Juttelin tänään ulkomaalaisen vaihto-oppilaskaverini kanssa. Hän oli kuullut revontulista ja kysyi minulta, että missä ja milloin niitä voisi nähdä. Kerroin hänelle, että niitä näkyy talvella pimeällä ja kirkkaalla taivaalla. Siinä jutellessa tuli mieleeni: mistä revontulet oikein johtuvat?

Yksinkertaistetusti kuvattuna revontulet syntyvät, koska Auringon säteilemät hiukkaset virittävät ilmakehän atomeja ja molekyylejä. Näiden viritysten purkaantumisen tuottama sähkömagneettinen säteily nähdään revontulina.

Eipä sitä tulekaan ajateltua, että Aurinko lähettäisi muuta kuin valoa ja lämpöä. 

Jep, harvemmin tulee ajateltua. Puhutaan erikseen auringon lähettämästä sähkömagneettisesta säteilystä ja auringon säteilemistä hiukkasista.

Aloitetaan tuosta sähkömagneettisestä säteilystä. Me havaitsemme parhaiten Auringon säteilystä sen osuuden, jonka voimme havaita silmillämme. Tällaista säteilyä kutsutaan näkyväksi valoksi. Sen lisäksi Aurinko säteilee myös sitä pidemmän aallonpituuden säteilyä eli infrapunasäteilyä (jonka tunnemme lämpönä) ja sitä lyhyemmän aallonpituuden säteilyä eli ultraviolettisäteilyä.

Kuva 1: Auringon sähkömagneettisen säteilyn voimakkuus aallonpituuden funktiona. 

Kuvassa 1 on keltaisella värillä merkitty auringon säteilyn intensiteetti avaruudessa Maan ilmakehän ulkopuolella, ennen säteilyn saapumista ilmakehään. Punaisella värillä on merkitty säteilyn intensiteetti merenpinnan tasolla eli sen jälkeen kun säteily on kulkenut ilmakehän läpi. Harmaa käyrä on reilun $5000^\circ C$:n lämpöisen mustan kappaleen säteilyspektri, mikä vastaa Auringon pintalämpötilaa. Kuvaan on merkitty myös ne aallonpituudet, joilla ilmakehän eri molekyylit absorboivat säteilyä.

Selitäpä vielä tuo musta kappale.

Aivan, tässä tapauksessa tuo mustan kappaleen nimi ei liity sen havaittuun väriin. Termillä “musta kappale” viitataan fysiikassa ideaaliseen kappaleeseen, joka absorboi kaiken siihen kohdistuvan säteilyn eikä heijasta sitä lainkaan. Musta kappale on myös ympäristönsä kanssa säteilytasapainossa, ja kappaleen pinnan lähettämä säteilyspektri riippuu vain sen lämpötilasta. Kuten kuvasta 1 nähdään, Auringon säteilyn spektri noudattaa melko hyvin samanlämpöisen teoreettisen mustan kappaleen säteilyä, pieniä eroja lukuunottamatta.

Näen kuvasta 1, että maanpinnalle asti pääsevä Auringon säteily on lähinnä näkyvää valoa ja infrapunasäteilyä. Mutta juurihan sanoit, revontulet aiheutuvat nimenomaan hiukkasista.

Tosiaan, Aurinko säteilee myös erilaisia hiukkasia. Tätä hiukkasvirtaa kutsutaan aurinkotuuleksi. Aurinkotuuli syntyy Auringon uloimmassa osassa eli koronassa. Termin keksi ensimmäisenä amerikkalainen fyysikko Egene Parker 1950-luvun loppupuolella, vaikka ilmiöstä kirjoitti kuuluisa tähtitieteilijä Johannes Kepler jo vuonna 1610. 

Aurinkotuuli koostuu tosiaan pääosin elektroneista ja protoneista. Aurinkotuuli virtaa Auringosta jatkuvasti kaikkiin suuntiin. Tuulen havaitsi jo aiemmin mainittu Johannes Kepler 1600-luvun alkuvuosina. Hän tutki komeettoja eli pieniä (noin 10 km halkaisijaltaan) taivaankappaleita, jotka kiertävät Aurinkoa hyvin eksentrisillä eli pitkulaisilla kiertoradoilla (Kuva 2). Komeetat koostuvat pääasiassa jäästä, kivestä, hiilidioksidista ja muista jäätyneistä kaasuista. Kun komeetta tulee riittävän lähelle Aurinkoa, se alkaa sulaa ja sen perässä nähdään pyrstö. Tämä pyrstö aiheutuu Auringosta lähtevistä hiukkasista jotka irrottavat komeetan pinnasta ainetta. Aurinkotuuli puhaltaa komeetan pyrstön osoittamaan aina suoraan poispäin Auringosta. 

Kuva 2: Komeetta C/2014 Q2 (Lovejoy).

Aurinkotuulen määrä ja nopeus vaihtelee auringonpilkkujen mukaan. Auringonpilkut ovat Auringon pinnan alueita, jotka ovat ympäristöään viileämpiä. Ne liittyvät Auringon magneettikentän vaihteluun. Lisäksi Auringosta saattaa välillä purkautua suurempiakin joukkoja hiukkasia (ns. roihupurkaukset ja koronan massapurkaukset).

