Luotainten määränpäänä kosketusetäisyys Aurinkoon

Maata kohti paiskautui Auringosta miljardeja tonneja hehkuvan kuumaa kaasua.

Kaasukupla oli 30 kertaa niin suuri kuin maapallo, ja jos sen sisältämät sähköisesti varautuneet hiukkaset olisivat osuneet Maahan, satelliitit olisivat eksyneet kiertoradoiltaan ja sähköverkot Maan päällä olisivat tuhoutuneet.

Vuoden 2012 heinäkuun 23. päivän auringonpurkaus oli rajuin 150 vuoteen, mutta onneksi se kulki Maan ohitse. Jos purkaus olisi tapahtunut vain viikkoa aikaisemmin, kaasukupla olisi osunut Maahan.

Seuraukset olisivat olleet katastrofaaliset, ja tutkijoiden mukaan niiden korjaaminen olisi kestänyt vähintään neljä vuotta ja pahimmassa tapauksessa vuosikymmenen.

Sittemmin Auringon aktiivisuus on vähentynyt. Suuria kaasupurkauksia on ollut entistä vähemmän ja ne ovat olleet heikompia.

Vuonna 2020 aktiivisuuden on kuitenkin arvioitu kääntyvän uudelleen kasvuun, ja Maa on taas vaaravyöhykkeessä.

Siksi Euroopan avaruusjärjestö Esa lähettää helmikuussa Orbiter-aurinkoluotaimen itse paikalle tarkkailemaan aurinkopurkausten syntyä ja kulkua.

Toiveena on, että Orbiter yhdessä muiden luotainten, satelliittien ja teleskooppien kanssa voi olla alku järjestelmälle, joka varoittaa ajoissa, kun Aurinko taas hurjistuu.

Aurinko antaa Orbiterille vauhtia

Orbiter laukaistaan avaruuteen Yhdysvaltojen avaruuskeskuksesta Cape Canaveralista.

Matkalla se tekee kierrokset Venuksen ja Maan ympäri ja saapuu Auringon lähituntumaan kahden vuoden kuluttua.

Orbiterin tehtävänä on selvittää, miten magneettikentät ja hiukkaset vaikuttavat Auringon kaasukehään eli koronaan.

Se voi auttaa tutkijoita ymmärtämään heliosfäärin eli Aurinkokuntaa ympäröivän Auringon vaikutusalueen olemusta.

Monet prosessit, joita Auringossa tapahtuu, eivät näy Maahan, koska Aurinko pyörii akselinsa ympäri ja iso osa pinnasta on Maasta katsottuna väärässä suunnassa.

Orbiterin on määrä asettua tarkkailtavan pinnan kohdan yläpuolelle ja pysytellä siinä viikko kerrallaan.

Tämä on mahdollista, koska luotain kiertää radalla, joka on 42 miljoonan kilometrin päässä Auringosta eli se on lähempänä kuin Merkurius.

Auringon painovoima antaa Orbiterille 7 200 kilometrin tuntinopeuden, joka vastaa Auringon pyörimisvauhtia.

Kun Orbiter pysyy tarkasti oikealla kohdalla, se pystyy seuraamaan alusta alkaen, miten niin sanottu koronan massapurkaus eli Auringosta lähtevä hiukkaspurkaus syntyy.

Sen havaintojen perusteella voidaan tarkistaa, pitävätkö tähänastiset teoriat ja tietokonemallit paikkansa.

Pilkut ennakoivat purkauksia

Aurinko antaa vinkkejä tulevista purkauksistaan. Sen pinnalla on erityisen voimakkaan magneettikentän keskittymiä, niin sanottuja auringonpilkkuja, joiden esiintyminen noudattaa noin 11 vuoden kiertoa.

Pilkut voivat olla maapalloa isompia.

Sen jälkeen, kun tutkijat alkoivat tarkkailla auringonpilkkujen määrää 1700-luvun puolivälissä, Aurinko on läpikäynyt 24 auringonpilkkukiertoa.

Seuraavan kerran maksimi on viimeistään vuonna 2026. Maksimin aikaan auringonpurkauksia on jopa kolme päivässä, kun niitä normaalisti on viiden päivän välein.

Maan riski joutua hiukkasmyrskyn tielle siis moninkertaistuu.

Pilkkuja syntyy, kun Auringon magneettikentän voimaviivat sotkeutuvat ja muodostavat kaaren, jolloin magneettikenttä puhkaisee Auringon pinnan ja ulottuu Auringon koronaan eli kaasukehään asti.

