Revontulet eksotiikaa ja fysiikkaa l.jpg
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 32

Revontulet – eksotiikaa ja fysiikkaa PowerPoint PPT Presentation


  • 124 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

Revontulet – eksotiikaa ja fysiikkaa. Kirsti Kauristie Ilmatieteen laitos Avaruus ja yläilmakehä-tutkimus. Sisältöä. Turistin näkemys Värit Uskomukset Tilastollinen esiintyminen Satelliittimittalaitteilla havaittuna Revontuliovaali Yhteys Maan lähiavaruuden plasmailmiöihin

Download Presentation

Revontulet – eksotiikaa ja fysiikkaa

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Revontulet eksotiikaa ja fysiikkaa l.jpg

Revontulet – eksotiikaa ja fysiikkaa

Kirsti Kauristie

Ilmatieteen laitos

Avaruus ja yläilmakehä-tutkimus


Sis lt l.jpg

Sisältöä

  • Turistin näkemys

    • Värit

    • Uskomukset

    • Tilastollinen esiintyminen

  • Satelliittimittalaitteilla havaittuna

    • Revontuliovaali

    • Yhteys Maan lähiavaruuden plasmailmiöihin

  • Kalansilmälinssillä kuvattuna

    • Revontulihiukkaset ja ionosfääri

    • Kiihdytysmekanismeista

  • Revontulitutkimuksen haasteita

    • Energiavuon suuruus

    • Pohjoisten ja eteläisten revontulien vertailututkimus


Turistin n kemys l.jpg

Turistin näkemys


Utsjoki talvi 2003 l.jpg

Utsjoki, talvi 2003

Kuvat: Vera Nevanlinna


Oulu 21 10 2001 l.jpg

Oulu, 21.10. 2001

Kuvat: Jouni Jussila


Jyv skyl 30 9 2001 l.jpg

Jyväskylä, 30.9.2001

Kuvat: Juha Kinnunen


Miten revontulivalo syntyy l.jpg

Miten revontulivalo syntyy?

  • Yläilmakehään ”sataa” maan magneettikentän voimaviivojen suunnassa elektroneja ja protoneja

  • Satavat hiukkaset törmäilevät happiatomeihin ja typpimolekyyleihin, jotka virittyvät

  • Viritystilan purkautuessa syntyy valoa (vrt. loisteputki)

  • Sallitut sävyt: vihreä, punainen, ja sinipunainen

  • Himmeät tulet ihmissilmä näkee vaalean harmaina

  • Mustat raidat yötaivasta


Eksotiikkaa ja uskomuksia l.jpg

Böömiläisen taiteilijan näkemys

revontulista vuodelta 1570

Eksotiikkaa ja uskomuksia

  • Suomalaiset: Tulikettu (vrt. Kanadan intiaanien karibu tai Raamatussa esiintyvä Leviatan merihirviö)

  • Vaihtoehtotulkinta: Reporepointulet, loitsutulet

  • Grönlannin eskimot: kuolleiden lasten sieluja

  • Keski- ja Etelä-Euroopassa usein tulkittu enteenä tulevista vitsauksista ja sodista


Mihin aikaan vuodesta l.jpg

Tilasto: Heikki Nevanlinna

Mihin aikaan vuodesta?

  • Ilmatieteen laitoksen järjestelmälliset revontulikuvaukset 1970-luvulta lähtien-> tilastotietoa

  • Kuvauksia vain pimeään aikaan, mutta revontulia voi toki esiintyä kesäöinäkin

  • Etelä- ja keski-Suomessa hieman korkeampi todennäköisyys nähdä tulia syys- ja kevätpäivätasauksien aikaan

  • Lapissa todennäköisyys suunnilleen sama kaikkina talvikuukausina


Mihin aikaan l.jpg

Tilasto: Heikki Nevanlinna

Mihin aikaan?

  • Paras todennäköisyys iltauutisista puolille öin


Mill leveysasteilla l.jpg

Tilasto: Heikki Nevanlinna

Millä leveysasteilla?

  • Vain pilvettömät yöt!

  • Jyväskylässä n. joka 10. yö

  • Oulussa joka 5. yö

  • Rovaniemellä joka toinen yö

  • Kilpisjärvellä kolmena yönä neljästä.


Milloin on n hty etel suomessakin l.jpg

Kuvat: Arto Oksanen, Jyväskylän Sirius

Milloin on nähty Etelä-Suomessakin?

  • IL:n Hankasalmen kameran havainnoimat revontuliyöt lokakuulta 2000 lähtien:

    • Talvi 2000-2001: 10 yötä

    • Talvi 2001-2002: 11 yötä

    • Talvi 2002-2003: 9 yötä

    • Talvi 2003-2004: 5 yötä

    • 2004-2007 kevät: n. 5 yötä

  • Auringon aktiivisuus vaihtelee 11 vuoden jaksoissa. Ollaan menossa kohti hiljaisempia aikoja.