Onneksi meillä on ilmakehä suojaamassa meitä!

Tosiaan sähkömagneettisen säteilyn tapauksessa meitä suojaa ilmakehä. Aurinkotuulen tapauksessa meitä osaltaan suojaa myös Maan magneettikenttä. Maapalloa voi ajatella suurena sauvamagneettina, jolla on kaksi napaa. Näiden napojen ympärille muodostuu magneettikenttä, joka suuntautuu navalta toiselle. Maan magneettiset navat ovat lähellä pohjois- ja etelänapaa. Magneettikenttä aiheutuu Maan ulkokuoressa liikkuvasta sulasta raudasta ja sen virtauksista. 

Kuva 3: Aurinkotuuli ja Maan magneettikenttä (kuva ei ole oikeassa mittasuhteessa).

Koska aurinkotuuli koostuu sähköisesti varatuista hiukkasista, ne vuorovaikuttavat Maan magneettikentän kanssa. Magneettikenttä ohjaa suuren osan aurinkotuulen hiukkasista Maapallon ohi, mutta osa hiukkasista joutuu magneettikentän vaikutuksesta ikään kuin syöksyvään kierreliikkeeseen kohti magneettisia napoja. Näiden napojen ympärille muodostuu rengasmainen alue eli revontuliovaali, jossa aurinkotuuli saapuu Maan ilmakehään. 

Revontulia on eri värisiä. Sanoit, että revontulet aiheutuvat siitä, että hiukkaset virittävät ilmakehän atomeita ja molekyylejä ja sitten viritykset purkautuvat. Liittyykö revontulien eri värit siihen, että atomeita ja molekyylejä on monia erilaisia?

Kyllä vaan. Ilmakehään saapuessaan aurinkotuulen hiukkaset virittävät ja myös ionisoivat ilmakehän atomeja ja molekyylejä. 

Mitä tarkoittaakaan “virittyminen” tai “ionisaatio”?

Virittymisessä aurinkotuulen hiukkaset törmäävät ilmakehän atomeihin ja molekyyleihin kuten happimolekyyleihin. Törmäyksissä hiukkaset luovuttavat molekyyleille energiaa ja siirtävät molekyylin korkeammalle viritystilalle. Ionisaaatiossa molekyylistä yksi tai useampi elektroni irtoaa kokonaan ja molekyyli saa sähköisen varauksen. Jos haluat tietää virittymiseen liittyvästä kvanttifysiikasta lisää, suosittelen toista MOOC-kurssiamme “Kvanttimekaniikkaa ja suhteellisuusteoriaa yleissivistävästi”. 

Koko tämä prosessi tapahtuu yläilmakehässä eli ionosfäärissä. Kun molekyylit purkavat virityksensä, ne lähettävät sähkömagneettista säteilyä, joista osa on näkyvän valon alueella. Näemme revontulia, kun lukuisten molekyylien viritys purkautuu samanaikaisesti. Kullakin molekyylillä on ominaiset aallonpituudet, ja säteily tapahtuu vain näillä aallonpituuksilla. Koska yläilmakehässä molekyylit eivät ole täysin sekoittuneet, eri osassa ilmakehää muodostuvat revontulet ovat erivärisiä: värit riippuvat siitä, mitkä molekyylit ovat virittyneet. Happimolekyylien viritystilat tekevät revontulista vihreän ja punaisen, typpimolekyylit sinertävän (Kuva 4).

Kuva 4: Revontulet, jossa näkyy eri ilmakehän kerroksissa virittyvät eri molekyylit eri väreinä.

Eli aurinkotuuli törmätessään Maan ilmakehän atomeihin saa aikaan näkyvää valoa jonka me näemme revontulina. 

Juurikin näin!

Aurinkotuulesta puheen ollen, olen kuullut puhuttavan myös aurinkopurjeista? Ovatko ne höpönlöpöä?

Eivät ole. Aurinkotuuli liikkuu Maan kohdalla n. 400 km / s. Samalla tavalla kun tuuli työntää purjelaivaa eteenpäin, voi erityinen aurinkopurje työntää satelliittia eteenpäin. Tarkasti ottaen aurinkopurjeita voi olla kahta tyyppiä. Perinteiset aurinkopurjeet perustuvat säteilypaineeseen eli Auringon sähkömagneettisen säteilyn aiheuttamaan voimaan (Kuva 5). Sähköiset aurinkopurjeet taas koostuvat metallilangoista joissa pidetään positiivista sähkövarausta. Varauksen aiheuttama sähkökenttä toimii aurinkotuulen sisältämille sähköisille varauksille purjekankaan tavoin. Tällaisen sähköisen aurinkopurjeen idean esitti ensimmäinen suomalainen Ilmatieteen laitoksen tutkija Pekka Jantunen vuonna 2006. Tutkimukset sähköisen aurinkopurjeen käytöstä jatkuvat.

Kuva 5: Perinteinen, säteilypaineeseen perustuva aurinkopurje.