Category: Yleinen

Published originally at the SWATNet blog (10.5.2023)

Catching the waves in Byron Bay, trekking in the mountains of California, snowboarding in the Japanese Alps and mastering upside-down yoga poses that defy gravity. Miho Janvier seems to be all about insanely cool things. And on top of that she is a solar physicist who has followed her own path. 

At 37 years Miho has become one of the central figures in the field. She works with Europe’s latest space asset Solar Orbiter, gives invited talks around the world, is a TED fellow, and has done exciting research on solar storms that can threaten our planet. 

In recent years her life went in a whirlwind coping with the covid pandemic, becoming a mother, moving to new places and starting an exciting job at the European Space Agency. 

I chatted with Miho to share her career story; how she became a scientist, why it is so great to study the Sun, how she balances between different aspects of life and has navigated through an academic world that is hard but what in the end she finds extremely rewarding. 

A nomad child who loved aliens

Miho was born in Turkey to a French father and Japanese mother. Her father was posted every three years to a new place. From Turkey the family moved to Finland and from the snowy northern country to sunny and hot Senegal. Next stop was France before relocating to Japan during Miho’s teenage years.

Already as a child Miho loved discovering things and looking for reasons behind natural phenomena. Physics was not part of primary school teaching but she liked biology. Aliens and the question of life somewhere else in the universe fascinated the young girl’s curious mind. She watched Spielberg’s E.T and was a big X-files fan.

The childhood passion evolved into an interest in exobiology and astrobiology. These were not easy topics to find information and so physics became her number one subject at school. Miho was good at it and she was enticed by the clarity it presented.

Beautiful equations

The path Miho took to become a solar physicist was not linear. She started studying at the Grenoble Institute of Technology in France but was interested in everything and could not pinpoint what she really wanted to do.

The turning point was an optional plasma physics course. She was captivated by the beauty of Maxwell equations, fluid dynamics and electromagnetism. ‘The really geeky stuff’ as she mentions.

Miho majored in energy and nuclear engineering. She relocated once again from France to Japan to pursue a PhD at the University of Kyoto on fundamental plasma physics and fusion research.

During the Kyoto years the Sun started to emerge as part of her scientific interests. Much of Miho’s research focused on magnetic reconnection – an explosive process that converts electromagnetic energy to heat and accelerates particles.

She participated in the weekly seminars from famous Kyoto University professor Kazunari Shibata’s group, and learned that magnetic reconnection is also a driving motor behind powerful solar flares. At the Sun the process operates in intriguing and complex three-dimensional magnetic field settings. And not only are flares driven by magnetic reconnection, its consequences can hurl gigantic magnetic flux ropes into interplanetary space.

I’ll follow the Sun

Miho had the right timing and met the right people.

The launch of Solar Dynamics Observatory in 2010, a year before she finished her PhD made the final trick. Stunning pictures at multiple wavelengths of the Sun and its activity started pouring in. Miho applied and received a fellowship to work within the solar physics group at the Observatoire de Paris in Meudon – a charming municipality in the suburbs of Paris.

She was able to apply her expertise from fusion research to study solar eruptions. Miho mentions that at that stage, she didn’t quite capture  the differences between different astrophysical fields such as solar, space, and stellar physics. In the end, it was all plasma physics to her.

Having lived in so many countries and being aware of the insecurities in academia Miho was looking for stability. She decided to move on to a fellow lecturer position at the University of Dundee located on the east coast of Scotland.

After two years in Dundee Miho took the opportunity of becoming an Associate Astronomer at the Institut d’Astrophysique Spatiale in Orsay, another suburb of Paris. It is one of the three prestigious permanent researcher positions in the country that one can access via a national recruitment process. On top of research, civil servant  astronomers are expected to contribute to teaching and serve the community via national services such as serving on space missions.

Golden age of solar physics

Two of the biggest highlights in Miho’s career have been witnessing the total solar eclipse in Argentina in 2019, and the launch of the European Space Agency’s Solar Orbiter spacecraft on-site.

Solar Orbiter lifted off on the Atlas V rocket on the evening of 9 February 2020 from Cape Canaveral Air Force Station in Florida, just before the pandemic hit. A big group of scientists involved in the mission gathered to see the spacecraft go.

Seeing the rocket dashing to space was an emotional moment. Miho mentions shared feelings of a human adventure, relief and excitement.  So many teams had invested incredible amounts of work over the years to design and build the instruments for the orbiter. And now the spacecraft was carrying them far away from Earth.

Solar Orbiter is a revolutionary mission that takes the closest ever pictures of the Sun. While Miho’s background is in numerical modeling, she has been excited to work with the data during this unprecedented time in solar research.  At her home institution, she is part of an international team dedicated to the on board spectral imaging and extreme ultraviolet instrument called SPICE.  Her work at the European Space Agency  now involves connecting Solar Orbiter observation campaigns with those  of different space and ground based infrastructures, such as NASA’s Parker Solar Probe, ESA/JAXA Bepi Colombo, and the Daniel K. Inouye Solar Telescope located near the summit of Haleakalā volcano on the Hawaiian island of Maui.

And the nomad life continues. Miho is now on a two year secondment in the Netherlands at the European Space Research and Technology Centre (ESTEC) in Noordwijk but for personal reasons has lived partly in London.

Ups and downs of academia

Academia has many perks. Miho considers herself privileged to be paid to study the universe. The best part according to her is to be in a state of continuous learning, which pushes her to have  a constant beginner’s mind. She also enjoys a strong sense of community and its open-minded people with interesting backgrounds.

However, while it may seem that one is born under the lucky stars to become a scientist, there are hours of hard and dedicated work, moments of stress, self-doubt and frustration behind the scenes.

Miho has had her share of struggles. For example it took her time to find her first postdoctoral position. Not being part of the field, she lacked confidence upon the lack of answers to her applications. To her, academia’s “publish or perish” system is strongly against the very nature of  how scientists should do their research. And there are other big worries like not everyone having equal opportunities in the field, and the impacts of frequent travels on climate change.

