Voimakkaimmillaan magnetosfäärin sisäinen kiertoliike on silloin, kun aurinkotuulen kenttä osoittaa etelään. Silloin aurinkotuulen kenttä ja pohjoiseen osoittava Maan magneettikenttä ovat vastakkaissuuntaiset magnetopausin nokalla, missä aurinkotuulen virtauspaine painaa niitä vastakkain (piste A oheisessa kuvassa).

kenttäviivojen liike magneettikehässä

Siniset nuolet kuvaavat plasman virtausta magneettikehässä ja mustat viivat magneettikenttää. Punaiset viivat ovat juuri uudelleenkytkeytymässä olevia kenttäviivoja. Numerot kuvaavat liikkeen vauhtia minuuteissa, kun aurinkotuulen nopeus on 500 km/s.
 

Vastakkaissuuntaiset magneettikentät sulautuvat yhteen niin, että kenttäviivojen kytkökset muuttuvat: irtonaisesta aurinkotuulen kenttäviivasta ja suljetun silmukan muodostaneesta Maan kenttäviivasta tulee kaksi toisesta päästään Maahan kytkeytyvää kenttäviivaa, jotka läpäisevät magnetopausin. Sen ulkopuolella aurinkotuulen virtaus kuljettaa kenttäviivoja ja raahaa myös niiden magneettikehän sisäpuolella olevaa osaa Auringosta poispäin. Näin aurinkotuuli "kuorii" magneettikenttää magneettikehän päiväpuolelta ja kuljettaa sitä pyrstöön.

Pyrstön virtalevyssä kenttäviivat yhtyvät uudestaan (pisteessä B), jolloin niistä muodostuu taas suljettuja silmukoita. Silmukat vetäytyvät lähemmäs Maata ja kiertävät sen sivuitse takaisin päiväpuolelle. Pisteen B takana irronneet kenttäviivojen osat poistuvat pyrstön takapäästä ja sulautuvat takaisin aurinkotuuleen.
Aurinkotuulen magneettikentän osoittaessa pohjoiseen kentät eivät sulaudu magnetopausin nokalla. Sitä voi tapahtua vähäisemmässä määrin magnetopausin reunoilla. Magneettikehän kiertoliike on tuolloin hitaampaa ja vähemmän selväpiirteistä.

”Kenttäviivojen liikkeestä” puhuttaessa on muistettava, että se, mikä avaruudessa todella liikkuu, on plasma: ionit ja elektronit.  Magneettikenttä itsessään ei ole olio, joka voisi ”liikkua”. Mutta koska kenttä järjestää ja ohjaa plasman liikettä, ja toisaalta kenttä muuttuu ikään kuin se liikkuisi plasman mukana, on käytännöllistä kuvitella mielessään plasman mukana liikkuvia kenttäviivoja.

Alimyrskyt

Magneettikehän kiertoliike on harvoin tasaista. Tyypillisin siihen liittyvä häiriö on alimyrsky, joka kestää 2–4 tuntia ja joita sattuu rauhallisinakin aikoina keskimäärin pari kertaa vuorokaudessa.

Alimyrskyssä erotetaan yleensä kolme vaihetta. Kasvuvaiheessa aurinkotuuli ja sen etelään osoittava magneettikenttä syöttävät energiaa magneettikehään ajamalla sen kiertoliikettä edellä kuvaillulla tavalla. Pyrstön virtalevy ei pysy vauhdissa mukana, joten magneettivuota kasaantuu pyrstöön. Pyrstö paksunee ja sen magneettivuon tiheys kasvaa. Pyrstölohkojen kasvava paine puristaa pyrstön plasma- ja virtalevyn ohuemmaksi.

Laajenemisvaihe käynnistyy, kun paksuuntunut pyrstö muuttuu epävakaaksi ja sen magneettikenttä alkaa purkautua. Sähkövirran kulku pyrstön plasmalevyssä häiriintyy, ja sinne syntyy uusi pyrstölohkojen magneettikenttien kytkeytymiskohta suhteellisen lähelle Maata, tyypillisesti noin 30 Maan säteen päähän. Pyrstön sisäosa ikään kuin katkeaa, jolloin osa kytkeytymiskohdan takaisesta magneettivuosta pääsee karkaamaan aurinkotuuleen. Samalla ilmakehään suuntautuvat kentänsuuntaiset virrat vahvistuvat ja synnyttävät voimakkaita virtoja napa-alueiden ionosfääriin.  Näiden virtojen aiheuttamien magneettisten häiriöiden suuruutta mitataan useilla magnetometriasemilla, ja tuloksista muodostetaan mm. AE-indeksi, jota käytetään alimyrskyn voimakkuuden mittana. Laajenemisvaiheen alkaessa keskiyön tienoilla revontulet kirkastuvat, niihin rauhallisten kaarien oheen eloisampia ja värikkäämpiä muotoja ja niiden taivaankannesta kattama alue laajenee purkauksen alkukohdasta itään, länteen ja pohjoiseen.

