Uusi havainto selittää revontulien äänet

Uusi havainto selittää revontulien äänet

Kaavio ilmakehässä esiintyvästä inversiokerroksesta ja
siinä revontulien aikaan aiheutuvista sähköpurkauksista.
Purkaukset kuullaan paukahduksina ja ritinöinä.
Piirros Unto K. Laine

Aalto-yliopiston emeritus professori Unto K. Lainetyöryhmineen on onnistunut kokoamaan näyttöä revontulien syntytavasta. Laineen mukaan revontulien äänet syntyvät joissakin sääolosuhteissa noin 70 metrin korkeudella.

Jo vuosisatoja revontulia nähneet ihmiset ovat myös puhuneet niiden äänistä. Revontulet esiintyvät kuitenkin niin korkealla (60 – 1000 km) että riittävän voimakkaiden äänien syntyminen näissä ilmakerroksissa ja kulkeutuminen maanpinnalle on mahdotonta. Äänihavaintoja on kuitenkin niin runsaasti, että niiden takana täytyy olla jokin mekanismi joka selittäisi ne.

Monissa äänihavainnoissa revontulien ääntä on kuvattu sihinäksi, kohinaksi, ritinäksi tai jopa paukahteluiksi. Tämä on johtanut tutkijoita ajattelemaan, että kyseessä voisi olla lumikiteiden tai havupuiden neulasien terävissä kärjissä esiintynyt koronapurkaus. Vastaavaa ritinää voi kuulla esimerkiksi korkeajännitelinjojen alla, kun koronapurkauksia esiintyy sähkölinjoissa joissakin sääolosuhteissa.

Laine teki kenttähavaintoja Fiskarsin alueella kovassa pakkasessa. Hän nauhoitti herkillä mikrofoneilla revontulien esiintymisaikaan 17.–18. maaliskuuta 2013 mahdollisia ääniä, jolloin Etelä-Suomessakin nähtiin erittäin komeita revontulia. Hänen ”saaliksi” jäi satoja paukahduksia noin 75 metrin korkeudelta. Äänitysten lisäksi Laine mittasi magneettisia häiriöitä, jotka aiheutuvat voimakkaista revontulipurkauksista. Magneettisia häiriöitä on sitä enemmän mitä aktiivisemmat revontulet ovat.

Laine havaitsi kartoittaessaan 60 voimakkaimman purkauksen äänitteitä, että juuri ennen paukahdusta magneettikentässä esiintyi voimakas häiriöpulssi. Magneettisen pulssin voimakkuus oli myös yhteensopiva äänen voimakkuuden kanssa.

Revontulien ääni nauhoitettuna Kolin maisemissa vuonna 2004.


Ratkaiseva tieto tuli ilmatieteenlaitoksen tekemistä mittauksista. Laineen mittauspaikan yläpuolella oli inversiokerros noin 75 metrin korkeudessa, eli samassa ilmamassassa mistä äänet olivat peräisin. Inversiokerros syntyy lähelle maanpintaa kun ilmamassa maanpinnan läheisyydessä jäähtyy selkeällä säällä ylempää ilmamassaa kylmemmäksi. Tavallisesti ilmakehässä lämpötila laskee mitä korkeammalle mennään mutta täysin tyynessä säässä maanpinnan läheisyydessä oleva ilmamassa ei sekoitu ylemmän ja lämpimämmän ilmamassan kanssa. Näiden kahden ilmamassan väliin syntyy inversiokerros.

Inversiokerroksen voi havaita paljain silmin esimerkiksi talvella. Silloin jonkin notkon yläpuolelle syntyy ohut sumuverho muutaman metrin korkeuteen maaperästä haihtuvasta kosteudesta. Sama ilmiö on nähtävissä kesäöinä esimerkiksi pelloilla ja laidunmailla. Kaupungeissa ja taajamissa myös pako- ja savukaasut voivat muodostaa vastaavan sumun ja joissakin suurkaupungeissa helteiden aikana inversiokerroksen alapuolinen ilma tulee muutamassa vuorokaudessa lähes hengityskelvottomaksi pakokaasuista.

Ilmakehässä erilaisiin ilmamassoihin liittyy aina niiden erilainen sähkövaraus. Inversion syntyessä maanpinnan läheisyyteen ja nopeasti jäähtyvän ilmamassan varaus tulee negatiiviseksi: siinä on vapaita elektroneja positiivisia ioneja enemmän. Vastaavasti inversiokerroksen yläpuolella oleva ilmamassa tulee varautuneeksi positiivisesti. Ilmakerrosten välillä on siis jännite-ero, joka kasvaa sitä suuremmaksi mitä pitempään tilanne jatkuu.

