Helsingin yliopiston avaruusfysiikan ryhmässä vieraili 14-18.11.2022 kaksi TET-harjoittelijaa yläasteelta (Anna Pärssinen Sipoonlahden koulusta ja Aurora Airaksinen Viikin normaalikoulusta). He tutustuivat ryhmän toimintaan ja tekivät Maata ympäröiviin säteilyvöihin liittyvän pienen tutkimustyön. Aiheen taustoihin perehtyäkseen he etsivät ensin tietoa tärkeimmistä käsitteistä ja kirjoittivat näistä esittelyt. Alla on heidän kirjoittama teksti
Kirjoittajat: Anna Pärssinen ja Aurora Airaksinen
Aurinkotuuli
Aurinkotuuli tarkoittaa sitä, että aurinko puhaltaa jatkuvana virtana avaruuteen kaasukehänsä päällimmäisiä osia ja samalla magneettikenttäänsä. Auringosta tulevan tuulen suuntautuessa kohti maapalloa ja kohdatessa Maan magneettikenttän, erilaisen tapahtumien seurauksena syntyy revontulia. Aurinkotuulen ominaisuudet vaihtelevat paljon Auringon tapahtumista riippuen, eli Auringolla on aktiivisempia ja rauhallisempia vaiheita. Kuitenkin jonkinlainen hiukkasvirta on olemassa koko ajan.
Aurinkotuuli koostuu plasmasta, eli sähköisesti varautuneiden elektronien ja protonien (vetyatomin ydinten) muodostamasta kaasusta. Aurinkotuulen seassa on myös heliumytimiä (noin 8%) ja vähän muita Auringon sisältämiä raskaampia alkuaineita.
Aurinkotuulen nopeus vaihtelee, mutta se on keskimäärin 300-400 km/h. Se voi kuitenkin nousta enimmillään jopa 1000 km/h. Sillä kestää noin 2-4 päivää saapua Auringosta Maan etäisyydelle. Aurinkotuulen tiheys Maan etäisyydellä on noin 5-10 hiukkasta per kuutiosenttimetri. Maan ilmakehän tiheys merenpinnan tasolla puolestaan on noin 1,225 kg kuutiometriä kohden. Se on siis paljon tiheämpi kuin aurinkotuulen tiheys maapallon etäisyydellä.
Auringosta lähtee jatkuva aurinkotuuli ja erilaisia purkauksia (credit: NASA)
Maan magneettikenttä
Maapallon magneettikenttä on kaksinapainen. Se syntyy miljardien ampeerien suuruisista sähkövirroista. Niiden avulla se pystyy ulottumaan kauas avaruuteen. Magneettikenttä syntyy Maan nestemäisessä ulkoytimessä, ja se estää aurinkotuulen hiukkasia pääsemästä lähelle Maata. Ilman magneettikenttää elämä maapallolla ei olisi mahdollista.
Maapallolla on sauvamagneettia muistuttava dipolikenttä (credit: https://physics.aps.org/articles/v9/91)
Säteilyvyöt
Maata ympäröi korkeaenergiaisten hiukkasten muodostamat säteilyvyöt. Ulomman säteilyvyön ja maapallon pinnan välinen etäisyys on 13 000-58 000 kilometriä (8 400- 36 000 mailia). Sisempi säteilyvyö koostuu positiivisesti varautuneista protoneista, ja ulompi puolestaan sekä protoneista että negatiivisesti varautuneista elektroneista.
Säteilyvöitä on tärkeä tutkia, koska sen hiukkaset voivat olla haitaksi satelliittien elektroniikalle ja aurinkopaneeleille. Tutkijat pyrkivät siis selvittämään, miten haittoja voidaan pienentää tai välttää kokonaan niiden satelliittien kohdalla, jotka ovat pitkään kyseisellä vyöhykkeellä. Suojaamalla satelliitit säteilyvöiden hiukkasilta niistä tulee paljon pitkäikäisempiä.
Säteilyvyöt löysi yhdysvaltalainen fyysikko James A. Van Allen vuonna 1958. Satelliittien Explorer 1 ja Explorer 3 mittausten avulla löydettiin sisempi säteilyvyö, ja hieman myöhemmin ulompi hyödyntäen satelliittien Pioneer 3 ja Explorer 4 mittauksia.
Maapalloa ympäröi korkeaenergiaisista elektroneista ja protoneista koostuvat van Allen säteilyvyöt (credits: wikipedia)
Van Allen Probes -luotain
Van Allen Probes luotaimeen kuuluu kaksi kahdeksansivuista satelliittia, joissa molemmissa on samat instrumentit. Satelliiteilla on lähes samanlaiset elliptiset kiertoradat, ja ne liikkuvat peräkkäin. Ne sijaitsevat aika lailla Maan päiväntasaajan tasolla ja liikkuvat eri vyöhykkeiden välillä. Satelliittien etäisyys maapallon pinnasta vaihtelee 604 ja 32 187 kilometrin välillä. Van Allen Probes tutki ilmiöitä, jotka vaikuttavat aurinkotuulen hiukkasten liikkumiseen vyöhykkeillä ja niiden ympärillä.
Luotaimet laukaistiin Floridan Cape Canaveralin ilmavoimien asemalla 30. päivä elokuuta vuonna 2012 kello 08:05 (koordinoitua yleisaikaa). Satelliitit eivät ole enää toiminnassa, sillä niistä tehtiin toimintakyvyttömiä bensan loppumisen takia. Satelliitit kuitenkin saatetaan saada toimintaan 2030-luvulla.
Yhdysvaltain avaruusjärjestön Van Allen Probes luotaimet tutkivat säteilyvöitä (credits: wikipedia)
Arase-luotain
Araseen kuuluu yksi satelliitti. Sen kiertorata on elliptinen (eli soikea). Etäisyys Maasta on lähimmillään noin 440 km ja kauimmillaan 32 000 km. Arase laukaistiin 20. joulukuuta vuonna 2016 kello 11.00 (koordinoitua yleisaikaa) Japanissa. Satelliitti on edelleen toiminnassa, ja se tutkii Van Allenin vyöhykkeellä olevien elektronien energiamääriä.
Japanilainen ARASE luotain tutkii parhaillaan säteilyvöitä (credits: JAXA)