Aurinkotuulen synty koronassa

Auringon näkyvän pinnan yläpuolella on harva ja hyvin kuuma kaasukehä, jota kutsutaan koronaksi. Sen kaasu on miljoonien asteiden lämpöistä, mikä on yllättävää, sillä koronan alapuolella oleva Auringon pinta on vain vajaan 6000 asteen lämpöinen. Yleensähän lämpötila pienenee siirryttäessä etäämmälle lämmön lähteestä, tässä tapauksessa Auringon ytimestä. Koronan kuumennuksen tarkka mekanismi on Auringon tutkimuksen isoimpia avoimia ongelmia, mutta ilmeisesti tarvittavan energian välittää Auringon magneettikenttä.

Koska koronan kaasu on niin kuumaa, Auringon painovoima ei riitä sitomaan sitä paikoilleen. Niinpä korona laajenee koko ajan ulospäin. Planeettainvälisessä avaruudessa tätä kaasuvirtausta kutsutaan aurinkotuuleksi. Tarkkaa rajaa, missä koronan voisi sanoa muuttuvan aurinkotuuleksi, ei ole. Jonkinlaisena rajapyykkinä voi pitää sitä, että noin 12 Auringon säteen etäisyydelle asti koronan kaasu pyörii Auringon mukana lähes kiinteän kappaleen tavoin; sitä kauempana aurinkotuulen virtaus muuttuu säteittäiseksi, suoraan poispäin Auringosta.

Aurinkotuulen kaasu on ionisoitunutta eli plasmatilassa. Koska plasma johtaa hyvin sähköä, aurinkotuuli kuljettaa mukanaan myös Auringon tuottamaa magneettikenttää. Tällä aurinkotuulen magneettikentällä on tärkeä osa aurinkotuulen ja Maan magneettikentän välisessä vuorovaikutuksessa.

Aurinkotuulen ominaisuuksia Maan radalla

Aurinkotuuli luonnollisesti ohenee ja sen muutkin ominaisuudet muuttuvat Auringosta loitottaessa. Lähiavaruutemme tutkimuksen kannalta mielenkiintoisinta on, millaisia nuo ominaisuudet ovat maapallon luona, joten kaikki tässä mainittavat lukuarvot kuvaavat aurinkotuulta Maan radan etäisyydellä.

Aurinkotuulen tiheys on tyypillisesti muutama hiukkanen kuutiosenttimetrissä. Nämä hiukkaset ovat pääosin protoneja ja elektroneja, mutta joukossa on noin 8 % heliumytimiä sekä vähäisiä määriä muita Auringossa esiintyviä alkuaineita. Aurinkotuuli on lähes täysin ionisoitunutta, eli kaikki elektronit ovat irronneet atomiytimistä.

Nopeutta aurinkotuulella on keskimäärin 400 km/s. Lämpötila on sadantuhannen asteen suuruusluokkaa, mutta näin harvassa kaasussa sillä ei ole käytännön merkitystä: aurinkotuuli ei ”tunnu” kuumalta. Magneettikentän voimakkuus on muutama nanotesla, mikä on kymmenestuhannesosa maanpinnalla vallitsevasta magneettikentästä.

Aurinkotuuli ei ole kovinkaan tasaista puhallusta, vaan kaikki yllä mainitut suureet vaihtelevat voimakkaasti tuntien ja nopeimmillaan jopa minuuttien ajanjaksoilla. Lisäksi magneettikentän suunta kääntyilee lähes satunnaisesti, mikä vaikuttaa siihen, kuinka tehokkaasti aurinkotuuli häiritsee Maan magneettikenttää. Varsinkin pilkkumaksimien aikana yleiset koronan massapurkaukset syöksevät aurinkotuuleen plasmapilviä, joista rajuimmat vievät aurinkotuulen ominaisuudet hetkellisesti kauas tavanomaisten vaihteluvälien ulkopuolelle.

Auringon napojen suunnissa aurinkotuuli on tyypillisesti noin kaksi kertaa niin nopeaa ja harvempaa kuin Maan ratatasossa. Tämä johtuu siitä, että Maan rata on likimain samassa tasossa Auringon ekvaattorin (päiväntasaajan) kanssa, ja siellä Auringon magneettikenttä on rakenteeltaan silmukkainen. Navoilla magneettikenttä on avoin, joten siellä aurinkotuuli pääsee kiihdyttämään matkaan esteettömämmin. Auringon magneettikenttä on paljon epäsäännöllisempi kuin Maan ja sen rakenne muuttuu jatkuvasti, joten joskus Maan ratatasoonkin saattaa ilmestyä koronan aukoiksi kutsuttuja avoimen magneettikentän alueita. Niistä lähtevä poikkeuksellisen nopea aurinkotuuli lisää Maan magneettikehän aktiivisuutta ja voi aiheuttaa magneettisia myrskyjä.