Revontulien esiintyminen saa aikaan maanpinnan ylimmissä kerroksissa sähkövirtoja, joiden voimakkuudet voivat olla miljoonia ampeereita. Samalla ilmamassan varautuneisuus kasvaa ja kun riittävän voimakas magneettisen häiriön pulssi esiintyy, ylitetään inversiokerroksen molemmilla puolilla olevien ilmamassojen välisessä jännitteessä kuivan ilman läpilyöntilujuus. Ilmamassojen välillä tapahtuu sähköpurkaus (eräänlainen mikrosalama) ja se kuullaan paukahduksina. Jos ilmamassojen välinen varausero on hyvin lähellä läpilyöntilujuutta, spontaaneja purkauksia esiintyy jatkuvasti ja silloin ne voidaan kuulla suhinana, ritinänä tai rätinänä.

Laineen tekemä tutkimus selittää erityisesti sen, miksi revontulien ääniä kuullaan samanaikaisesti taivaalla tapahtuvien kirkkaiden purkausten aikana. Äänen kulkuaika noin 75 metrin korkeudesta on alle 0,2 sekuntia, joten paukahdus tai ritinät kuullaan samaan aikaan revontien kirkastumisien aikaan.

Laine korostaa sitä, että hänen teoriansa ei sulje pois muita äänien syntytapoja, esimerkiksi juuri aikaisempaa koronapurkausta hangelta tai neulasten kärjistä^[1].

Huomautukset

[1] Mielestäni ne voivat jopa täydentää toisiaan: koronapurkauksissa terävistä kärjistä siirtyy maanpinnan ilmamassaan runsaasti elektroneja, jotka siten lisäävät tai jopa aiheuttavat ilmamassan sähkövarauksen –  Kari A. Kuure.

Viimeiset revontulet 6.–7.5.

Tampereella yöt ovat sen verran valoisia, että käytännössä revontulikausi voidaan katsoa päättyneeksi huhtikuun lopulla. Toukokuun alkupuoliskolla kausi kuitenkin näyttää jatkuvan etelärannikolla, joten lienee paikallaan kertoa ainakin vielä yksi ennuste.

6.–7.5. välisenä yönä Maa joutuu jälleen Auringon virtavaipan tihentymään ja tällä kertaa se näyttää sen verran tiheältä, että revontulien näkyminen  etelärannikolla voi olla mahdollista. Tampereellakin voisi jotakin näkyä jos revontulet ovat riittävän voimakkaita.

Virtavaipan suunta näyttäisi olevan myös sellainen, että magneettikenttä voisi olla kohti etelää. Jos näin on, niin silloin viimeinen loppurykäisy ennen kesää voi olla varsin näyttävä.

Mahdollisesti revontulia ensiyönä 18./19.4.

SWPC:n WSA-ENLIL -ennuste kertoo maapallon kohdanneen aurinkotuulen virtavaipan tihentymän kuluneen vuorokauden aikana. Tämän seurauksena hiukkastiheys on hieman kohonnut ja Kp-indeksin odotetaan nousevan arvoon 4 ensiyönä. Lähiavaruuden magneettikentän suunta on kuitenkin tällä hetkellä pohjoiseen, joten tilanne ei välttämättä johda revontulien näkymiseen ainakaan eteläisessä Suomessa.

Tilanne voi kuitenkin muuttua, jos magneettikentän suunta kääntyy etelään. Tällöin revontulien näkyminen on mahdollista ainakin Tampereen leveydellä ja siitä pohjoiseen.  Sääennusteen mukaan Pirkanmaalla pilvisyys ei ole aivan kaiken kattavaa, joten pilvien rakosista revontulien ilmaantumista voi odotella.

Huomenna (19.4.) magneettikentän toiminta pysyttelee hiljaisena tai korkeintaan on hieman häiriintynyt ja ylihuomenna (20.4.) se pysyttelee hyvin rauhallisena, joten revontuliakaan ei ole odotettavissa. Syy tilanteeseen on se, että maapallon kohdalla aurinkotuulessa on hiukkastiheyden harventuma ja vaikka hiukkasten nopeudet harventumassa ovat keskimääräistä vauhdikkaampia, niiden ei odoteta aiheuttavan suurempaa häiriötä Maan magneettikenttään.

