Yleistä revontulista

Revontulien alkulähde on aurinko. Aurinko säteilee joka suuntaan valon ja muun sähkömagneettisen säteilyn lisäksi myös hiukkasia, lähinnä protoneja sekä elektroneja. Näiden hiukkasten virtausta kutsutaan aurinkotuuleksi. Aurinkotuuli kuljettaa mukanaan myös auringon magneettikenttää. Pieni osa aurinkotuulesta suuntautuu kohti maapalloa ja kulkeutuu maan magneettikenttään, jossa näiden keskinäisen vuorovaikutuksen seurauksena erinäisten prosessien jälkeen aiheutuu revontulina tunnettu ilmiö. Aurinkotuulen nopeus vaihtelee auringon tapahtumien johdosta melko suuresti, ollen maapallon kohdalla keskimäärin n. 350 km/s (siis yli 1,2 miljoonaa kilometriä tunnissa). Hiljaisina hetkinä nopeus voi olla alle 300 km/s, mutta on toisinaan jopa yli 1000 km/s.

Aurinkotuulen ominaisuuksia voidaan mitata jo vähän ennen sen saapumista maan magneettikenttään. Avaruudessa on muutamia eri satelliitteja niin sanotussa Lagrangen L1-pisteessä, joka sijaitsee 1,5 miljoonan kilometrin päässä maapallolta auringon suuntaan. Kyseisessä paikassa maan ja auringon vetovoimat kumoavat toisensa, ja satelliitit pysyvät käytännössä paikoillaan maan ja auringon välissä tarviten vain vähän polttoainetta satunnaisia ratakorjauksia varten. Näistä satelliiteista tunnetuimpia nykyään käytössä olevia ovat ACE ja DSCOVR, joiden mittauksia julkaisee reaaliajassa Yhdysvaltain liittovaltion sää- ja valtamerentutkimusorganisaation NOAA:n (National Oceanic and Atmospheric Administration) SWPC-osasto (Space Weather Prediction Center, eli avaruussään ennustuskeskus). Muita satelliitteja samalla alueella ovat tällä hetkellä ainakin SOHO ja WIND. Tällä sivulla ei käydä läpi revontulien syntyyn liittyviä prosesseja, vaan tarkoitus on esitellä aurinkotuulimittari-sivustolla olevien eri mittareiden sisältöä ja tulkintaa.

Mittarit

Sivustolla on erilaisia mittareita, jotka käydään alla läpi yksitellen. Suurin osa mittareista on suoraan NOAA:n julkaisemaa aurinkotuulen satelliittidataa muunnettuna kuvaajaksi, mutta jotkut mittausarvot lasketaan yhdistelemällä muista mittareista saatavia lukemia. Sivun käyttäjä voi halutessaan piilottaa ne mittarit, joiden lukemia ei halua sillä hetkellä seurata. Piilotetut mittarit saa yksitellen takaisin näkyville sivun vasemman alareunan linkistä.

aktiivisena oleva satelliittiUseista mittareista on oletuksena näkyvillä vertailun vuoksi sekä ACE:n että DSCOVR:n antamat lukemat satelliitteihin liittyvien puutteiden (mahdolliset mittausvirheet, yhteyteen liittyvät ja muut datakatkot) vuoksi. Mittarin yhteydessä näkyy kumman satelliitin mittauksia kyseissä mittarissa on. ACE on vanha satelliitti ja se on nykyään vähemmän tärkeä, jonka takia NOAA ei panosta siihen resursseja yhtä paljon kuin sen käytännössä jo korvanneen DSCOVR:n käyttöön. Tämän johdosta ACE:n datavirta katkeaa kerran vuorokaudessa suunnilleen 8 tunnin jaksoksi, koska sitä seuraavia maa-asemia ei ole enää normaalitilanteessa riittävästi käytössä. Toisinaan ACE:n ja DSCOVR:n lukemat näyttävät täysin identtisiltä. Tämä johtuu siitä, että havaittuaan DSCOVR:n mittauksissa jonkun ison ongelman, NOAA ottaa mahdollisuuksien mukaan ACE:n ns. "operatiiviseksi" satelliitiksi, ja korvaa DSCOVR:n lukemat ACE:n lukemilla. Mitään erillistä tiedotetta näistä satelliitin vaihtamisista ei julkaista, vaan sen voi päätellä joko mittareiden lukemista tai sivun vasemmassa reunassa näkyvästä tiedosta.

