Auringonpurkaukset ja yläilmakehä

1. Auringonpurkaukset ja yläilmakehä Annika Seppälä Kaukokartoitus, Keski-ilmakehän tutkimus Ilmatieteen Laitos

2. ..mitä tapahtuu ilmakehässä? Auringossa myrskyää.... Courtesy of SOHO/EIT and SOHO/LASCO consortiums.

3. Sisältö • Johdanto • Ilmakehän koostumus ja kiertoliike • Aurinko-ilmakehä kytkentä • Korkeaenergiset hiukkaset ja ilmakehä - kemiaa • Havainnoista ja malleista • Mittauksia avaruudesta ja maanpinnalta, Envisat-satelliitti ja GOMOS mittalaite • Miten Auringon purkausten ilmakehävaikutuksia voidaan mallintaa? • Todellisia havaintoja • Loka-marraskuun 2003 aurinkomyrskyjen vaikutus pohjoisen napa-alueen ilmakehään • Pitkäaikaiset vaikutukset • Vaikutus ilmastoon?

4. Johdanto Hiukkas-myrskyn jälkeen Hiukkas-myrskyn aikana • Mitä ovat Auringon hiukkasmyrskyt? • Solar Proton Event (SPE), Solar Particle Event, Polar Cap Absorption • Auringonpurkaukset (roihupurkaukset ja koronan massapurkaukset) → Varattujen korkeaenergisten hiukkasten (protonit>10MeV, elektronit >100kEv...) vuo ilmakehään kasvaa → Ionisaatio ilmakehässä lisääntyy → Revontulia, muutoksia kemiassa! • Ensimmäinen havainto hiukkasmyrskyä seuraavasta otsonikadosta raketti-mittauksilla vuonna 1969

5. Johdanto Hiukkas-myrskyn jälkeen • Teoriaa ja havaintoja: • 1969: Ensimmäinen SPEn aikainen otsonikato havainto • 1970: NOx:it aiheuttavat katalyyttistä otsonikatoa→ Kemian Nobel 1995 • 1975: Yhteys hiukkasmyrskyjen ja NOx tuoton välillä havaitaan • 1970-1980: Protoni presipitaatio johtaa myös HOx tuottoon → katalyyttinen ot-sonituho. NOx:it pitkäikäisiä yöaikaan: suuri merkitys napa-alueen ilmakehän otsonille polaaritalven aikana? • 1980→: Ensimmäiset NOx mittaukset SPEn aikana • 2000→: NOx:ien suuri vaikutus ilmake-hään polaariyön aikana havaitaan mittauksista • Vaikutus lämpötilaan ja ilmakehän dynamiikkaan? NOx:ien merkitys otsonikadossa kasvaa tulevaisuudessa? Hiukkas-myrskyn aikana

6. Yläilmakehä Keski-ilmakehä Ilmakehä Neutraali ilmakehä • Yleisimmät kaasut: N2, O2 (noin 99%) • Pienkaasut:O3, NO2, CO2, CH4,… • Troposfääri (0-15 km, sääilmiöt) Stratosfääri (15-50 km) Mesosfääri (50-80 km) Termosfääri (80 km →) Ionosfääri • Noin 70 km korkeudesta ylöspäin • Merkittävä osa aineesta ionisoitunutta • Revontulet

7. Ilmakehä - Otsoni • Otsonikerros eli paikallinen maksimi otsonin pystyjakaumassa noin 15-35 km korkeudella • Absorboi Auringon haitallista UV säteilyä ja suojaa siten maanpinnan eliöitä • 1985 havaittiin otsonin raju väheneminen Etelänapamantereen yläpuolella. Ilmiötä kutsutaan otsoniaukoksi • Otsoniaukkon synty johtuu ilmakehään päässeistä halogenoiduista hiilivedyistä (CFC yhdisteet eli freonit ja halonit) • Freonien ja halonien käytön rajoittaminen näyttää auttavan otsonikerrosta toipumaan OMI instrumentin tuottama mittaustulos Etelämantereen otsoniaukosta

