Kalevi Mursula tutkii avaruusilmastoa

Teksti: Emilia Kilpua, Julkaistu 8.12.2017 Fyysikkoseuran juhlablogissa

“Aurinkotuulen protonit marssivat kuin preussilainen armeija” Kalevi Mursula kuvailee ja heiluttaa kädellään tahtia. Kalevi on professori Oulun yliopistolla ja hän tutkii avaruusilmastoa.

Ala kattaa koko ketjun aina Auringon sisuksista Maan lähiavaruuteen ja ilmakehään asti. Painopiste on pitkän ajan vaihteluilla, vuosista vuosisatoihin. Aurinkotuuli on agentti, joka välittää muutokset Auringon magneettikentän rakenteessa ja aktiivisuudessa planeettainväliseen avaruuteen. Tämä varatuista hiukkasista koostuva jatkuva plasmavirta pakenee Auringosta ja pyyhkäisee planeettojen ohitse aina heliosfäärin reunamille asti.

Kalevi Mursula Meksikossa Teotihuacánissa Auringon temppelin huipulla

Mies joka yhdisti avaruusilmastotutkijat

Avaruusilmastoon liittyvää tutkimusta on tehty jo vuosikymmeniä, mutta porukka oli pitkään hajallaan. “Vielä kaksikymmentä vuotta sitten ei ollut alaan liittyviä kokouksia tai edes omia sessioita isommissa kokouksia” Kalevi kertoo, “Yksi syy tähän on varmasti se, että ala on niin monitieteellinen”.

Nyt avaruusilmastotutkijat kokoontuvat säännöllisesti Kalevin koordinoimaan kansainväliseen Space Climate kokoukseen. Ensimmäinen kokous järjestettiin vuonna 2004 Oulussa ja siihen osallistui yli sata tutkijaa. Seuraava kokous on vuonna 2019 Kanadan Quebecissä.  “On ollut mahtavaa nähdä miten ala on laajentunut tieteellisestä marginaalista valtavirraksi reilussa kymmenessä vuodessa” Kalevi summaa tyytyväisenä.

Kalevi peräänkuuluttaa myös rohkeutta rahoittajille ja nuorille tutkijoille. Valtavirran ulkopuolella olevista ideoista ja pienen porukan jutuista voi syntyä tulevaisuuden suuria uusia aloja.

Mikä dynamoa hölskyttää?

Kalevi johtaa Suomen Akatemian huippuyksikköä nimeltä ReSoLVE  (Research on Solar Long-term Variability and Effects), joka koostuu viidestä tutkijatiimistä Oulun yliopistossa ja Aalto-yliopistossa. ReSoLVE tarkastelee pääasiassa muutaman sadan vuoden vaihteluita ja Auringon hiljaisille ajanjaksoille tyypillistä poloidaalista magneettikenttää.

Kalevi muistuttaa, että Auringon vaikutukset Maan lähiavaruuteen ovat merkittäviä silloinkin, kun  isoja purkauksia ei tapahdu. Auringonpilkkuminimin aikaan Auringon rakennetta dominoi valtavat koronan aukot, joista nopea aurinkotuuli syöksyy heliosfääriin.

ReSoLVE selvittää nopean aurinkotuulen aiheuttamia häiriöitä Maan magneettikentässä ja hiukkasympäristössä, sekä niiden vaikutuksia Maan ilmakehään ja ilmastoon. Mielenkiintoinen tulos on se, että aurinkotuulella on osoitettu olevan uusia, Auringon säteilyaktiivisuudesta riippumattomia ilmastovaikutuksia erityisesti pohjoisilla leveysasteilla.

Yhdeksi huippuyksikön pääkysymykseksi Kalevi mainitsee Auringon poikkeuksellisen suuren aktiivisuuden 1900-luvulla. Nyt tämä aktiivisuus on ohitse ja olemme palanneet sata vuotta sitten vallinneeseen rauhallisemman Auringon tilanteeseen.  ”Mikä Auringon dynamoa hölskyttää niin, että saadaan aikaan näin suuria vaihteluita?” kysyy Kalevi.