Alla olevassa kuvassa näkyy mittareiden käyttöliittymän peruskohdat numeroituna. 1 mittarin sisältämät tiedot, käytetty satelliitti ja x-akselin aikajanan pituus, 2 mittarin saa piilotettua oikean yläkulman x-merkistä, 3 ympyröidystä kysymysmerkistä avautuu lyhyt ohje kyseisen mittarin tulkinnasta, 4 viimeisimmät mitatut arvot, 5 käytetyn satelliitin nimi, 6 uusimman mittauksen ajankohta Suomen aikavyöhykkeellä. Sininen pystyviiva esittää maapallon sijaintia aikajanalla. Siitä oikealla näkyvät mitatut arvot eivät ole vielä ehtineet satelliitilta maapallolle asti.

käyttöliittymä Käyttöliittymän peruskohdat

Kaikki mittarit ovat "värikoodattuja". Vihreä väri kuvaajassa tarkoittaa lukeman olevan revontulien muodostumisen kannalta normaali tai huono, keltainen on parempi, oranssi jo melko hyvä ja punainen väri on hyvä merkki. Joissain tapauksissa näkyy myös violettia väriä, joka tarkoittaa jo erikoisen hyvää arvoa. Mikään väri yksin tai yhdessä muiden kanssa ei kuitenkaan tarkoita, että revontulia näkyy tai ettei niitä voi näkyä. Värit ilmaisevat vain todennäköisyyttä. Hyvälläkään todennäköisyydellä ei reposia välttämättä näy, mutta huonollakin todennäköisyydellä voi onnistaa.

 normaali   kohonnut   hyvä   korkea   todella korkea 

Mittarit päivittyvät automaattisesti siten, että kunkin mittarin oikeassa reunassa on uusin satelliitin kohdalla mitattu (tai joidenkin mittareiden kohdalla ennustettu) arvo. Mittauksen jälkeen menee kuitenkin vielä aikaa ennen kuin kyseinen mittausarvo saavuttaa maapallon. Tämä viive riippuu luonnollisesti aurinkotuulen nopeudesta. Nopeuden ollessa esimerkiksi 400 km/s viive on 63 minuuttia ja nopeudella 600 km/s vastaavasti 42 minuuttia. Tämä ei vielä tarkoita, että hyvilläkään mittauslukemilla mahdolliset revontulet alkavat näkyä saman ajan kuluttua, vaan magnetosfäärissä tapahtuvilla prosesseilla on lisäksi omat viiveensä. Tyypillisesti revontulien kannalta suotuisien mittausarvojen magnetosfääriin saapumisen jälkeen menee monista syistä johtuen vielä n. 30-60 minuuttia, ennen kuin varsinainen revontulialimyrsky alkaa mahdollisesti käynnistyä. Tähän karkeaan yleistykseen on kuitenkin poikkeuksia molempiin suuntiin.

Bt ja Bz

Bt tarkoittaa interplanetaarisen magneettikentän (IMF) kokonaisvoimakkuutta nanotesloina, Bz taas saman magneettikentän pohjois-eteläsuuntaista komponenttia. Bz:n itseisarvo ei voi koskaan olla suurempi kuin Bt:n arvo. Revontulien esiintymisen kannalta toivottavaa on mahdollisimman suuri Bt:n ja mahdollisimman pieni (eli negatiivinen) Bz:n arvo. Tällöin interplanetaarisen magneettikentän ja maan magneettikentän napaisuudet ovat vastakkaissuuntaisia, ja sähköisesti varautuneet aurinkotuulen hiukkaset pääsevät helposti magnetosfääriin. Revontulia voi muodostua myös silloin, kun Bz on positiivinen. Tällöin kuitenkin hiukkasten pääsy magnetosfääriin (eli käytännössä energian siirtyminen) on merkittävästi hitaampaa, ja mahdolliset revontulet esiintyvät himmeämpinä ja lähempänä napa-alueita, eikä ns. alimyrskyjä synny kovin usein.