How to survive?  Miho does not have a golden key but she emphasizes finding what ‘balance’ means to oneself, and self-knowledge. To not get lost in the system and continue enjoying what one does, take the time to think about what is important for you and find your core interests and values.

She reminds us that ‘balance’ should not be seen as an everyday goal. There is no need to worry if some days you work too little and some days too much. What matters is to define what balance means to you, keep this in check in the long run and acknowledge that the definition of balance may change over time. Miho also urges us to go outdoors when the mind is too wired.

Being an active scientist and a mother has pushed her even further to reconsider what is important to her and to prioritize. Miho has gathered a support network and research work luckily offers some flexibility.

Wonderful world

Although the universe is full of wonders, the Sun remains Miho’s favorite celestial body. She mentions being almost every day perplexed by the enormous breath of physics one can do with the available data. There is no equivalent to the star, where one can study small scales related to particles and waves, as well as large scale events such as global solar eruptions that affect us and other planets of the solar system.

Miho has already had an inspiring journey and for some reason I did not ask the usual question of where she sees herself in ten years. When this came up, she mentioned not having had an answer anyway, the reason being that there are so many more opportunities than one realizes. And they may appear suddenly.

Ten years ago, she herself would not have imagined working as part of European Space Agency’s team analysing data from one of the most exciting spacecraft we have sent to space.

The fascination brought by the big question about life elsewhere in the universe has not been forgotten. Miho was thrilled by the recent launch of the JUICE spacecraft to study icy moons of Jupiter. Perhaps someday she will explore the habitability of planets around other stars.

And if not academia? Miho considers being a data scientist the most likely option. She enjoys finding patterns in data and finds creativity in coding.

Or maybe she would open a cafe offering movie and science nights. Educational aspects of science and making it accessible to all have inspired her more and more in recent years. She mentions an important moment when she went to a kindergarten to talk about the Sun and heard afterwards that one of the kids got so enthralled by her presentation that she wanted to become an astrophysicist.

And if money was not a problem? You could find Miho on scientific expeditions tagging penguins in Antarctica or observing peaceful Bonobo monkeys in Borneo, quenching her thirst for both adventures around the world and scientific discoveries.

I am so grateful that Miho shared her story. One can flourish in science without having a clear path in mind. Discussing with her showed the importance of being curious and passionate, striving for self-knowledge and accepting the changes as part of your life. These things are not only important in academia, but also in other careers and in life in general. 

pictures: Miho Janvier’s personal collection

Published 12.10.2021 at the SWATNet project webpage.

(pic: Prof. Minna Palmroth’s Introduction to Plasma Physics class)

Ladies and Gentlemen of SWATNet class ’21:  Ask Questions.

If I could offer you only one tip for the future, asking questions would be it. (For more general life advices, please listen to this)

***

We all know that uncomfortable silence when no hands rise for questions after a lecture or a seminar has ended.  ‘So all was clear…’, the lecturer/presenter mutters finally awkwardly.  Everyone gathers their stuff and quietly leaves the room.

Maybe it was all clear. More likely, it was so difficult and fast-paced that nobody could come up with a sensible question. Or someone had one, but thought it was too obvious or was afraid to speak up.

Young children are constantly asking questions, even to the point of annoyance. But as years go by, questions get fewer and fewer, until they almost completely cease.

Benefits of questioning

Why is it important to keep asking questions?

It is not so that you can impress, or try to look smart or baffe the speaker.

It is because that fosters interactions, challenges your understanding, and enhances critical thinking and creativity.

Asking questions helps you to learn more efficiently. It is a way to self-assess, clarify things and place them in context with what you already know.  It enhances your verbal, communication and problem solving skills.

***

A well-formulated question is the foundation of research.

It is (or at least should be) the starting point of every scientific article. In funding proposals you need to come up with a set of research questions that convince the reviewers that you are going to make something groundbreaking if they grant you the money.

“If the apple falls, does the moon also fall?” Isaac Newton asked in 1666 while having an evening walk through his garden. And the rest is history.

***

Asking questions is also a great way to network, boost your visibility in the scientific community and support the presenter.

By doing that you show interest in what others are working on and possibly even advance their research. This could lead not only to fruitful exchange of ideas, but initiate new collaborations.

Your questions will make the event a better experience for everyone. All speakers generally like getting questions, even very straightforward ones, and discussions allow the whole audience to get more out of the topic.

Different types of questions

There are no bad questions. But different kinds of questions have different value.

Benjamin Bloom was an American educational psychologist who in the 1950s developed a method to categorize cognitive skills. In the revised version of ‘Bloom’s taxonomy’ the six levels of thinking from the lowest to highest are: 1) Remembering , 2) Understanding, 3) Applying, 4) Analyzing, 5) Evaluating, and 6) Creating.

Climbing towards the top of the Bloom’s taxonomy requires active contribution from the learner and asking questions will help in that endeavor.

***

Fact-based questions aim at getting basic knowledge about the subject and procedures.  They rarely lead to profound discussions, but are also valuable. For example, it is critical to understand temporal and spatial scales to build a comprehensive picture of the system and comprehend underlying physical processes.

Conceptual questions in turn aim at the highest levels of thinking and enhance deep learning. They target for example for linking, comparing, and justifying, and finally, for producing original work and new knowledge.

Things that keep us silent

Alecia Carter, a research scientist  at the University of Montpellier in France and her co-workers published in 2018 an article about question-asking behaviour at academic seminars. They found key reasons to remain silent being a fear that the question in mind was not appropriate, worry that the content was misunderstood and not having the nerve to ask.

The common answers to open-ended questions included reasons such as feeling unimportant, being worried about judgement from the members of the audience and feeling uncomfortable with the language.

It is a pity if one refrains from discussion due to unfounded doubts. It is almost certain that the question you were afraid to ask was at least on half of the audience’s mind.