Hienot revontulet Tampereella

Muutamana viime yönä on Tampereellakin saatu ihailla hienoista revontulista. Revontulet ovat olleet kirkkaita vaikka Auringossa ei mitään suurempia purkauksia ole tapahtunutkaan. Syy revontuliin on ollut Auringon koronassa olevan ns. virtavaipan tihentymien ja harventumien vuorottelu: tällä kertaa kysymys on ollut nimenomaan harventumasta.

Harventuman aurinkotuulen alueella hiukkasnopeus kohoa yleensä noin 100 % vauhdikkaammaksi kuin normaalisti.  Vaikka hiukkasia on vähemmän, niin niiden suurempi vauhti auttaa niitä tunkeutumaan maapallon magneettikenttään ja sitä tietä sitten synnyttämään revontulia.

Asiaan on vaikuttanut toinenkin tekijä: kevätpäiväntasaus. Maapallo oli muutama viikko sitten kevätpäiväntasauksessa ja tilastollisesti kuukausi tasauspäivien molemmin puolin on aikaa, jolloin revontulia nähdään runsaimmin. Ilmeisesti maapallon magneettikentän asento on sellainen, että etenkin elektronien on helpompi päästä magneettikentän sisään tasauspäivän tietämillä kuin esimerkiksi talvella.

Alla muutama kuva 14.4.2016 illan revontulista Tampereen Ursan sääkameran kuvaamana. Revontulia näkyi heti illan pimennyttyä (noin kello 22.30 alkaen) ja aamupuolella yötä näkyi rauhallinen revontulikaari aina kello 4 asti, jonka jälkeen oli liian valoisaa revontulien näkemiseen.

Revontuliennuste 14—16.4.2016

Vielä vuorokauden ajan maapallon magneettikenttä on ennusteen mukaan rauhattomassa tilassa. Kp-indeksi pysyttelee vielä ensiyönä (14./15.4) arvossa 4. Indeksi kuitenkin putoaa aamun valjettua hyvin nopeasti alhaiseen arvoon 2 ja pysyttelee siinä ennustejakson loppuun asti.

Revontulien näkymiselle on kohtalaiset mahdollisuudet ensimmäisenä yönä Tampereella ja pohjoisempana. Kevätyöt kuitenkin vaalenevat kovaa vauhtia ja voi olla, että ennusteen toteutuessa nähtävissä ovat viimeiset revontulet ennen ensisyksyä.

Revontuliennuste 12.–15.4

Revontulet 13.4.2016 kello 2.29 Tampereella.

Auringosta purkautui pienehkö CME-pilvi sunnuntaina (10.4.2016). Vaikka se suuntautuikin maapallon ohi, niin pien kaistale siitä kohtaa maapallon 13.4 puolen päivän tietämissä. Samaan aikaan maapallo on virtavaipan harventumassa, jossa hiukkasnopeus on noin 500 km/s luokkaa. Näin ollen odotettavissa lähivuorokausina on maapallon magneettikentän rauhattomuutta ja jopa pientä magneettista myrskyä.

Kp-indeksi odotetaan saavuttavan arvon 4 vielä tänään (12.4.) ja arvon 5 varhain huomenna aamuna. Indeksi vaihtelee arvossa 3–4  koko keskiviikon ja kohoavan jälleen arvoon 5 varhain 14.4. aamuyöstä.  Magneettinen rauhattomuus jatkuu vielä koko 14.4. päivän ja luultavasti myös 15.4. vuorokauden puolelle asti.

Lähiöinä revontulien näkymismahdollisuudet ovat kohtalaiset tai hyvät koko Suomessa. Vaqalea yötaivas kuitenkin voi joko kokonaan estää tai vähentää revontulien kirkkautta etenkin illan ja aamun tunteina. Keskiyön aikaan (kello 0–3) lienee parhaimmat mahdollisuudet havaintoihin, etenkin kun tällöin Kp-indeksi on korkeimmillaan juuri samaan aikaa kaikkina öinä.

Revontuliennuste 17.–19.3.2016

Kuvassa alarivillä on toteutunut Kp-indeksin arvo. Keltainen
ja punainen väri kertoo magneettisesta myrskystä maapallon
magneettikentässä ja se puolestaan näkyy yleensä
revontulina. Kaksi ylintä riviä kertovat mitatuista protonien
ja elektronien tiheyksistä lähiavaruudessa. Näkyvät revontulet
aiheutuvat elektroneista, joten suuri elektronitiheys
yleensä ennakoi revontulien näkyvmistä. Elektronitieheys putoaa
revontulinäytelmän aikana sitä nopeammin mitä voimakkaammat
revontulet ovat. Kuva NOAA/SWPC.