8. LÄNSI → ITÄ ITÄ → LÄNSI Ilmakehän kiertoliike • Yksinkertaistettu keski-ilmakehän kiertoliike: • Nousevaa liikettä päiväntasaajalla ja kesäisellä navalla • Laskevaaliikettätalvisella navalla • Navan ilmamassan eristäväpolaari vorteksi (napapyörre) muodostuu talviaikana stratosfääriin – mahdollistaa voimakkaan alaspäin kulkeutumisen Ilmakehän kiertoliikettä voi tutkia esimerkiksi vesihöyrymittauksista, vesihöyryn pitkän kemiallisen eliniän ansiosta

9. Aurinko-Ilmakehä kytkentä • Miten Aurinko vaikuttaa ilmakehään? • Säteily • Varatut hiukkaset • Fotoionisaatio ja -dissosiaatio, sekä atomien ja molekyylien viritystilat • Varatut hiukkaset presipitoituvat napa-alueilla (magneettikentän ohjaus), vaikuttavat lähinnä keski-ja yläilmakehässä: strato-, meso- ja termosfäärissä Revontulet

10. Auringon EUV Hiukkaspresipitaatio Galaktiset kosmiset säteet Korkeaenergisten hiukkasten presipitaation • Δε = keskimääräinen ionisaa-tioenergia (~35eV) • dE/dx = energia häviö hiukka-sen kulkeman matkayksikköä kohden • F(E) = presipitoituvien korkea-energisten hiukkasten vuo Ionisaationopeus (tuotettuja ionipareja sekunnissa / cm3) • Mitä enemmän hiukkasella on energiaa, sitä alemmas se tunkeutuu ilmakehässä • Hiukkaspresipitaation aiheuttama ionisaatio ilmakehässä saattaa ylittää merkittävästi muut luonnolliset ionisaatiolähteet Ionisaationopeus Q Ionisaatio jakautuu N2, O2 ja O:lle: tuloksena N2+, O2+, N+ ja O+

11. Korkeaenergisten hiukkasten presipitaation Ionisaationopeus tammikuun 2005 protonimyrskyn aikana – Voimakkaimman ionisaation alue voi vaihdella lyhyessä ajassa

12. Ionikemiaa – positiiviset ionit Syntyneet ionit N2+, O2+, N+ ja O+ reagoivat ilmakehän muiden ionien ja neutraalien kanssa

13. Ionikemiaa – negatiiviset ionit Syntyneet ionit N2+, O2+, N+ ja O+ reagoivat ilmakehän muiden ionien ja neutraalien kanssa

14. Korkeaenergiset hiukkaset ja ilmakehä Varatut hiukkaset presipitoituvat ilmakehään napa-alueilla → Kasvanut ionisaatio johtaa ionikemian kautta HOx ja NOx kaasujen tuottoon mesosfäärissä ja stratosfäärissä → Reagoivat herkästi, tuhoavat otsonia katalyyttisissä reaktiosykleissä • HOx (H + OH + HO2) • Lyhyt kemiallinen elinikä • Katalyyttinen HOx sykli, ylä-stratosfääri - ala-mesosfääri • OH+O3→HO2+ O2 • HO2+O →OH + O2 • Netto: 2Ox→ 2O2 • NOx (N + NO + NO2) • Häviö: fotodissosiaatio → pitkä elinikä yöllä → kuljetus stratosfääriin ja matalammille leveysasteille • Katalyyttinen NOx sykli, ylä-stratosfääri • 2(NO+ O3) →2(NO2+ O2) • NO2 + hν→NO+O • NO2+ O →NO + O2 • Netto: 2O3→ 3O2 Ioniparien muodostus → vesiklusteri-ionien tuotto ja niiden reaktiot → HOx p, e* + N2→ ionikemia → NOx

15. Havainnosta ja malleista • Laaja ilmiö: skaala Auringosta Maan ilmakehään → tarvitaan monenlaista tietoa • Eri menetelmillä saadaan selville tietoa • Presipitoituvista korkeaenergisistä hiukkasista ja niiden aiheuttamasta ionisaatiosta • Ionisaatiota seuraavasta ionikemiasta • Vaikutuksista ilmakehän neutraaleihin pienkaasuihin • Mahdollisista vaikutuksista ilmakehän lämpötilaan ja dynamiikkaan