Satelliittikameran kuvaamana l.jpg

Satelliittikameran kuvaamana


Revontuliovaali l.jpg

Revontuliovaali

  • Ovaali kiertää magneettista napaa, mutta on siirtynyt muutaman asteen yöpuolen suuntaan, missä leveämpi.

  • Tässä tapauksessa aamupuolella näkyy nk. tuplaovaalirakenne aamusektorissa.

  • Mitä enemmän energian syöttöä aurinkotuulesta magnetosfääriin, sitä isompi ja kirkkaampi ovaali

  • 17.2.1997 06:45-07:00 Suomen aikaa, kuvat n. 1.5 minuutin välein

  • Kuvattu UV alueella (), näytetään tässä vääräväripaletilla

  • Kuvat: NASA:n Polar UVI satelliitti

  • Animaatio: JHU/APL


Revontulia ajavat ilmi t maan l hiavaruudessa l.jpg

Revontulia ajavat ilmiöt Maan lähiavaruudessa


Ovaali ja magnetosf rin muoto l.jpg

Ovaali ja magnetosfäärin muoto


Ovaalin poikkileikkaus pyrst n venyminen l.jpg

Ovaalin poikkileikkaus ↔pyrstön venyminen

  • Napakalotin reunan paikka kertoo paljonko magnetosfäärin pyrstössä on avoimia kenttäviivoja

  • Kirkkaiden revontulirakenteiden eteläreunan siirtyminen ekvaattorille päin kertoo pyrstön venymisestä


Kalansilm linssill kuvattuna l.jpg

Kalansilmälinssillä kuvattuna


Revontulirakenteita l 1 100 km l.jpg

Revontulirakenteita, L~1-100 km

  • Kalansilmälinssi näkee koko taivaan mutta vääristää kuvaa kuten teelusikan kupera puoli.

  • Näkökenttä 100 km:n korkeudessa ympyrä, jonka säde n. 300 km.

  • Usein eri sävyt kuvataan erikseen, suotimet kolmelle aallonpituudelle: 557.7 nm, 630.0 nm ja 427.8 nm

  • Minuutin aikana viisi kuvaa: 557.7 20s välein ja muut kerran minuutissa.

  • Valotusajat 1-2 sekuntia

  • Pohjoinen ylhäällä, itä oikealla


Revontulihiukkasten tuottama n kyv valo l.jpg

Revontulihiukkasten tuottama näkyvä valo

  • Elektronisateen tuottama valo

    • 557.7 nm, OI1S (metastabiilista1S tilasta stabiiliin1D tilaan), elinaika 0.7 s

    • 630.0nm, OI1D, elinaika 110 s

    • 427.8 nm, N+2(1N), elinaika 70 ns

    • Elektroni törmäilee yläilmakehässä kymmeniä tai jopa satoja kertoja, ennen kuin sen energia on sopivalla alueella y.o. viritystiloja tuottamaan.

  • Protonit tuottavat myös revontulia

    • Protonin liikesuunta ei paljoa muutu törmäyksissä

    • Alas satava protoni saattaa siepata mukaansa electronin  neutraali vety jonka liikettä ei magneettikenttä määrää  uudet törmäykset voivat muuttaa vedyn taas protoniksi  ”pehmeitä” revontulia

    • Protonien tuottamat revontulet yleensä niin himmeitä, ettei niitä ihmissilmin näe.


Ionosf ri l.jpg

Ionosfääri

  • Ilmakehän yläosa, jossa merkittävä osa hiukkasista on sähköisesti varattuja. Pieni osa kuitenkin, esim. 250 km:n korkeudella suhde on 1/10000.

  • Elektronien käyttäytymiseen ei neutraalit vaikuta, positiivisten ionien käyttäytymiseen vaikuttaa.

  • Ionosfääriplasma on kvasineutraalia

  • Kolme erilaista aluetta

    • D-kerros 60-90 km, 108-1010 m-3, vuorovaikutukset (myös kemialliset) neutraali-ilmakehän kanssa tärkeitä.

    • E-kerros 90-150 km, 1011 m-3, alue, jossa sähkövirrat ja näkyvät revontulet hallitsevia.

    • F-kerros 150 km- , 1011-1012 m-3, suuret elektronitiheydet ja niiden vaihtelut vaikuttavat radiosignaalien etenemiseen.