According to Carter’s study males ask 2.5 times more questions than their female colleagues. Females also found internal concerns and personal characteristics more limiting than men. Positive role models are crucial. If you are a female and have a question, it is even more important that you speak up.

***

There are also several other reasons for not raising the hand.

It could be just a lazy day or being distracted. At conferences almost everyone nowadays has a laptop open or a mobile phone at hand. Although multi-tasking is sometimes necessary, it prevents us from fully paying attention. We hear just bits and pieces.

New things may come so quickly that there is no time to process the information, in particular if you lack the background. And sometimes the speaker is just so completely confusing and dives straight into a zoo of incomprehensible details that all listeners are lost after the opening line.

Mastering the skill

If you are not a natural-born-question-asker you can luckily practise this valuable skill.

Coming up with a question takes effort and most of us need a systematic plan to make it a habit.  You need to stay alert, listen actively and reflect. Taking notes during the talk/lecture helps in that.

One of my students once told me that he had decided to challenge himself by asking at least one question during all upcoming seminars. What an excellent idea!

The majority, even senior ones, feel nervous asking in a big auditorium full of experts. One can start practising in smaller seminars and workshops.  You can also approach the speaker/lecturer afterwards or write an email.

***

It is easier to shape questions on topics you are familiar with. If it is a lecture, try to find time to read the material beforehand. For seminars and conference talks it is good to think some typical questions to ask.

You can inquire details about methodologies. Were there assumptions or techniques not clearly explained? Or alternative ways to do the analysis. The speaker is also usually delighted to share more information about observations or numerical approaches.

Perhaps there were some results you can ask the speaker to elaborate. Confusing things in the plots, no uncertainties shown or weird data outliers she/he did not have time to discuss. Maybe it was not fully obvious how the conclusions were reached based on the data that was shown.

Could there be other interpretations or possibilities to extrapolate the results? If several explanations are given, you can ask what the presenter considers the most likely scenario. Was there something that surprised you or contradicted your current understanding?

You can also ask about future plans to continue the research, perhaps in a new setting or with a different data set. Are there some new observations or numerical advancements foreseen that allow resolving the open problems?

Right questions

So challenge yourself to ask more questions. It will help you to blossom as a researcher and develop your own ideas. You will start to enjoy the lectures, seminars and conferences more. Even if you would not finally raise the hand, just by formulating questions in your mind is beneficial in many ways.

The world is not simple, but beautifully complex.

Focus on learning to realise what you do not understand and in particular what you would love to find out. A French philosopher and anthropologist Claude Lévi-Strauss stated: “The scientist is not a person who gives the right answers, but the one who asks the right questions.”

Published 23.9.2021 SWATNet project blog

Maxime Grandin is a postdoctoral researcher at University of Helsinki’s space physics team who studies aurora and likes to bake cakes. He is also a former Cotutelle student.

PhD work Maxime did as a collaboration between University of Oulu and Paul Sabatier University in Toulouse. He spent most of the time at the Sodankylä Geophysical Observatory, located far in northern Finland beyond the Arctic Circle.

Not only did Maxime become an expert on ionospheric research, but he developed a love for polar nights, weird Finnish movies and swimming in freezing waters.

What a wonderful experience for a young scientist!

***

This in mind, we planned a few years back with a good colleague of mine at École Polytechnique to have doctoral students together. Offer them an opportuniy to work, study and live in two great cities, Paris and Helsinki.

I started reading for further information on how to apply for funding for a shared student. After about ten minutes, I gave up.

Cotutelle. Co-Tutelle. The word derives from French, meaning guarding together. Otherwise, I hardly understood anything. The process seemed administratively… just impossible.

Now I am coordinating a Marie Curie Innovative Network with 12 doctoral students. All of them are working towards co-hosted degrees.

Maybe Cotutelles are not as scary as they sound.

***

A Cotutelle (or double) degree means that a student is supervised from two universities under a mutual agreement. The student will enroll to doctoral programs at each university, studies and works at both places and will finally receive two diplomas. One doctoral thesis is submitted (double degree does not mean double work!), but it is evaluated separately. There are also joint degrees where two universities have established even stronger ties together by developing a joint study program. In this case, the thesis will be evaluated jointly and the student will receive one certificate.

The core of confusion is the ‘Cotutelle Agreement’. This important document includes agreeing on things like tuition fees, social security, division of stays at each university, requirements for the studies and the thesis, intellectual property rights, and things related to re-examination and grading of the thesis, and the defence itself.

Although most universities have an existing template to start with, finalizing the agreement requires long negotiations. Polishing the text, sending it back and forth for comments, corrections and additions. Checking the things. Double-checking the things.

Luckily, this is not the fight of the supervisor nor of the student. Administrative personnel will do the dirty work.

Training Officer Maija Tiippana from the University of Helsinki confirms that making the agreement is time-consuming.  It takes at least several months, sometimes even a year. According to her, agreeing on thesis requirements and evaluation, and on the details of the defence demands often more effort than the other items.

Could there be cases that the agreement is not reached at all? According to Maija if both parties are committed the agreement will be finally reached. But there are universities who just do not have Cotutelles.

***

How to start the Cotutelle process from the supervisor’s perspective?

First and foremost, there has to be a research idea that genuinely benefits a student from working at two places. Supervisors need to actively communicate and it helps if they already have an on-going collaboration. Funding and a suitable student are also naturally needed. The next step is to contact the coordinators of the doctoral programmes at both universities.

Supervisors decide how the stays will be divided and what courses the student will take at each university to meet the required amount of credits.

Working contracts and enrollment to doctoral programs are both done before the Cotutelle Agreement will be signed. If it is delayed, no worries, research and studies can progress.

***

For a student, pursuing a co-hosted degree can be a life changing experience.

Maxime feels he got the best of both worlds. Working at two places was scientifically stimulating and he also learned a lot about differences in academic life between Finland and France.

Doing the Cotutelle was Maxime’s own idea. As a master student he did a seven months trainee period at the Sodankylä Observatory and was invited to come back at any time.  Excited, Maxime started to plan his PhD in the North.