Magneettikenttä estää kuuman plasman nousun pintaan, ja pinta jäähtyy noin 5 500 asteesta 4 000–4 500 asteeseen. Jäähtynyt kohta erottuu ympäristöstään tummana pilkkuna.

Auringonpurkauksia syntyy eniten magneettikentän kaarissa, ja Orbiter-luotaimen päätehtäviä onkin tutkia, miten magneettikentän kaaret muodostuvat.

Roihuja ja massapurkauksia

Auringossa syntyy magneettikenttiä, koska kaikki sen aine on plasmaa eli runsasenergiaista kaasua, jossa aine on jakautunut positiivisesti varautuneiksi atomiytimiksi ja negatiivisiksi elektroneiksi.

182 000 kilometrin matkalla lähimpänä Auringon pintaa kuumaa plasmaa nousee ja viilennyttä plasmaa vajoaa. Sähköisesti varautuneiden hiukkasten liike synnyttää magneettikenttiä, joka nousevat kaarina koronaan.

Koronassa pyörteet vääntävät kaaria niin, että magneettikenttien voimalinjat murtuvat ja sitten taas yhdistyvät, jolloin seurauksena on roihupurkauksia.

Ne ovat hiukkasryöppyjä, jotka voivat jatkua tunteja. Niissä vapautuva energia voi vastata 160 miljardin räjähdetonnin räjähdystä.

Kun voimaviivat murtuvat, magneettikentän kaaret eivät enää pidä plasmaa paikoillaan. Silloin syntyy niin sanottu koronan massapurkaus, jossa avaruuteen purkautuu jättimäinen plasmapilvi 20–3 000 kilometrin sekuntivauhdilla.

Aina roihupurkauksien jälkeen ei kuitenkaan synny koronan massapurkauksia, ja tutkijat eivät tiedä, miksi niin on.

Siksi Orbiterin on määrä tarkkailla Auringon magneettikenttien muutoksia, jotta purkauksien syntymekanismi saadaan selville.

Purkaus lamauttaisi yhteiskunnan

Suurin tunnettu massapurkaus osui Maahan vuonna 1859. Se aiheutti niin sanotun geomagneettisen myrskyn, joka katkaisi muun muassa lennätinyhteydet.

Myrsky näkyi myös revontulina jopa Kuuban ja Havaijin leveysasteilla. Teknistyneessä nyky-yhteiskunnassa yllättävän aurinkomyrskyn seuraukset olisivat huomattavasti rajummat kuin tuolloin.

Hävityksen mittasuhteet riippuvat siitä, miten auringonpurkauksen voimaviivat kulkevat. Jos ne ovat samansuuntaiset kuin Maan magneettikentässä, purkauksen hiukkaset kulkevat Maan ohi.

Muussa tapauksessa plasmapilvi painuu magneettikentän läpi ja ilmakehään syöksyy tonneittain sähköisiä hiukkaisia.

Hiukkasmyrsky synnyttää Maan pinnalla oleviin sähköä johtaviin aineisiin samanlaisen ilmiön kuin sähkö induktioliedessä.

Kun induktiolieden käämiin johdetaan sähkövirtaa, syntyy magneettikenttä, joka luo kattilan pohjaan induktiovirran ja molekyylien liike kuumentaa kattilan.

Hiukkasmyrskyn induktiovirta kuormittaa satelliitteja, muuntajia ja sähkölaitteita. Esimerkiksi ­tietoliikennesatelliitit ja puhelinverkot voisivat lakata toimimasta.

Sähköverkkojen toimintahäiriöiden seuraukset olisivat vielä pahemmat. Esimerkiksi vesihuolto ja elintarviketuotanto ovat pitkälti riippuvaisia sähköllä toimivista pumpuista ja jäähdytysjärjestelmistä.

Sähkönjakelun palauttaminen normaalitilaan voisi kestää kuukausia.

Hälytysjärjestelmä tekeillä

Orbiterin matkan tavoitteena on luoda perusta luotettavalle hälytysjärjestelmälle. Nykyisellään Aurinkoa vahtii Nasan SOHo-satelliitti (Solar and Heliospheric Observatory), joka kiertää 1,5 miljoonan kilometrin päässä Maasta.

Se voi varoittaa auringonpurkauksesta 15 tuntia ennen kuin myrsky osuu Maahan. Sähköverkkojen suojaamisen kannalta tarvittava varoaika olisi kuitenkin kaksi tai kolme päivää.

Orbiter ei yksin ratkaise ongelmaa, sillä se käy Auringon tuntumassa vain viiden kuukauden välein.