Bt ja Bz Esimerkki matalan aktiivisuuden Bt- ja Bz-lukemista.
Bt ja Bz Esimerkki korkean aktiivisuuden Bt- ja Bz-lukemista. Valittu aikaväli tässä kuvassa 24 tuntia.

Nopeus

Suuri aurinkotuulen nopeus on toivottavaa revontulien muodostumisen kannalta. Tällöin samassa ajassa magnetosfääriin ehtii siirtyä enemmän energiaa, eikä revontulinäytösten välillä tarvitse odotella kovin pitkää aikaa.

Nopeus Esimerkki matalan aktiivisuuden nopeuslukemista.
Nopeus Esimerkki vähän kohonneen aktiivisuuden nopeuslukemista. Valittu aikaväli tässä kuvassa 24 tuntia.

Tiheys

Tiheys tarkoittaa aurinkotuulen sisältämien protonien määrää yhdessä kuutiosenttimetrissä. Sen normaali vaihteluväli on suunnilleen välillä 2 – 10 p/cm3. Revontulien kannalta suuri tiheys on toivottavaa, mutta ei kuitenkaan yhtä ratkaisevan tärkeää kuin negatiivinen Bz ja suuri nopeus. Yleensä nopeus ja tiheys ovat harvoin yhtä aikaa koholla, vaan sitä sattuu lähinnä koronan massapurkausten yhteydessä, jolloin myös näkyy tyypillisesti näyttävimmät revontulet. Tavallisesti nopeus nousee auringon koronassa olevista aukoista puhaltavan aukkotuulen yhteydessä. Tällöin nopea aukkotuuli työntää edellään hitaampaa aurinkotuulta, ja tavallaan puristaa sitä tiiviimmäksi. Tämä näkyy mittareissa ensin muutamien tuntien ajan kohoavana tiheytenä, jonka jälkeen tiheys lähtee laskuun ja yleensä vasta vähän sen jälkeen nopea aukkotuuli saavuttaa maan. Nopeus pysyy koholla aukosta riippuen jopa useita vuorokausia yhteen menoon.

tiheys Esimerkki tiheyden vaihtelusta matalan aktiivisuuden aikaan
tiheys Esimerkki tiheyden vaihtelusta koronan aukkotuulen vaikutuksen yhteydessä

VxBz ja dynaaminen paine

VxBz sekä dynaaminen paine lasketaan Bz-, nopeus- sekä tiheystietojen pohjalta, ja näissäkin suuret arvot tarkoittavat suurempaa todennäköisyyttä näkyvien revontulien muodostumiselle. VxBz on riippuvainen nopeudesta sekä negatiivisen Bz:n itseisarvosta (positiivisilla Bz:n arvoilla tämä on aina nolla), ja dynaaminen paine on riippuvainen tiheydestä sekä nopeudesta. Jos haluat valita seurattavaksi vain yhden mittarin, niin kannattaa valita VxBz.

VxBz sekä dynaaminen paine Esimerkki matalan aktiivisuuden aikaan lasketuista VxBz (yhtenäinen vihreä viiva) ja dynaamisen paineen (ohut keltainen katkoviiva) arvoista
VxBz sekä dynaaminen paine Esimerkki korkean aktiivisuuden aikaan lasketuista VxBz- ja dynaamisen paineen arvoista

Boylen indeksi

Boylen indeksi on yksi revontulien ennustamiseen käytetyistä mittareista. Se on yleensä tarkimmillaan silloin, kun aurinkotuulen arvot ovat olleet vakaita muutaman tunnin ajan, ja indeksin arvo on alle 160 kV. Suuremmilla arvoilla tarkkuus on tutkimusten perusteella heikompi. Indeksin arvoon vaikuttaa mm. Bt, Bz ja nopeus. Kun indeksin arvo on alle 20 kV, on magneettikenttä tyypillisesti liian rauhallinen revontulien näkymiseksi normaalin revontulialueen ulkopuolella, kun taas voimakkaiden magneettisten myrskyjen aikana sen arvo voi olla yli 400 kV. Kp 5-tason saavuttamisen todennäköisyys on yli 95% silloin, kun Boylen indeksin arvo on ollut kolmen tunnin ajan keskimäärin yli 100 kV.