Everyone – practically everyone at home told he was crazy. Half a year they could understand, but how would he survive four years at those latitudes? Starting to doubt himself, Maxime began to search whether he could keep one foot in France.

Making the agreement was painful. In France Cotutelle was a common procedure, but for the University of Oulu this turned out to be the first such contract in physics with a French university. Maxime had to manage a lot of the paperwork and it took a year to have everything ready.

Bureaucracy is the only negative thing Maxime mentions about the double degree. But even there is a bright side. He is now used to dealing with complex administrational tasks (a useful skill in today’s academia!).

Agreeing on defence details was also tricky. In Finland there is only one opponent, while in France it is a jury. But everything worked out and the after party also reflected two cultures. The guests enjoyed local dishes – reindeer meat and root vegetables, while the wine was naturally French.

Maxime definitely recommends doing Cotutelles. It broadened his science and expertise compared to doing PhD in one place only. In Sodankylä he focused on the ground data and terrestrial ionosphere, while in Toulouse on simulating Martian ionosphere.

Working in Sodankylä took Maxime even further up in the north. He spent one spring semester at the University Centre in Svalbard (UNIS) to take courses in Arctic Geophysics and obtain the necessary credits.

Having supervisors from two different countries was also beneficial. Maxime got more input from his work and was exposed to different ways of supervising. His Cotutelle also triggered new collaborations between researchers at two universities involved.

***

The number of Cotutelles and joint degrees is on the rise. And no wonder. Despite some challenges, there are many benefits for the universities, supervisors and students.

Co-hosted degrees foster mobility and internationality, enhance collaborations and allow sharing good practices of doctoral education across the borders.

The process is also becoming easier and faster as the experience grows and there is more targeted money available. European Commission’s Marie Curie Innovative Networks are a great way to have designated funding for double/joint degree students working under the same theme.

My first Cotutelle student just started. He won’t be sipping cappuccinos in Paris, but will spend a year at the Katholieke University in the beautiful city of Leuven in Belgium.

Teksti: Emilia Kilpua, Julkaistu Kestävän avaruustieteen ja -tekniikan huippuyksikön sivuilla 8.4.2019

Mykistynyt mit­talaite

”My God, Space is radioactive!” huudahti Ernie Ray.  Oli vuosi 1958 ja Yhdysvaltain avaruushallinnon ensimmäinen satelliitti Explorer 1 oli juuri löytänyt Maata ympäröivät säteilyvyöt.

Ray työskenteli Iowan yliopistossa professori James Van Allenin johtamassa tiimissä, joka oli suunnitellut ja rakentanut Explorerin mukana matkanneen Geiger-putken. Instrumentti mittasi suunnitelmien mukaan kosmisia säteitä aina tuhannen kilometrin korkeudelle asti. Sitten se mystisesti hiljeni.

Mittalaitteen mykistymisen syyksi paljastui siis odottamattoman voimakas korkeaenergiaisten hiukkasten pommitus.  Seuraavana vuonna joukko luotaimia teki lisää mittauksia ja havaittiin, että planeettaamme ympäröi kaksi erillistä korkean säteilyn – Van Allenin – vyötä; sisempi protonivyö ja ulompi elektronivyö, joka ulottautuu noin seitsemän Maan säteen etäisyydelle.

Pian selvisi myös, että protonivyö on suhteellisen vakaa, mutta elektronivyö jatkuvassa myllerryksessä. Lähes valonnopeudella kulkevat elektronit saattavat ilmestyä vain sekunneissa ja vastaavasti vyö voi hetkessä tyhjentyä lähes kokonaan. Hurjimmat muutokset tapahtuvat ”säteilyvöiden sydämessä”, eli noin 4-5 Maan säteen etäisyydellä.

Tässä kertomuksessa keskitymme ulompaan elektronivyöhön.

Mag­n­eet­tisen pul­lon vangit

Van Allenin vöiden löytyessä tunnettiin jo perusteet miten varatut hiukkaset liikkuvat Maan magneettikentässä. Ensinnäkin elektronit kieppuvat pientä ympyränmuotoista rataa noin millisekunnin pyörähdysvauhdilla. Samalla ne poukkoilevat eteläisen ja pohjoisen pallonpuoliskon välillä vangittuina Maan magneettikentän muodostamaan magneettiseen pulloon.  Edestakaiseen ponnahdukseen pullossa kuluu noin sekunnin verran. Lisäksi elektronit kulkeutuvat itään päin Maan ympäri kerran muutamassa minuutissa.

Mutta miten elektronit päätyivät pulloon ja miten ne saivat valtavan nopeutensa?

Näitä kysymyksiä on pohdittu jo vuosikymmeniä, mutta ne ovat vielä osin vastausta vailla. Ulompi säteilyvyö on hämmästyttävän monimutkainen systeemi, jonka tutkimus pureutuu vaikeimpaan plasmafysiikkaan. Se ei paljasta salaisuuksiaan helpolla ja uudet mittaukset osoittavat aina jotain yllättävää.

Säteilyvöiden dynamiikkaa kontrolloi planeettaamme lähiavaruutta riepotteleva aurinkotuuli ja siitä seuraavat muutokset Maan magneettikentässä. Elektronin kohtalon ratkaisee useiden prosessien yhteisvaikutus. Keskiössä on aaltojen ja elektronien energianvaihto.

Av­aruus täynnä aaltoja

Avaruusmyrskyjen aikana Maan magneettikehä täyttyy plasma-aalloista, joiden tahdissa elektronit tanssivat.

Säteilyvyön elektroni kiitää siis halki nopeasti muuttuvan avaruuden ja kohtaa matkallaan useita erilaisia plasma-aaltoja. Haasteena on lisäksi se, että tietty aalto voi paitsi kasvattaa elektronin energiaa, myös vapauttaa sen magneettikentän vankilasta.