Esa aikookin lähettää vuonna 2023 matkaan toisen satelliitin, joka asettuu niin sanottuun Lagrangen pisteeseen, mistä on esteetön näkymä Aurinkoon koko ajan.

Se näkee myös ne Auringon osat, jotka kääntyvät Maata kohti vasta päiviä myöhemmin, ja voi siten varoittaa hyvissä ajoin tulevasta auringonpurkauksesta.

Marraskuun 7. päivänä 2018 Nasan valvomossa elettiin jännittäviä hetkiä. Parker Solar Probe -aurinkoluotain oli tehnyt ensimmäisen kierroksensa Auringon ympäri, ja siltä odotettiin viestiä.

Luotain kulki lähempänä Aurinkoa kuin yksikään toinen ihmisen tekemä laite. Jännitys laukesi, kun näytölle ilmestyi A.

Se tarkoitti sitä, että luotain oli kunnossa ja kaikki sen havainnointi- ja mittauslaitteet toimivat niin kuin piti.

Sittemmin Parker on kiertänyt Auringon vielä kaksi kertaa ja lähettänyt ensimmäisen paketin mittaustuloksia Maahan.

Luotain siirtyy kierros kierrokselta lähemmäksi Aurinkoa, ja 24. kierroksella, jonka se tekee 24. joulukuuta 2024, välimatka Aurinkoon on enää 6,2 miljoonaa kilometriä.

Siltä etäisyydeltä luotain pystyy näkemään, tuntemaan ja mittaamaan Auringon koronan eli kaasukehän ulko-osan ja tarkkailemaan aurinkotuulen hiukkasia.

Tukena Auringon tarkkailussa Parkerilla on muita luotaimia ja teleskooppi Maan päällä.

Tietopaketti oli odotettua isompi

Ennen Parkeria lähimpänä Aurinkoa on käynyt Helios-B, joka kiersi vuonna 1976 Auringon 44 miljoonan kilometrin etäisyydeltä.

Parkerin tavoite on seitsemäsosa siitä, mutta sen ensimmäiset kierrokset 24 miljoonan kilometrin etäisyydellä ovat siis ennätys.

Parker lähestyy Aurinkoa asteittain. Seitsemällä kierroksella se kulkee Venuksen ohi niin, että planeetan painovoima hidastaa sen kulkua, jolloin se kulkeutuu lähemmäs Aurinkoa.

Auringon painovoima taas kiihdyttää luotainta. Nopeimmillaan Parker viilettää radallaan 692 000 kilometriä tunnissa.

Parkerin radalla auringonsäteily on 475 kertaa niin voimakasta kuin Maan etäisyydellä Auringosta. Lämpösäteily kuumentaa Parkerin 11,5 senttiä paksun lämpökilven 1 377-asteiseksi.

Ensimmäinen kierros Auringon ympäri osoitti kuitenkin, että lämpökilven suojissa luotaimen laitteet pysyvät turvallisen viileinä eli noin 30-asteisina ja toimivat moitteettomasti.

Ensimmäinen Parkerin lähettämä mittaustulospaketti oli iloinen yllätys.

Paketissa on 22 gigatavua dataa eli yli 50 prosenttia enemmän kuin tutkijat olivat toivoneet. Nyt tiedot pitää analysoida, mutta tutkijoilla saattaa olla käsissään käänteentekeviä tuloksia jo ennen kuin Parkerin urakka on ohi.

Keskeinen instrumentti on Solar Probe Cup eli eräänlainen panssaroitu kuppi, joka töröttää lämpökilvessä. Kupilla voidaan suoraan mitata hiukkasia itse koronassa, missä yksikään luotain ei ole aikaisemmin ollut.

Parker sukeltaa aurinkotuuleen

Koronan ulkolaidalta kulkee lakkaamaton sähköisesti varautuneiden hiukkasten, etupäässä protonien ja elektronien, virta läpi Aurinkokunnan.

Joka sekunti matkaan lähtee 1,3–1,9 miljoonaa tonnia hiukkasia, joista syntyy aurinkotuulena tunnettu ilmiö.

Maan magneettikenttä ohjaa suurimman osan hiukkasvirrasta maapallon ohi, mutta osa pääsee ilmakehään ja synnyttää revontulet.

Pitkällä avaruuslennolla esimerkiksi Kuuhun tai Marsiin altistuminen aurinkotuulelle voi aiheuttaa astronauteille syöpää, ja siksi tutkijat yrittävät kehittää tehokkaan suojan sitä vastaan.