Heliosfääri

Aurinkotuuli puhaltaa aurinkokunnan puhtaaksi tähtienvälisestä kaasusta ja pölystä. Tätä aurinkotuulen vaikutusaluetta kutsutaan heliosfääriksi ja sen ulkorajaa heliopausiksi. Se on siis eräänlainen suuri kupla, jonka täyttävät Auringosta peräisin oleva kaasu ja magneettikenttä. Heliosfäärin arvellaan ulottuvan Auringosta noin 100 AU:n päähän (1 AU = Maan kiertoradan säde). Kaikki aurinkokunnan planeetat mahtuvat siis kevyesti heliosfäärin sisään.

Matkatessaan ulos heliosfääristä aurinkotuuli törmää ensimmäisenä terminaatiosokkiin. Sellainen virtausta jarruttava iskurintama muodostuu, koska aurinkotuulen virtausnopeus on suurempi kuin nopeus, jolla tieto edessä olevasta esteestä voi edetä kohti ylävirtaa. Ilmiö on sukua yliäänennopeudella lentävän lentokoneen eteen muodostuvalle iskurintamalle. Terminaatiosokin takana on alue, jossa aurinkotuuli hidastuu asteittain lisää, kunnes tullaan aurinkotuulen plasman ja tähtienvälisen plasman raja-alueelle eli heliopausille. Se ei liene tarkka pinta, vaan todennäköisemmin paksu vyöhyke, jossa eri plasmat sekoittuvat. Heliopausilla on myös Auringon magneettikentän ja tähtienvälisen magneettikentän raja.

Aurinkotuulen avulla purjehtiminen

Aurinkotuulta voisi hyödyntää myös pienten avaruusalusten työntövoimana. Tätä varten Ilmatieteen laitoksella kehitetään sähköistä aurinkotuulipurjetta eli lyhyemmin sähköpurjetta, joka on tuore suomalaiskeksintö. Purjeena toimii joukko ohuita metallilankoja eli liekoja, jotka kelataan purjehduksen alkaessa ulos aluksen reunoihin kiinnitetyiltä rullilta. Alus pidetään pyörivässä liikkeessä, jolloin keskipakoisvoima oikaisee lieat säteittäiseen muodostelmaan aluksen ympärille.

Sähköpurjeen ydinoivallus on, että lieoissa pidetään positiivinen sähkövaraus alukseen sijoitetun elektronitykin avulla. Koska aurinkotuulen hiukkaset ovat sähkövarauksellisia, varattujen liekojen ympärille muodostuva sähkökenttä näyttäytyy niille purjekankaaseen vertautuvana esteenä. Näin ohuet lieat saadaan sähköisesti paksunnettua purjeliuskoiksi ilman, että avaruuteen tarvitsisi kuljettaa hankalasti käsiteltävää suurikokoista kalvoa.

Sähköpurjetta ei pidä sekoittaa aurinkopurjeeseen, joka saa työntövoimansa Auringon säteilypaineesta (valosta), ei aurinkotuulesta. Aurinkopurje on vanhempi keksintö, mutta sitä ei ole onnistuttu ottamaan tuotantokäyttöön (pieni koepurje Ikaros laukaistiin onnistuneesti 2010). Aurinkopurjeen vaatiman suuren ja ohuen kalvon kuljettaminen avaruuteen ja avaaminen siellä on teknisesti erittäin vaikeaa. Valo ei tunne sähkökenttää, joten purjepinta-alaa voi luoda sähköisesti vain aurinkotuulelle.

Lisätietoa sähköpurjehankkeen omilta sivuilta.

Mitä on plasma?

Aurinkotuuli on plasmaa; myös koko Aurinko on plasmaa, samoin Maan magneettikehän aine. Plasma on aineen olomuoto, ja suuri osa maailmankaikkeuden aineesta on siinä muodossa.

Plasma on kaasua, jossa ainakin osa atomeista on ionisoitunut eli menettänyt yhden tai useamman uloimmista elektroneistaan. Irronneet elektronit ovat mukana plasmassa, mutta liikkuvat vapaasti positiivisten ionien ja neutraalien atomien seassa. Plasma on kvasineutraalia, eli sillä ei ole nettosähkövarausta: ionien ja elektronien varausten summa on nolla. Toisin kuin ionisoitumaton kaasu, plasma johtaa hyvin sähköä.

Sähkövaraukselliset hiukkaset voivat liikkua vapaasti vain magneettikentän suuntaisesti, eivät sen poikki. Siksi magneettikenttä vaikuttaa voimakkaasti plasman käyttäytymiseen. Vahva kenttä ohjaa plasman liikettä, ja toisaalta plasman virtaukset ja sähkövirrat muovaavat magneettikenttää. Usein sanotaan magneettikentän olevan ”jäätynyt kiinni” plasmaan ja ”liikkuvan” sen mukana; nämä kielikuvat ovat fysikaalisesti epätäsmällisiä, mutta usein käytännöllisiä ajattelutapoja.