Aktiivisuus Auringon eteläisellä ja pohjoisella puoliskolla ei kehity aina ihan samaan tahtiin. Erossa on kuitenkin löydetty systemaattista käytöstä, jota kuvaamaan Kalevi on lanseerannut termin ”bashful ballerina”. Ujon ballerinan hameen laskostuminen kuvaa Auringon ja heliosfäärin magneettikentän pohjois-eteläsuuntaista epäsymmetriaa. Auringon magneettikentän rakenteen pitkän ajan vaihtelut sekä niiden syiden ja vaikutusten ymmärtäminen on ReSoLVEn päätavoitteita.

Pitkien aikasarjojen haasteet

Avaruusilmaston tutkimuksessa käytettävät pitkät aikasarjat luovat merkittäviä haasteita.  Kalevi mainitsee erityisesti datan homogeenisuuden olevan tärkeää ja teettävän valtavasti työtä. Mittausmenetelmät muuttuvat usein vuosien saatossa, mutta dokumentointi on puutteellista.

Yhtenä paraatiesimerkkinä pitkistä aikasarjoista on auringonpilkkuluku. Auringonpilkut kertovat Auringon yleisen aktiivisuuden tasosta ja tutkijat käyttävät niitä ahkerasti, koska teleskooppimittauksiin perustuvaa tietoa on saatavilla 1600-luvulta asti.  Pilkkuluvut päivitettiin muutama vuosi sitten, mutta Kalevi mukaan ennenaikaisesti, sillä muutoksia on vielä tulossa.

Polku avaruusilmastotutkijaksi

Miten Kalevista sitten tuli fyysikko ja avaruusilmastotutkija?

Lapsuuden harrastusten perusteella uravalinnaksi olisi voinut veikata vaikkapa muusikkoa. Pikku-Kalevi lauloi, soitti pianoa ja klarinettia ja perusti kavereidensa kanssa menestyksekkään tiernapoikabändin. Teini-iässä musiikkihommat tyssäsivät kuitenkin äänenmurrokseen. Samoihin aikoihin syttyi Kalevin ensimmäinen tieteellinen rakkaus. Hän innostui biologiasta ja tutustui luonnontutkija Carl von Linnen järjestelmään. Nuorta poikaa kiehtoi, miten kasvit ja eläimet voitiin luokitella systemaattisesti ja tieteellisesti.

Yliopistossa Kalevi luki aluksi pääaineena matematiikkaa ennen kuin vaihtoi teoreettiseen fysiikkaan. Tieteellinen ura alkoi hiukkasfyysikkona ja Kalevi tohtoroitui Matts Roosin johtamassa heikkojen vuorovaikutusten tutkimusryhmässä. Väitöstyön kruunasi usean tiedelehden huomio Kalevin ja Francis Halzenin julkaisusta, jossa johdettiin aiempaa paljon alempi yläraja hiukkasukupolvien lukumäärälle vastikään löydetyn Z-bosonin avulla.

Kun Suomi päätti liittyä vuonna 1987 Euroopan avaruusjärjestön liitännäisjäseneksi, avautui monille mahdollisuus siirtyä avaruusfysiikan pariin. Ollessaan ulkomailla nuoren perheensä kanssa Kalevi päätti palata Suomeen ja vaihtaa alaa.

Eikä Kalevi ole katunut valintaansa. “Avaruusfysiikka on osoittanut äärimmäisen mielenkiintoiseksi, joustavaksi ja erittäin monipuoliseksi ja tärkeäksi alaksi” hän kehuu. “Erilaisia tutkittavia asioita on hirveästi ja kokeellista tietoa runsaasti ja vapaasti saatavilla. Open data on ollut avaruusfysiikassa käytäntö jo vuosikymmeniä. Kiitokset erityisesti jenkkilään ja alan kansainvälisille yhteistyöorganisaatioille ”.