Boylen indeksi Esimerkki matalan aktiivisuuden Boylen indeksistä.
Boylen indeksi Esimerkki korkean aktiivisuuden Boylen indeksistä. Valittu aikaväli tässä kuvassa 24 tuntia.

By

Myös By on yksi IMF:n komponenteista. Sen arvolla on merkitystä revontulien kannalta niissä tilanteissa, jolloin Bz on positiivinen ja By:n itseisarvo on suurempi kuin Bz:n arvo. Myös tällöin energiaa pääsee siirtymään magnetosfääriin ja revontulia alimyrskyineen voi näkyä tyypillisen revontulialueen ulkopuolellakin. Mittareissa nämä hetket on korostettu pystysuuntaisilla palkeilla, kun taas muina aikoina mitattu arvo näkyy ohuena katkoviivana.

By

Magnetometri

Magnetometri mittaa magneettikentän voimakkuutta tai magneettivuon tiheyttä. Revontuliin liittyen sillä seurataan maan magneettikentän paikallisia muutoksia. Kun muutos on kyseiselle alueelle riittävän voimakas, on seurauksena tyypillisesti revontulia. Tällä sivustolla näytetään Ilmatieteenlaitoksen avoimen datan piirissä olevien Suomessa sijaitsevien magnetometrien X-komponentin mittauslukemia. Magneettikenttä on vektorisuure, eli sillä on sekä suunta että suuruus. Käytetyt mittalaitteet mittaavat kyseisen vektorin X-, Y- ja Z-komponentteja. Näistä X on magneettikentän maantieteellinen pohjoiskomponentti, Y itä- ja Z pystysuorakomponentti, jossa positiivinen suunta osoittaa alas. Yleensä X-komponentin jyrkkä ja nopea laskeminen ennakoi revontulinäytöksen alkavan hyvin pian. Tarvittavan laskun suuruus riippuu mittarin sijainnista siten, että pohjoisessa tarvitaan suurempi pudotus kuin etelässä saman vaikutuksen saamiseksi. Voimakkaiden näytösten aikana X voi tippua pohjoisessa jopa 1000-2000 nT.

Oletuksena sivulla näytetään Kevon aseman mittauksia, mutta kuvaajan alapuolella olevasta valikosta voi vaihtaa aseman myös toiseksi. Kaikilta asemilta ei aina ole saatavilla tietoja esim. laiterikkojen tai huoltojen vuoksi.

magnetometri

HPI

Yksi revontuliaktiivisuuden arviointiin käytetty mittari on Hemispheric Power Index (jolle ei tunnu olevan hyvää suomennosta). Yksinkertaistettuna: magnetosfäärin revontulialueelle saapuvat varautuneet hiukkaset hidastuvat törmätessään yläilmakehässä oleviin hiukkasiin, jolloin niiden liike-energiaa siirtyy ilmakehän yläosien hiukkasiin. Törmäävien hiukkasten määrästä ja nopeudesta riippuen kokonaisteho yhdelle pallonpuoliskolle on yleensä välillä 5-150 gigawattia. Tehon ollessa alle 20 GW ei revontulia yleensä ilmaannu, kun taas yli 100 gigawatin arvoilla revontulia voi näkyä satojen kilometrien etäisyydellä revontuliovaalin tavalliselta alueelta. Kuvaajan lukemat ovat viiden minuutin välein päivittyvät ennustetut arvot puolen tunnin päästä saapuvasta tehosta. Ennuste perustuu samaan aineistoon kuin revontuliovaalin sijaintia ja voimakkuutta arvioiva ennuste. Mittarissa nollan alapuolella olevat luvut tarkoittavat eteläiselle ja nollan yläpuoliset pohjoiselle pallonpuoliskolle saapuvaa tehoa.