Esimerkkinä ovat hyvin matalataajuiset (Ultra Low Frequency; ULF) aallot, jotka liittyvät koko geomagneettisen kentän sykkimiseen. ULF-aallot potkivat vangittuja elektroneja niiden kiertäessä Maata ympäri. Elektronit siirtyvät joko lähemmäksi tai kauemmaksi Maasta ja samalla niiden energia (ja nopeus) kasvaa tai vähenee.

Nopeasti heilahtelevat syklotroni- ja kuoroaallot potkivat puolestaan elektroneja niiden pyöriessä magneettikentässä. Kuoroaaltojen potkut kiihdyttävät elektroneita niin, että ne pysyvät edelleen vangittuina magneettisessa pullossa.  Suurimpien energioiden saavuttamiseksi kuorolaulun täytyy kuitenkin soida tarpeeksi pitkään, sillä aallot kiihdyttävät elektroneja pikkuhiljaa.

Syklotroniaallot ja voimakkaimmat kuoroaallot sen sijaan sirottavat elektroneja pullosta yläilmakehään, missä ne törmäävät neutraaleihin atomeihin. Näillä säteilyvöistä karanneilla korkeaenergiasilla elektroneilla on merkittäviä vaikutuksia ilmakehän kemiaan ja otsonin määrään.

Huippuyksikön säteilyvyötutkimusta

Huippuyksikkömme selvittää miten aurinkotuulen rakenteet (Auringosta peräisin olevat purkauspilvet, niiden edellä ajamat turbulentit välivyöhykkeet, sekä nopean ja hitaan aurinkotuulen vuorovaikutusalueet) vaikuttavat Maan lähiavaruuden aaltoihin, sekä prosesseihin, jotka kiihdyttävät ja poistavat säteilyvöiden elektroneita.

Kiihdyttääkö elektroneja pääosin ULF aaltojen aiheuttama kulkeutuminen vai kuoroaaltojen potkut? Tyhjenevätkö vyöt elektronisateesta ilmakehään vai katoavatko elektronit Maan magneettikehän ulkoreunalle?

Julkaisimme vuonna 2019 kaksi aiheeseen liittyvää tutkimusta Journal of Geophysical Research-lehdessä, joissa käytimme kahden, vuonna 2012 laukaistun Van Allen-luotaimen mittauksia.

Ensimmäisessä julkaisussa (Turner et al., 2019) teimme kattavan tilastollisen analyysin ulomman vyön elektronien vaihteluista geomagneettisten myrskyjen aikana koko Van Allenin-luotainmission ajalta. Tulokset painottavat muutosten merkittävää riippuvuutta elektronien energiasta ja etäisyydestä Maasta. Muutosten ennustettavuus parani selvästi, kun järjestimme mittaukset aurinkotuulen rakenteiden mukaan.

Toisessa julkaisussa (Kilpua et al., 2019) tutkimme matkan varrella Auringosta Maahan yhteen sulautuneiden koronan massapurkausten vaikutuksia säteilyvöihin. Havaitsimme, että tällaisen monimutkaisen rakenteen aikana korkeaenergiaiset elektronit pääsääntöisesti katoavat säteilyvöistä, kun taas matalamman energian elektronivuot vuoroin kasvavat, vuoroin vähenevät. Nopeat elektronit ilmestyivät vasta purkauspilven aikana, joka osui Maan magneettikehään vain reunastaan. Tällöin ULF- ja kuoroaallot pääsivät yhdessä kiihdyttämään elektroneja. Analyysimme osoitti myös, että purkauksen välivyöhykkeen pyyhkiessä Maan ohitse on lähiavaruudessamme poikkeuksellisen paljon plasma-aaltoja.

Piensa­tel­liitilla säteilyvöiden sydämeen

Muun muassa satelliitit geostationaarisella radalla sekä navigaatio- ja kommunikaatiosatelliitit kulkevat uloimman säteilyvyön lävitse.  Korkeaenergiaiset ”tappajaelektronit” tunkeutuvat satelliitin suojauksen lävitse ja varaavat sen rakenteita sähköisesti.  Seurauksena voi olla kohtalokas sisäinen sähköpurkaus, joka vahingoittaa elektroniikkaa ja pahimmallaan tappaa koko satelliitin.

Pikkuiset nanosatelliitit ovat erityisen haavoittuvaisia. Niiden komponentteja ei ole suunniteltu kestämään säteilyä ja niiden rungon tarjoama suojaus on ohuempaa kuin isojen satelliittien.

Huippuyksikkömme toinen oma nanosatelliitti FORESAIL-2 lähetetään rohkeasti suoraan säteilyvöiden sydämeen. Yksi hankkeen päätehtävistä onkin selvittää kauanko pieni satelliitti selviää hankalissa säteilyolosuhteissa. Satelliittiin suunnitellaan uudenlaisia autonomisia varojärjestelmiä, joiden uskomme pidentävän merkittävästi sen elinikää.

Lisäksi FORESAIL-2 tulee tekemään tärkeitä tiedemittauksia. Luotain mittaa elektroneja useilla eri energioilla ja etäisyyksillä Maasta. Mittaamme myös magneettikenttää ja sen aaltoja, erityisesti ULF ja syklotroniaaltoja.

 

Julkaisut:

Turner, D., E.K.J. Kilpua, H. Hietala, S.G. Claudepierre, T.P. O’Brien, J.F. Fennell, J.B. Blake, A.N. Jaynes, S. Kanekal, D.N. Baker, H.E. Spence, J-F. Ripoll, and G.D. Reeves, The response of Earth’s electron radiation belts to geomagnetic storms: Statistics from the Van Allen Probes era including effects from different storm drivers, J. Geophys. Res., 10.1029/2018JA026066, 2019.

Kilpua, E.K.J., D.L. Turner, A. Jaynes, H. Hietala, H.E.J. Koskinen, A. Osmane, M. Palmroth, T.I. Pulkkinen, R. Vainio, D. Baker, S. Claudepierre, Outer Van Allen radiation belt response to interacting interplanetary coronal mass ejections, J. Geophys. Res., doi:10.1029/2018JA026238, 2019

Teksti: Emilia Kilpua, julkaistu 22.03.2021 Fyysikkoseuran blogissa

“Kuinka voi olla mahdollista, että joku elää täällä maapallolla, eikä halua tutkia universumia?”