Aurinkotuulta on kahdenlaista. Nopea aurinkotuuli, joka kulkee 750 kilometriä sekunnissa, lähtee koronasta Auringon napojen yläpuolelta.

Muualta koronasta lähtee hidas aurinkotuuli, joka etenee vain 400–500 kilometriä sekunnissa. Sitä tutkijat eivät vielä osaa selittää.

Koronan alaosassa hiukkasia pitävät paikoillaan kaareutuneet magneettikentät, jotka nousevat Auringon pinnasta. Koronan yläosassa kuitenkin vaikuttaa tuntematon ilmiö, joka antaa hiukkasille niin kovan vauhdin, etteivät magneettikentät eikä Auringon painovoima pysty pidättämään niitä.

Ensimmäisillä kierroksillaan Parker on hiukkasten kiihdytysalueen ulkopuolella ja tarkkailee juuri matkaan lähteneitä elektroneja ja protoneja.

Myöhemmin se tulee alueelle, josta hiukkasvirta alkaa. Siellä se yrittää selvittää, mikä hiukkasia kiihdyttää.

Koronalla kaksi kuumentajaa

Hiukkasten vauhdille voi löytyä selitys, jos Parker löytää vastauksen toiseen isoon kysymykseen: miksi korona on 200–500 kertaa niin kuuma kuin Auringon pinta?

Kaasukehän ulko-osien lämpötila 1–2 miljoonaa astetta ja pinnan vain 5 500 astetta. Tilanne olisi sama kuin jos nuotion ääressä olisi sitä kuumempaa, mitä kauempana tulesta istuu.

Osaselitys voi olla, että Auringon pinnassa on voimakkaita magneettikenttiä, jotka kuumentavat koronan hiukkasia. Tutkijat eivät kuitenkaan tiedä, miten se tapahtuisi.

Myös rajut aurinkomyrskyt voivat vaikuttaa, mutta niitä esiintyy niin harvoin, että ne eivät voisi kuumentaa koko koronaa.

Parkerin tehtävänä onkin tutkia ilmiöitä, joiden epäillään vaikuttavan kaasukehän lämpötilaan. Yksi tällainen ilmiö ovat pienet roihupurkaukset, joita kutsutaan myös nanoroihuiksi.

Niitä syntyy, kun kaasukehän kaarevat magneettikentät murtuvat ja muodostavat sitten uuden, pysyvämmän rakenteen.

Mekanismi on sama kuin suurissa roihupurkauksissa, mutta nanoroihuissa syntyvä lämpöenergia on vain miljardisosa ison roihun tuottamasta.

Toisaalta jos nanoroihuja syntyy miljoona sekunnissa, se voi riittää saamaan koronan kuumaksi.

Toinen ilmiö ovat magneettiset aallot, jonka alkavat syvältä Auringosta ja kulkevat koronaan, missä ne panevat magneettikenttien voimaviivat värisemään.

Värinä saa koronan hiukkaset asettumaan kierteiksi voimaviivojen ympärille, jolloin hiukkasten vauhti ja siten myös lämpötila nousevat.

Parkerilta odotetaan vastausta siihen, kumpi mekanismi koronaa kuumentaa – vai molemmat – ja mikä on aurintotuulen vaikutus.

Jos taas taustalla ovat nanoroihut, Parker voi laskea magneettikenttien voimaviivojen oikosulut, joista roihut syntyvät.

Orbiter ja teleskooppi tueksi

Parker saa seuraa vuonna 2023, kun eurooppalainen Solar Orbiter -luotain pääsee asemapaikalleen. Se asettuu radalle, joka kierrättää sitä 42–132 miljoonan kilometrin päähän Auringosta.

Luotainkaksikko muodostaa auringontutkimuksen etulinjan. Parker tarkkailee hiukkasia, kun ne ovat lähdössä matkaan koronasta, ja Orbiter tutkii hiukkasia kauempana avaruudessa.

Eri etäisyyksillä tehdyt mittaukset voivat antaa osviittaa siitä, miksi hiukkaset eivät juuri menetä energiaa matkallaan. Maan kohdalla niiden nopeus ja lämpötila ovat lähes samat kuin niiden lähtiessä koronasta.

Taustatukena toimii maailman suurin aurinkokaukoputki, Havaijilla sijaitsevan Haleakala-observatorion Daniel K. Inouye -teleskooppi.

Se ottaa kaksi kertaa minuutissa Auringon pinnasta kuvan, jossa erottuvat 70 x 70 kilometrin kokoiset kohteet.