16. Ilmakehämittausten historiaa 2000-luku: Pääosa (keski-)ilmakehä-havainnostatehdään satelliiteista Toisen MS jälkeen V1 ja V2 raketteja käytettiin (myös) ilmakehämittauksissa. Päästään korkeam-malle (aiemmin vain 50km) 1985: Otsoniaukko havaitaan 1958: Epäkoheretti sironta 1960-1970-luku: NASA ryhtyy kehittämään erikoistuneita satelliitteja ilmakehätutkimukseen 1890-luku: Lämpötilan ja paineen luotaukset palloilla 1929: Ensimmäinen raketti-luotaus 1950-luku: Riometrit 1960-luku: operatiiviset sääsatelliitit 1783: Ensimmäinen tieteellinen “ilmapallo” 1957: Sputnik aloittaa satelliitien aikakauden

17. Ilmakehän koostumuksen mittaaminen avaruudesta • Satelliittimittalaiteissa voidaan käyttää erilaisia mittausmenetelmiä: • Aurinko/Kuu okkultaatio • Tähtiokkultaatio • Sironneen auringonvalon mittaus • Ilmakehän emissiot • Hyvää: Jatkuvat mittaukset (jos satelliitin laukaisu onnistuu) • Huonoa: Satelliitit ovat kalliita, uusia harvoin! • Käytettävä aallonpituus ja mittausten korkeusalue määräävät mitä aineita voidaan mitata

18. Envisat-satelliitti • Euroopan avaruusjärjestön (ESA) kaukokartoitus satelliitti Maan tutkimiseen • Laukaistiin maaliskuussa 2002 • 10 mittalaitetta; tutkivat ilmakehää, merta, maanpintaa ja jäätä • Ilmakehän koostumusta tutkivat: GOMOS, MIPAS ja SCIAMACHY

19. GOMOS mittalaiteGlobal Ozone Monitoring by Occultation of Stars • “Suomalainen” Tähtiokkultaatio mittalaite: mittaa tähdestä tulevan valon vaimenemista ilmakehässä • Kehittynyt suomalaisten ja ranskalaisten alkuperäisestä ehdotuksesta 1988 • Mittauksista saadaan O3, NO2, NO3, H2O, O2,... pystyjakauma ilmakehässä 0-100 km korkeudella, mittauksia noin 600/vrk • Etuna useisiin muihin instrumentteihin nähden: Koska mitataan tähdistä tulevaa valoa, voidaan tehdä mittauksia yöllä! Image by courtesy of ASTRIUM SAS GOMOS O3 mittauksia

20. Auringonpurkausten ilmakehä vaikutusten mallintaminen • Ilmakehän kaasujen määrä n saadaan ratkaisemalla jatkuvuusyhtälö: • IonisaationopeudetQ lasketaan käyttämällä hiukkasvuo mittauksia • Ionisaation seurauksena syntyvien NOx ja HOx kaasujen määrä ratkaistaan joko parametrisoinnilla (nopeampi tapa) tai ratkaisemalla ionikemia (ratkaistava useita satoja kemiallisia reaktioita) Tuotto – Häviö - Kuljetus NOx tuotoa voidaan arvioida olettamalla esim. 1,25 N atomia tuotetuksi jokaista ioniparia kohden. Samoin voidaan arvioida 2 HOx molekyyliä tuotetuksi / ionipari

21. Aurinkomyrskyt loka-marraskuussa 2003 • Roihupurkaukset: 28.10. (X17) ja 4.11. (X45) • Roihujen yhteydessä koronan massapurkaukset (CME) Maata kohti • Ilmakehään tulevien korkeaenergiasten hiukkasten vuo lisääntyi huomattavasti → Courtesy of SOHO/EIT and SOHO/LASCO consortiums.