Tähtitieteilijä Vera Rubin (1928-2016) oli pimeän aineen tutkimuksen johtohahmoja ja upea roolimalli.

Vera Rubinin elämää ja työtä esitteli Suomen Fyysikkoseuran ja Aalto yliopiston Fyysikkoalumni järjestämässä ‘Historian Suuret Fyysikot’ seminaarisarjassa professori Neta Bahcall. Hän oli Veran läheinen kollega ja  paras ystävänsä yli 40 vuoden ajan.

Tämä kirjoitus on tehty Netan esitelmän pohjalta.

Vera kiinnostui tähdistä lapsena asuessaan Philadelphiassa. Hän ihaili huoneensa ikkunasta yöllistä taivasta ja jo kymmenvuotiaana tiesi haluavansa isona tähtitieteilijäksi.

Pieni Vera ei tosin tiennyt miten tähtitieteilijäksi tullaan, mutta heti opintojensa alettua hän eteni määrätietoisesti tätä päämäärää kohti. Kandi-tutkintoaan Vera lähti suorittamaan Vassarin collegeen New Yorkin osavaltioon, koska ensimmäinen yhdysvaltalainen naisastronomi Maria Mitchell oli aikoinaan opettanut siellä. Opinahjosta löytyi myös kaukoputki, jota Vera ahkerasti käytti.

Vera valmistui 19-vuotiaana vuonna 1948 ja ainoana vuosikurssiltaan tähtitiede pääaineena.  Hän meni samana vuonna naimisiin Rob Rubinin kanssa.

Tuolloin Rob opiskeli Cornellin yliopistossa, jonne Vera lähti myös jatkamaan opintojaan.  Haastattelija tosin neuvoi häntä keskittymään taiteeseen tutkimuksen sijaan. Vera seurasi kuitenkin unelmaansa ja opiskeli Cornellissa fysiikkaa ja astronomiaa. Hän valmistui maisteriksi vuonna 1951.

Pian tämän jälkeen Vera ja Rob muuttivat Washingtoniin, jossa Vera alkoi opiskella tohtoriksi Georgetownin yliopistossa ohjaajanaan kuuluisa George Gamov.  Vera oli raskaana ja perheellä oli jo yksi lapsi. Tähtitieteen luennot olivat iltaisin, joten Rob ajoi Veran luennoille ja odotti vaimoaan autossa tai yliopiston kirjastossa.

Jo Cornellin vuosina Vera oli työskennellyt galaksien liikkeiden parissa ja hän jatkoi tätä tukimusta myös Georgetownissa. Hänen väitöskirjansa osoitti, että galaksit kerääntyvät joukoiksi, eivätkä jakaudu tasaisesti.

Valmistuttuaan tohtoriksi Vera jatkoi työskentelyä Washingtonin alueella useissa eri viroissa.  1960-luvulla hän teki havaintoja mm. Palomarin observatoriolla ja useilla teleskoopeilla käyttäen Kent Fordin rakentamaa spektrografia, jonka avulla galaksien ja tähtien liikkeitä pystyttiin mittaamaan paljon aikaisempaa tarkemmin.

Vuonna 1970 Vera julkaisi Fordin kanssa paperin, jossa tehtiin yllättävä havainto. Andromedan galaksin tähtien pyörimisnopeus pysyi lähes tasaisena etäisyyden kasvaessa useiden kiloparsekkien etäisyydelle, eikä tippunut kuten olisi voinut olettaa galaksin massan perusteella (Kuva 1). Andromedan täytyi siis sisältää runsaasti meille näkymätöntä materiaa.

Tähtieteilijä Fritz Zwicky oli ehdottanut pimeän aineen olemassaoloa jo vuonna 1933 perustuen galaksijoukkojen liikkeisiin. Tämä ehdotus oli pysynyt kuitenkin kiisteltynä yli 40 vuoden ajan. Veran ja Fordin tulokset osoittivat kiistatta, että Andromedan galaksia ympäröi pimeän aineen halo.

Läpi uransa Vera taisteli ennakkoluuloja vastaan. Esimerkiksi hakiessa havaintoaikaa Kaliforniassa sijaitsevalle Palomarin observatoriolle hänelle kerrottiin, että se ei ole naisille mahdollista. Observatoriolla ei kuulemma ollut majoitustiloja naisille ja vain yksi vessa, miehille. Vera kirjoitti paperipalalle ‘women’, liimasi sen huussin oveen ja ilmoitti, että nyt löytyy myös naisten vessa.

Näin Verasta tuli ensimmäinen nainen, joka pääsi tekemään Palomarissa havaintoja. Hänen asenteensa oli, että asioita voidaan muuttaa.

Ihmisenä Vera oli lämminhenkinen, rohkea ja ystävällinen.  Hän oli mahtava persoonallisuus, jonka positiivisuus ja innostus saivat kaikki rakastamaan häntä.

Veran intohimot olivat tiede ja hänen perheensä. Vera ja Rob olivat onnellisesti naimisissa 60 vuotta ja saivat neljä lasta. Jokaisesta tuli aikoinaan luonnontieteen tai matematiikan tutkija.

Vera Rubinin merkittävin tieteellinen saavutus oli kiistattomat todisteet, että pimeää ainetta täytyy olla olemassa. Hän toisti nopeuskäyrätutkimuksensa useille galakseille ja jatkoi työtään galaksien liikkeiden parissa. Hän sai uransa aikana useita palkintoja ja kunnianosoituksia.

Yksi merkittävä kunnianosoitus Veran työlle on Chileen Cerro Pachón -vuorelle lähes 3000 metrin korkeuteen tänä vuonna valmistuva Vera C. Rubin-observatorio. Tämä valovoimainen ja laaja-alainen optinen teleskooppi tuottaa aikanaan valtavat määrät kuvia.  Yksi sen päätavoitteista on tutkia pimeää ainetta ja energiaa.