Kun pyrstöön varastoitunut magneettivuo on huvennut riittävästi tai kun aurinkotuulen ominaisuudet muuttuvat niin, että uuden magneettivuon syöttö sieltä pyrstöön heikkenee, magneettikehä siirtyy palautumisvaiheeseen, jossa se palautuu normaalitilaansa. Palautumisvaiheen aikana ionosfäärissä voi edelleen näkyä kirkkaita revontulimuotoja, muun muassa itään päin vaeltavia kiemuraisia nauhoja (nk. omega-nauhoja). Tyypillisesti alimyrskyn kasvuvaihe kestää alle tunnin, laajenemisvaihe puoli tuntia ja palautumisvaihe 1–2 tuntia.

Magneettiset myrskyt

Magneettinen myrsky on useista tunneista useisiin päiviin kestävä magneettisesti häiriintynyt ajanjakso. Myrskyn aikana tapahtuu usein monia peräkkäisiä, osin päällekkäisiäkin alimyrskyjä, jotka seuraavat toisiaan niin nopeasti, ettei magneettikehä ehdi palautua lepotilaansa niiden välillä. Tästä alimyrskyt ovat saaneet nimensä; ne ovat kuitenkin itsenäinen magnetosfäärin prosessi, ja niitä esiintyy myös yleisesti ilman mitään yhteyttä varsinaisiin myrskyihin. Toisaalta varsinkin rajuimpien myrskyjen aikana koko magneettikehä voi olla niin sekaisin, ettei sen jatkuvasta voimakkaasta aktiivisuudesta pysty erillisiä alimyrskyjä erottamaan.

Magneettisen myrskyn selvin alkamismerkki maan päällä on magneettikentän maanpinnan suuntaisen komponentin äkillinen heikkeneminen, joka havaitaan selvimmin matalilla leveysasteilla. Se johtuu Maata kiertävän rengasvirran nopeasta voimistumisesta, kun lisääntynyt magneettikehän aktiivisuus pumppaa siihen lisää hiukkasia. Myrskyn päättyessä rengasvirta tyhjenee hitaasti ja niinpä magneettikenttäkin palautuu normaalitasolleen verkkaisesti.

Alimyrsky on aina samantapaisena toistuva prosessi, jonka kestokin määräytyy suurelta osin magneettikehän sisäisestä dynamiikasta. Myrsky ei ole samalla lailla säännönmukainen tapahtuma. Myrsky kestää niin kauan kuin poikkeuksellinen aurinkotuuli magneettikehää riepottelee. Myrskyyn liittyy magneettisia häiriöitä maanpinnalla – myös rengasvirran aiheuttamaa häiriötä nopeatempoisempia vaihteluja erityisesti korkeilla leveysasteilla – sekä suurienergiaisten hiukkasten ryöppyjä avaruudessa ja sieltä ilmakehään. Magneettisten myrskyjen aikana revontuliakin voi esiintyä paljon tavanomaisen revontulivyöhykkeen eteläpuolella, jopa välimeren leveysasteilla (ja eteläisellä pallonpuoliskolla vastaavasti normaalia pohjoisempana).

Pienehkön magneettisen myrskyn voi aiheuttaa esimerkiksi niin kutsutusta koronan aukosta tuleva tavallista nopeampi aurinkotuulen virtaus Maan suuntaan osuessaan. Isoimmat myrskyt liittyvät kuitenkin koronan massapurkausten avaruuteen heittämiin magneettisiin pilviin. Myrskyn rajuus riippuu ennen muuta pilven magneettikentän voimakkuudesta ja suunnasta (etelään osoittava kenttä on tehokkain), mutta myös pilven nopeudella on merkitystä. Koronan massapurkausten esiintymistaajuus ja voimakkuus vaihtelevat auringonpilkkuluvun mukaan, joten isoimmat magneettiset myrskytkin koetaan useimmiten pilkkumaksimin aikaan tai vähän sen jälkeen.