Edellisten vuorokausien aikaisten magneettisten myrskyjen jälkeen maapallon magneettikentän tila on rauhoittumaan päin. Kp-indeksin odotetaan laskevan jonkin verran arvoon 3 jakson ensimmäisen vuorokauden aikana ja arvoon 2–1 seuraavan vuorokauden aikana. Tämä merkinnee sitä, että revontulia näkyy lähinnä Pohjois-Suomessa ja Lapissa.

Tilanne jatkunee samankaltaisena seuraavankin kolmen vuorokauden aikana, jos mitään yllättävää CME-purkausta ei tapahdu. Vasta 21 päivän aikaan lähiavaruuden säätila on muuttumassa. Silloin WSA-ENLIL ennusteen mukaan maapallo on joutumassa virtavaipan tihentymään, jolloin aurinkotuulen hiukkastiheys on kohoamaan päin. Ennuste sisältää kuitenkin huomattavan epävarmuustekijän, joten palataan asiaan lähempänä ajankohtaa, jos revontulia on odotettavissa.

Revontulet loimusivat Tampereen taivaalla

Alkuillan pilvisyys vetäytyi ja mahdollisti revontulien näkymisen
noin kello 23 aikaan. Kuva © Tampereen Ursa ry.

ja varmasti muuallakin eteläisintä Suomea myöten. Edellinen ennuste siis osui nappiin, mikä ei kuitenkaan aina ole varmaa.

Oheiset kuvat on otettu Tampereen Ursan sääkamerasta, joka on suunnattu suunnilleen koilliselle taivaalle. Kuvissa pohjoinen on vasemmalla lähellä kuvan reunaa ja oikeassa reunassa puolestaan on itä.

Heikot revontulet ilmaantuivat Tampereella näkyviin kello 21 aikoihin, mutta vaiteleva pilvisyys esti niiden kunnollisen näkymisen. Pilvipeite vetäytyi juuri ennen kello 23:a ja saman tien revontulet roihahtivat hyvin kirkkaiksi. Kirkkaudesta voi päätellä jotakin ensimmäisestä kuvasta, sillä siinä on revontulien kirkkain kohta "palanut" selvästi puhki, eli ylivalottunut. Revontulia tarttui kameran kuviin aina 17.3. kello 4 asti.

Revontulet 15.–17.3.2016

Kp-indeksin odotetaan pysyttelevän suhteellisen korkeana
lähipäivinä, vaikkakin heilahtelut voivat olla suuria.
Kuva NOAA /SWPC.

Parina tulevana yönä Kp-indeksi odotetaan olevan arvossa 4 tai 5. Tämä merkitsisi toteutuessaan suhteellisen mukavaa revontuliaktiivisuutta myös eteläisessä Suomessa. Parhaimmat mahdollisuudet revontulien näkymiselle on ensiyönä, ja seuraava yö ei ole kovinkaan paljoa heikompi.

Tuleva tilanne johtuu lähinnä siitä, että maapallon kohdalla muutaman vuorokauden ajan tulee olemaan Auringon virtavaipan harventuma. Tästä puolestaan seuraa aurinkotuulen hiukkasten vauhdin kasvua jonkin verran tavanomaista nopeammaksi. Suurin nopeus, noin 550 km/s saavutettaneen 17. päivän iltana.

Virtavaipan harventunut alue pysyttelee maapallon kohdalla suunnilleen 20. päivään asti, jonka jälkeen maapallo joutuu uuden tihentymän alueelle.

Auringon aktiivisuus on pysytellyt jo pitempään rauhallisena ja tästä voimakkaita CME-purkauksia ei ole odotettavissa.

Revontulia parina seuraavana yönä 12.–14.3.2016

Parina seuraavana yönä on jälleen mahdollisuus nähdä revontulia. Tälläkään kertaa ei odotettavissa ole muuta kuin perussettiä, mutta aika ajoin reposet voivat intoutua näyttäväänkin loimuamiseen.

Tilanne lähiavaruudessa johtuu siitä, että maapallo on parin vuorokauden ajan Auringon ekvaattoritasossa olevan virtavaipan poimussa. Hiukkastiheys WSA-ENLIL-ennusteen mukaan on selvästi koholla aina 14. päivän iltaan asti, joten ainekset revontulien näkemiselle on hyvin koossa. Lisäksi kevätpäiväntasauksen läheisyys parantaa revontulien näkymisen todennäköisyyttä merkittävästi. Tasauspäivien läheisyydessä ± 1 kuukausi revontulien näkyminen on tilastollisesti runsaampaa kuin keskitalvella.