Continue reading Fysiikan viemä

Teksti: Emilia Kilpua, Julkaistu Fyysikkoseuran juhlablogissa 8.3.2018

Etsin alkuvuodesta Fyysikkoseuran blogiin historiallisesti merkittäviä suomalaisia naisfyysikoita ja Eva Isaksson vinkkasi minulle Eugenie Lisitzinin. Eugenie taitaa olla fyysikkopiireissä vähemmän tunnettu henkilö ja hänestä löytyy verrattain vähän tietoa. Hän oli kuitenkin loistava tutkija, älykäs persoona ja monessa suhteessa aikansa edelläkävijä. Eugenien tarina ansaitsee siis tulla paremmin julkisuuteen ja on hienoa, että saan nyt esitellä hänet blogissa.

Fyysikko ja merentutkija

Eugenie Lisitzin (1908-1989) elämässä kietoutui kiehtovalla tavalla yhteen poikkeuksellinen lahjakkuus tutkijana, kansainvälisyys, sekä rakkaus kulttuuriin, historiaan ja taiteeseen.  Hän oli todellinen kosmopoliitti ja puhui sujuvasti yhdeksää kieltä. Varsinaisen tieteellisen uransa Eugenie teki merentutkimuksen parissa. Koulutukseltaan hän oli kuitenkin fyysikko ja fysiikka oli vahvasti mukana hänen tutkimuksessaan ja työssään.

Lisitzin alkujaan puolalainen suku oli asunut jo pitkään Suomessa, mutta isänsä opintomatkan vuoksi Eugenie syntyi Dresdenissä Saksassa.  Ylioppilaaksi Eugenie valmistui Viipurin ruotsinkielisestä tyttökoulusta. Hän opiskeli Helsingin yliopistossa fysiikkaa pääaineenaan ja suoritti laudaturtason opintoja myös useilta muilta aloilta. Vuonna 1938 Eugenie väitteli fysiikan tohtoriksi ensimmäisenä naisena Suomessa.

Merentutkimuslaitoksen palveluksessa Eugenie työskenteli lähes 40 vuotta, ensin assistenttina ja myöhemmin talassologina ja vedenkorkeusosaston osastopäällikkönä. Professoriksi hänet nimettiin vuonna 1965. Merentutkimuslaitoksen monivaiheisesta historiasta aina sen perustamisesta ensimmäisen maailmansodan jälkeen kuusikymmentäluvun loppuun voi lukea Eugenien kirjoittamasta kattavasta historiikista.

Työtoverit muistavat Eugenien hyvin energisenä ja innostuneena tutkijana, joka oli äärimmäisen tarkka.  Eugenien  työ keskittyi  vedenkorkeuden vaihteluihin ja vuorovesien liikkeisiin Itämeressä ja myös muissa merissä ja valtamerissä. Hän oli alallaan kansainvälisesti erittäin arvostettu ja tunnettu tutkija. Uransa aikana Eugenie tuotti yli sata tieteellistä julkaisua, joiden tuloksia siteerataan edelleen. Hän kirjoitti myös oppikirjan Sea Level Changes (1974). Teosta on käytetty, ja käytetään edelleen, lukuisissa yliopistoissa ympäri maailmaa merentutkimuksen opinnoissa.

Maailmankansalainen

Matkustelu oli Eugenielle elämäntapa ja hänen aktiivinen osallistuminen geofysiikan ja oseanografian kokouksiin vei suomalaista merentutkimusta maailmankartalle.  Hän osallistui myös lukuisiin retkikuntiin tutkimusalus Arandalla, jonka ensimmäinen retki Suomen merentutkimuksen palveluksessa tehtiin kesällä 1954.  Eugenie keräsi uransa aikana erittäin kattavan mittausaineiston ja hän johti myös myöhemmin useita Arandalla tehtyjä tieteellisiä tutkimuksia.

Eugenie tutustui aina syvällisesti vierailemiensa maiden kulttuuriin ja taiteeseen, jotka tieteen lisäksi pysyivät hänen intohimonaan läpi elämän. Hän myös luki paljon, aina kun vain löysi siihen aikaa.  Toistuvien matkojen myötä hänen lähipiirinsä pääsi nauttimaan suuren maailman tuulahduksista. Ylen radiokuunnelmassa ja dokumentissa hänen sisarentyttärensä Maria de Lisitzin muistelee kuinka ”Eugenie-täti” kirjoitti reissuiltaan kirjeitä ja toi jännittäviä tuliaisia. Myöhemmin Eugenie otti nuoren tytön mukaan matkoilleen mm. Italiaan ja Kreikkaan ja esiteli hänelle katedraalit, museot ja maalaukset. ”Hän tiesi kaiken niistä”, Maria kertoo, ”Olen kiitollinen kaikesta, minkä hän opetti minulle.”

Naistutkijoiden oikeuksien edistäjä

Näin naistenpäivänä haluan korostaa Eugenien roolia tasa-arvon edistäjänä. Hän työskenteli aikana, jolloin naisten oikeudet olivat alkaneet parantumaan, mutta tiedepiireissä omaa tutkimusta tekevä nainen oli vielä harvinainen ilmiö. Naisia ei myöskään saanut 1960-luvulle saakka nimittää Merentutkimuslaitoksen virkoihin, kemiallista osastoa lukuun ottamatta.  Eugenie joutuikin anomaan erikoisluvan saadakseen sekä assistentin että talassologin virat.  Ensimmäisenä suomalaisena väitelleen naisfyysikon rajapyykin lisäksi Eugenie hyväksyttiin myös ensimmäisenä naisena Suomen Tiedeseuran matemaattis-fysikaaliseen osastoon.  Läpi uransa Eugenie puolusti aktiivisesti naistutkijoiden asemaa ja ennen kaikkea osoitti esimerkillään, että merkittävää ei ole sukupuoli vaan ammattitaito ja antaumus tehdä tiedettä.