Hemispheric Power Index Esimerkki matalan aktiivisuuden HPI-arvosta.
Hemispheric Power Index Esimerkki korkean aktiivisuuden HPI-arvosta.

Dst-indeksi

Maapallon päiväntasaajan ympärillä noin 25000 - 30000 kilometrin korkeudella kulkee ns. rengasvirta (ring current), jossa aurinkotuulen varautuneet hiukkaset aiheuttavat itä-länsisuunnassa kulkevan sähkövirran. Tämän rengasvirran voimakkuutta mitataan Dst-indeksillä (lyhenne tulee sanoista Disturbance Storm Time). Dst-indeksin voimakas tippuminen ilmaisee magneettisen myrskyn alkuhetken. Voimakkaiden myrskyjen aikana indeksin arvo tippuu enimmillään muutamia satoja nanotesloja, mikä on suunnilleen prosentti maapallon magneettikentän normaalista voimakkuudesta.

Dst-indeksejä on käytössä muutamia erilaisia. Mittari-sivulla käytetyn Dst-ennusteen arvojen lähde on NOAA:n SWPC. Ennuste on melko hyvin suuntaa antava, mutta ei erikoisen tarkka. Samassa kuvaajassa on myös ns. Geospace-mallin mukainen Kp-ennuste seuraavan n. 30-60 minuutin ajalle (riippuu aurinkotuulen nopeudesta).

Dst- ja Kp-indeksien ennuste Kohtalaisen matalan aktiivisuuden aikainen Dst- ja Kp-ennuste
Dst- ja Kp-indeksien ennuste Esimerkki koronan aukkotuulen aikaisista Dst- ja Kp-ennusteista

Revontuliovaali

Revontuliovaali näyttää NOAA:n arvioiman revontulialueen laajuuden puolen tunnin päästä ennusteen julkaisuhetkestä. Mitä kirkkaampi ja laajempi ovaali on, sitä suuremmat ovat mahdollisuudet revontulien esiintymiselle. Suurempien revontulinäytösten aikana ovaalissa on vihreän värin lisäksi keltaista, oranssia ja punaista. Punainen on näistä toivottavin revontulien seuraajille. Ovaalin laskentamalli käyttää aurinkotuulelle kiinteää 800 km/s nopeutta, vaikka todellisuudessa nopeus on usein jotain muuta. Revontulia voi näkyä jopa satoja kilometrejä ovaalin kirkkaimman kohdan eteläpuolellakin.

revontuliovaali revontuliovaali tavallisen aktiivisuuden aikaan
revontuliovaali revontuliovaali kohonneen aktiivisuuden aikaan
revontuliovaali revontuliovaali voimakkaan koronan massapurkauksen saavuttua

Magnetometrikartta

magnetometrikartta

Kartalla näkyy Suomessa olevien magnetometrien sijainnit sekä niiden mittaama magneettikentän häiriöisyyden taso edellisten 10 minuutin ajalta. Paikallisen magneettikentän ollessa rauhallinen magnetometrin kohdalla näkyy pelkkä pieni piste. Kun häiriöisyys saavuttaa sellaisen tason, jolla revontulien esiintyminen on todennäköistä, näytetään pisteen ympärillä laajenevia ympyröitä. Vihreä animointi tarkoittaa kohonnutta todennäköisyyttä, oranssi selvästi kohonnutta, punainen todella korkeaa ja violetti vielä reilusti punaistakin korkeampaa todennäköisyyttä. Tiedot tulevat Ilmatieteen laitokselta avoimen datan rajapinnasta sekä Oulun Yliopiston Sodankylän observatoriosta ja ne päivittyvät automaattisesti parin minuutin välein.

Käytetyt "hälytysrajat" ovat alempia kuin Ilmatieteenlaitoksella, koska käytännön kokemusten perusteella revontulia näkyy tyypillisesti selkeästi alemmillakin arvoilla. Kartalla näkyvä hälytys ei kuitenkaan aina tarkoita revontulien olevan näkyvillä. Alla on listattu kartan merkintöjen tulkinta.

normaali
kohonnut
hyvä
korkea
hyvin korkea
todella korkea
dataa ei saatu
-
data virheellistä
-