  • Revontulihiukkasten sade ionosfääriin

    • Kuumentaa ionosfäärin hiukkasia

    • Lisää sähkön johtavuutta E-kerroksessa

    • Aiheuttaa revontulia


Laboratoriokoe lapissa toimivilla laitteilla l.jpg

”Laboratoriokoe” Lapissa toimivilla laitteilla:

  • EISCAT tutkat

    • Osa avaruuteen lähetetystä signaalista siroaa ionosfäärin elektroneista takaisin. Takaisin sironneesta signaalista voidaan päätellä ionosfäärin tilaa kuvaavia parametrejä: Ne, Te, Ti, vi

    • 931, 224, 500 MHz, 1.7, 3.0 MW

  • Revontulikamera

    • 557.7 427.8 630.0 nm

    • 20 s välein 557.7 nm mittauksia

    • Paikkaresoluutio: 1 km zeniitissä, ~10 km horisontissa


Revontulikamera kilpisj rvell 557 7 nm l.jpg

Revontulikamera Kilpisjärvellä, 557.7 nm


Eiscat tutka tromssassa elektronitiheys korkeuden funktiona l.jpg

EISCAT-tutka Tromssassa: elektronitiheys korkeuden funktiona


Asc eiscat l.jpg

ASC & EISCAT

125 km

117 km

109 km

101 km

96 km


Kiihdytysalue 2000 14000 km n korkeudella l.jpg

Kiihdytysalue 2000-14000 km:n korkeudella

  • Plasmafysiikassa energiat ilmaistaan eV:na

  • Tyypilliset ionisaatio-potentiaalit ja revontulia synnyttävät viritystilat 10-20 eV (100 keV)

  • Revontulihiukkaset tarvitsevat huomattavasti suuremman energian, että pääsevät tunkeutumaan törmäyksistä huolimatta n. 100 km:n korkeudelle.

  • Selitys: Elektronit kulkevat magneettikentän suuntaisten potentiaali-pudotusten läpi  10-20 keV energiatasolle

  • Miten tällaisia potentiaalipudotuksia voi olla kenttäviivan suuntaisina?

Kuva: ESA


Kiihdytysalue ja mustat revontulet l.jpg

Kiihdytysalue ja mustat revontulet

Kuvat: Marklund et al., 1997


Revontulitutkimuksen haasteita l.jpg

Revontulitutkimuksen haasteita


Paljonko revontulihiukkaset kantavat energiaa l.jpg

Palmroth et al. 2006

Paljonko revontulihiukkaset kantavat energiaa?

  • Koko ovaalin alueelle tulevaa energiavuota voidaan arvoida satelliittikameroiden ottamista kuvista

  • Tyypilliset arvot kymmeniä GW/ovaali, aurinkotuulen syöttö satoja GW tai TW

  • Tuloksissa suuria eroja riippuen arviointimenetelmästä  vertailut simulaatiotulosten kanssa vaikeaa.

  • Yhden revontulikameran näkökenttä: muutama GW, vrt. aurinkovakiota (1,3 kW/m2) vastaava energia samalle alueelle on 370 TW


Pohjoisen ja etel isen revontulialueen vertailututkimus l.jpg

Pohjoisen ja eteläisen revontulialueen vertailututkimus

  • Magnetosfäärin muutoksilla on ”jalanjälkensä” kummallakin pallonpuoliskolla esim. revontulialimyrskyt kehittyvät Etelämantereen yllä samaan tahtiin kuin pohjoisessakin.

  • Yleisesti tunnettuja syitä epäsymmetrioihin

    • Aurinkotuulen magneettikentän (IMF) itä-länsi-komponentti aiheuttaa epäsymmetristä energian syöttöä magnetosfääriin ja vääntää pyrstöä.

    • Maan kallistuskulman vuoksi auringonsäteily on eri suuruinen, mikä aiheuttaa eron pohjoisen ja eteläisen ionosfäärin taustajohtavuudessa.

  • Muita tekijöitä, jotka saattavat vaikuttaa

    • Kiihdytysalueen rooli pienten rakenteiden epäsymmetrioissa

    • Maan sisäsyntyisen kentän erojen vaikutukset

  • Avoimia kysymyksiä:

    • Miten suuria epäsymmetrioita IMF voi eri olosuhteissa tuottaa?

    • Millä skaalapituuksilla eroja rupeaa näkymään?

    • Mihin ilmiöihin ionosfäärin taustajohtavuuden erot vaikuttavat?

  • Ongelma: Vertailuhavaintojen rajallinen saatavuus


Slide31 l.jpg

Globaali kuva: Satelliitti kameran

ottamissa kuvissa revontuliovaa-

lit ovat ~samanlaiset.

Mesoskaalat, L~10…1000 km:

20 vuotta revontulikamerahavaintoja,yksi

jakso jossa selvästi samanlaisten rakentei-

den liikkeitä voidaan seurata n. tunnin ajan

Figure: Sato et al., GRL, 2005


Samanaikaiset revontulet islannissa ja etel mantereella l.jpg

Samanaikaiset revontulet Islannissa ja Etelämantereella

  • 26.9.2003: Noin tunnin jakso, kuvia 10 sekunnin välein

  • Katsotaan magneettikentää vastaan, eli alapuolelta pohjoisessa ja yläpuolelta etelässä


  • Login