Lähteet

Eva Isaksson: Tiedenaiset

Eugenie Lisitzin, Meri, Helsinki 1978

Yle Magnitudi dokumentti, Osa 3, Ohjaus: Henrietta Clayhills. Tuotanto: Långfilm Productions, 2012.

Yle Radio Suomi  kuunnelma, 24.5.2011

Elämme aurinkotutkimuksen kultaisia vuosia. Parker Solar Probe kiitää kohti kuumaa koronaa ja hetki sitten julkistettiin Daniel K Inouye teleskoopin ennennäkemättömän tarkat kuvat Auringon pinnalta.  Ja ensi viikolla matkaan ampaisee vihdoinkin Solar Orbiter.

Solar Orbiter on Euroopan avaruusjärjestö ESA:n kunnianhimoinen hanke. Tämä pienen auton kokoinen ja virtahevon painoinen luotain sisältää kymmenen tieteellisestä mittalaitetta, jotka tutkivat Aurinkoa, aurinkotuulta, sekä auringonpurkauksia ja niiden kiihdyttämiä varattuja hiukkasia.

ESA:n  aurinkokiertäjä tulee nappaamaan myös ensimmäiset suorat kuvat tähtemme napa-alueista. Tämän mahdollistaa luotaimen soikea ja kallellaan oleva rata. Lähimmillään Aurinkoa Solar Orbiter käy Merkuriuksen radan sisäpuolella, noin 42 miljoonan kilometrin päässä Auringosta ja nousee jopa yli 30 astetta planeettojen ratatasosta.

Tieteellisten mittausten päävaihe alkaa marraskuussa 2021 ja päättyy joulukuussa 2026, jonka aikana luotain kiertää 22 kierrosta Auringon ympäri. Hanketta on tarkoitus jatkaa tämän jälkeen vielä ainakin muutamalla vuodella. Päästäkseen suunnitellu radalleen Solar Orbiter tekee kaksi Venuksen ohilentoa ja yhden Maan ohilennon. Tämän jälkeen luotain kohtaa Venuksen aina parin kierroksen välein ja ohilennot kasvattavat hiljalleen radan kaltevuutta.

Mitä itse odotan tältä luotaimelta?

Oikeastaan ihan kaikkea!

Solar Orbiter tarjoaa uskomattoman mittausten aarreaitan. Kattava kokoelma instrumentteja ja niiden huippuluokan havainnot vaihtelevilla etäisyyksillä Auringosta mahdollistavat monenlaista tiedettä.

Tiimini kanssa Helsingin yliopistolla aiomme  tutkia miten Auringon valtavat plasmapilvet kehittyvät ja vuorovaikuttavat planeettainvälisessä avaruudessa. Erityisesti meitä kiinnostaa se, miten pilvien magneettinen rakenne muuttuu matkalla,  sekä purkausten edellään ajaman turbulentin sheath alueen pienen-skaalan magneettinen rakenne. Plasmapilvet ja sheath-alueet aiheuttavat kaikista voimakkaimmat myrskyt Maan lähiavaruudessa. Sheath-alueet tarjoavat myös ainutlaatuisen luonnollisen laboratorion tutkia perustavanlaatuisia plasmafysiikan prosesseja ja tämän monimutkaisen alueen muodostuminen on vielä erittäin huonosti tunnettu.

Lisäksi käytämme Solar Orbiterin mittauksia validoimaan ryhmässäni kehitettäviä uusia koronan malleja ja Eurooppalaista EUHFORIA-avaruussääsimulaatiota. Tällä hetkellä mallien ennustuksia verrataan pääosin Maan kiertoradan etäisyydeltä saatuihin mittauksiin.

Solar Orbiter tarjoaa lisäksi paljon entistä tarkempaa ja kattavampaa tietoa Auringon pinnan magneettikentästä. Auringon monimutkainen ja alati muuttuva magneettikenttä on tähtemme dynaamisuuden ja purkausten taustalla. Luotaimen kaksi teleskoopit tuottavat magnetogrammeja, karttoja magneettikentästä auringon pinnalla, joilla voidaan ajaa sekä ryhmäni koronan malleja, että EUHFORIA-simulaatiota. Toinen teleskooppi katsoo koko Auringon näkyvää pintaa kerralla ja toinen tuottaa korkeamman resoluution kuvia pienemmistä alueista.

Kiehtovaa on myös se, että Solar Orbiter ja Parker Solar Probe voivat havaita saman purkauksen aurinkotuulessa. Koska Auringon aktiivisuus on taas kasvamassa uskon, että saamme useita tällaisia tapauksia tutkittavaksi. Myös ESA:n ja Japanin avaruusjärjestön Merkuriukseen matkaava BepiColombo, sekä Lagrangan ensimmäisessä pisteessä olevat luotaimet  tarjoavat lisää havaintopisteitä.

Tiedossa on siis todellinen aurinkoluotainten armada.

Ylläkuvatut tutkimusaiheet liittyvät sekä Euroopan tutkimusneuvosto ERC:n rahoittamaan Consolidator Grant SolMAG projektini, että Suomen Akatemian  Kestävän avaruustieteen ja -tekniikan huippuyksikkön tavoitteisiin. EUHFORIA-simulaatiota kehitämme edelleen H2020 konsortio EUHFORIA 2.0 projektissa.

Solar Orbiter laukaistaan Kennedyn avaruuskeskuksesta Floridasta Atlas V -kantoraketin saattelemana.  Laukaisua yritetään näillä näkymin Suomen aikaa helmikuun 9. päivän aamulla. Laukaisuikkuna aukeaa kello 6.15 ja se on avoinna kaksi tuntia.

Solar Orbiter laukaistiin lopulta maanantai-aamuna 10.2 kello 6.03. Kaikki meni hienosti, signaali saatiin ja aurinkopaneelit avautuivat. Ja ensimmäisiä mittauksia on jo alkanut tulemaan.