Avaruusilmastotutkimus alkoi varsin pienestä ilmiöstä. Sodankylän observatorion mittauksista tehtiin jo 1930-luvulla merkittävä löytö. Observatorion silloinen johtaja Eyvind Sucksdorff havaitsi ensimmäisenä nopeita pulsaatioita magnetometridatoissa. Nämä ”helmiäiset” ovat seurausta sähkömagneettisista EMIC-aalloista, jotka liittyvät epästabiilin plasman palautumiseen. Kalevi matkusti vuonna 1990 prof. Jorma Kankaan ja Tapani Pikkaraisen kanssa Sodankylään tutkimaan vanhoja mittauskääröjä. Vierailun tuloksena syntyi Kalevin ensimmäinen avaruusilmastopaperi. Artikkelissa tutkittiin ”helmiäisten” esiintymistä yli 50 vuoden ajan ja havaittiin niiden voimakas vaihtelu auringonpilkkusyklin suhteen vastakkaisessa vaiheessa. Nyt Kalevilla on noin 250 vertaisarvioitua artikkelia, joihin on viitattu n.  8000 kertaa. H-indeksi on pienelle alalle komeat 45.

Ylhäällä näkyy noin sekunnin luokkaa olevia mikropulsaatiohelmiäisiä Sodankylän observatorion vanhoissa magneettikentän mittauksissa. Alhaalla olevat nuolet ovat seurausta salamoista. (Lähde: Mursula, Kangas and Pikkarainen, Journal of Geophysical Research, 1991)

Tulevaisuuden näkymiä

Avaruusilmastotutkimuksessa on Kalevin mukaan vielä runsaasti tehtävää. Analyysimenetelmät ja mallit tarkentuvat ja vanhoja mittauksia ja tuloksia voidaan myös tulkita uudelleen uusien mittauksien avulla. Auringon aktiivisuuden vaihteluiden tilastollista ennustamista tullaan parantamaan ja pidentämään ainakin muutamaan vuoteen. Tämä edistäisi merkittävästi avaruussään ennustamista yhdistettynä havaintoihin perustuvaan lähes reaaliaikaiseen ennustamiseen.

Kalevi uskoo myös, että Auringon magneettikentän ja dynamon toiminnan ymmärtämisessä tehdään tulevaisuudessa merkittäviä harppauksia. Hän muistuttaa kuitenkin, ettei tämä tarkoita sitä, että aktiivisuutta voitaisiin ennustaa useiden syklien yli. On mahdollista, ettei systeemillä ole kovin pitkää muistia.

Auringon aktiivisuuden ilmastovaikutuksien tutkimisessa on paljon avoimia kysymyksiä. Mikään helppo tehtävä tämä ei ole. Ilmasto on monimutkainen ja kytketty järjestelmä, ja Auringon säteilyn ja aurinkotuulen vaikutukset vaihtelevat todennäköisesti olosuhteista ja alueesta riippuen.

IPCC-raportit eivät ole vielä ottaneet huomioon vastikään havaittuja aurinkotuulen vaikutuksia, esimerkiksi Maata ympäröivistä säteilyvöistä ionosfääriin satavia energeettisiä hiukkasia, joiden tiedetään vaikuttavan yläilmakehän kemiallisiin reaktioihin ja pohjoisten alueiden talvi-ilmastoon. Uusimmissa ilmastomalleissa tämä vaikutus jo otetaan huomioon ja seuraava IPCC-raportti sisältänee ensimmäisen arvion tästä mekanismista.

Kalevi haluaa painottaa vielä lopuksi, että kokee olevansa erittäin kiitollinen saatuaan tehdä uransa tieteen parissa. Huippuyksikkö on mahdollistanut enstistä useamman tutkimusidean toteuttamisen ja testaamisen. “Tutkimusideoiden ja -kohteiden määrä ei lopu tutkimalla, vaan kasvaa entisestään. Niinpä tekemättömänkin työn määrä sen kuin kasvaa, kun ideoita tulee lisää ja lisää” Kalevi toteaa. ”Tutkimalla pystymme näkemään laajemmin kuin aiemmin, mutta emme koskaan näe rantaa. Emme koskaan pääse perille”.

 

Leave a Reply

Your email address will not be published.