22. → 85 km → 65 km →30 km • Aurinkomyrskyt loka-marraskuussa 2003 GOES/SEM, mitattu protonivuo geostationaarisella radalla

23. GOMOS NO2 ja O3 pystyjakauma pohjoisella napa-alueella NO2 Sekoitussuhde [ppbv] O3 Sekoitussuhde [ppmv] Marraskuu Joulukuu

24. 1.5 x 1011 1.5x1011 1.5x1011 0.7 0.7 0.7 8x108 8x108 8 x 108 1 1 1 GOMOS NO2 ja O3, 46 km O3 46km 1/cm3 Lokakuu ennen SPEtä Marraskuun puoliväli Joulukuun alku NO2 46km 1/cm3

25. GOMOS O3 jakauma 42 km, loka-joulukuu 2003 Hiukkasvuo ilmakehään Otsoni tiheys 42 km

26. Aurinkomyrskyt loka-marraskuussa 2003 - Mallinnus Negatiiviset ionit • Ioni ja neutraalikemia malli • Sisältää yli 300 reaktiota, ratkaisee ionikemian (aiemmin näytetyt reaktiokaaviot tästä mallista) • Tuloksena yli 60 eri aineen jakaumat HOx NOx Otsonin muutos %

27. Aurinkomyrskyt loka-marraskuussa 2003 - Mallinnus • Neutraalikemia malli • NOx ja HOx tuotto parametrisoitu • Kattaa maantieteellisesti suuremman alueen ilmakehästä kuin ionikemiamalli ja sisältää kattavamman ilmakehän kiertoliikkeen – voidaan tutkia pitkäaikaisia vaikutuksia

28. Entä pitkäaikaiset vaikutukset? • Ilmakehään tulevien protonien vuo, piikit viittaavat auringonpurkauksiin • Geomagneettinen aktiivisuus (esim. revontulet) • Talven keskimää-räinen geomag. aktiivisuus

29. Entä pitkäaikaiset vaikutukset?Pohjoinen napa-alue GOMOS mittauksista NO2 O3

30. Entä pitkäaikaiset vaikutukset?Eteläinen napa-alue GOMOS mittauksista NO2 O3

31. Vaikutus ilmastoon? Konopka et al. 2007 • Typen oksidit tuhoavat otsonia stratosfäärissä→ suurempi osa auringon säteilystä pääsee otsoni-kerroksen läpi → strato-sfääriä viilentävä ja tropo-sfääriä lämmittävä vaikutus • Uusien tutkimustulosten mukaan otsonikato napa-alueilla riippuu tulevai-suudessa yhä enemmän NOx vaikutuksista Halogeenien (Cl, F, Br) merkitys otsonikadon aiheuttajina vähenee halogeenien määrän vähentyessä. Näin NOx:ien merkitys kasvaa

32. Otsonikato: Halogeenit vastaan NOx Otsonikato halogeeneistä Otsonikato NOx:eista

33. Vaikutus ilmastoon? • Tutkittu kemia-ilmasto-malleilla • Ajetaan mallia 10 vuoden jakso olettaen koko ajalle NOx tuotto perustuen mitattuun hiukkasvuohon • Tulokset: Ilman pinta-lämpötilan (SAT) muutos pohjoisella napa-alueella -1 - +2ºC Rozanov et al. 2005

34. Yhteenveto • Auringossa tapahtuvista purkauksista ja lisääntyneestä hiukkaspresipitaatiosta seuraavat muutokset tärkeitä ilmakehän otsonitasapainolle • Korkeaenergiset varatut hiukkaset ionisoivat ilmakehää, syntyy NOx ja HOx kaasuja, jotka tuhoavat otsonia katalyyttisissä reaktioissa – merkitys saattaa korostua tulevaisuudessa “otsonikato”-kaasujen määrän vähentyessä ilmakehässä • Seurauksena myös vaikutuksia esimerkiksi ilman lämpötilaan Seppälä, A. et al., Solar proton events of October-November 2003: Ozone depletion in the Northern Hemisphere polar winter as seen by GOMOS/Envisat, Geophys. Res. Lett., 2004 Jackman, C. H. and McPeters, R. D., The Effect of Solar Proton Events on Ozone and Other Constituents. In: Solar Variability and its Effects on Climate, Geophysical Monograph, AGU, 2004 Seppälä, A. , et al., Arctic and Antarctic polar winter NOx and energetic particle precipitation in 2002-2006, Geophys. Res. Lett. 2007 Konopka P. et al. Ozone loss driven by nitrogen oxides and triggered by stratospheric warmings can outweight the effect of halogens, J. Geophys. Res. 2007