Auringosta tuulee

Suomesta on vaivihkaa kehittynyt lähiavaruuden tutkimuksen ja siihen liittyvän teollisuuden suurvalta, joka on lähettänyt matkaan jo kolmisenkymmentä piensatelliittia. Vielä useammassa satelliitissa on mukana suomalaisia mittalaitteita. 

Suomalaiset pääsivät mukaan avaruustoimintaan jo 80-luvulla ja täällä suunniteltuja ja rakennettuja instrumentteja on sen jälkeen matkannut eri maiden lähettämien tutkimusluotainten mukana, sanoo aurinkotutkija ja Helsingin yliopiston avaruusfysiikan professori Emilia Kilpua. Hän arvioi, että avaruusbuumin taustalla on digitoituvan maailman kasvava riippuvuus satelliittien tuottamasta paikkatiedosta, kaukokartoituksesta ja reaaliaikaisesta viestinnästä.

 Suomalaisten vahvuus avaruustutkimuksen alueella on Kilpuan mielestä monen asian summa.

– Täältä on löytynyt tieteellis-teknistä osaamista, teollisuutta ja rahoitusta. Ja on oltu oikeassa paikassa oikeaan aikaan, hoidettu suhteita ja pyritty mukaan hankkeisiin.

Seitsemän vuotta sitten lähetettyä ensimmäistä suomalaista piensatelliittia Aalto I:stä varten oli vahvistettava avaruuslainsäädäntö, luotava avaruusesinerekisteri ja myönnettävä sille radio- ja käyttöluvat. 

– Avaruuteen ei voi laukaista ihan mitä vain ja milloin vain. Esimerkiksi avaruusromun välttämiseksi täytyy olla suunnitelmat, miten satelliitit tuodaan sieltä turvallisesti alas niiden käytön päätyttyä.

Suomeen on hiljalleen kasvanut ja kehittynyt toimijoiden verkosto, joka tuottaa satelliittien ja mittalaitteiden lisäksi myös niiden operoinnissa ja mittausten hyödyntämisessä tarvittavia palveluja. 

– Vuoden 2017 jälkeen laukaistut piensatelliitit ovat olleet ennen kaikkea kaupallisia hankkeita, jotka liittyvät esimerkiksi kaukokartoitukseen. Siinä johtava suomalainen yritys on Iceye, jonka mikroaaltoja hyödyntävää SAR-tutkaa käyttävät satelliitit ovat maailmalla todella arvostettuja.

Suomalaisilla on myös omia tieteellisiä satelliittihankkeita, joiden lisäksi täällä on luonnollisesti hyödynnetty myös esimerkiksi ESAn ja Nasan mittausdataa. Tieteellistä dataa saadaan myös kaupallisista satelliiteista.

– Suomalaisyritys Isaware valmistaa nanosatelliitteihin mahtuvia miniatyrisoituja mittalaitteita, joilla voidaan havaita auringon roihupurkauksia. Miniatyyriteknologian avulla kaupallisetkin satelliitit saadaan tuottamaan todella korkealaatuista tiededataa, jonka avulla pystytään näkemään uusia asioita auringonpurkauksista.

Varsinaista avaruustutkimusta tehdään muun muassa Helsingin, Turun ja Oulun yliopistoissa sekä Ilmatieteen laitoksella, Maanmittauslaitoksella ja Aalto-yliopistossa. Lisäksi Vaasan yliopistossa tutkitaan avaruuteen liittyviä talouskysymyksiä, ja Lapin yliopistossa avaruuteen liittyvää lainsäädäntöä. 

– Avaruus vaikuttaa enemmän ja enemmän kaikkiin yhteiskunnan asioihin, mistä seuraa aivan uusia laillisia ja taloudellisia kysymyksiä, joita on hyvä pohtia yhdessä.

Aurinko tutkimuskohteena

Aurinkoa mittaa iso määrä luotaimia, kuten joulukuussa 2021 ensimmäisenä auringon kaasukehässä käynyt ja joulupäivänä 2024 vieläkin lähempänä Aurinkoa vieraillut ja sieltä ehjänä selvinnyt amerikkalainen Parker sekä eurooppalainen kauempana kiertävä Solar Orbiter. Eurooppalais-japanilainen BepiColombo kuvaa Merkuriusta. Sen mukana olevat suomalaisvalmisteiset röntgenspektrometri ja korkeaenergiaisia hiukkasia mittaava instrumentti tekevät myös Aurinkoa koskevia havaintoja.

Aurinkoa tarkkailevat myös maanpäälliset observatoriot, kuten havaijilainen The Daniel K. Inouye Solar Telescope (DKIST). 

– Huomio kiintyy Aurinkoon, mutta luotaimet kulkevat myös planeettojen välisessä avaruudessa ja tuottavat katkeamatta mittaustietoa aurinkotuulesta. Tutkijoita luonnollisesti myös kiinnostaa, mitä tapahtuu planeettojen ja erityisesti Maan lähiavaruudessa, Kilpua muistuttaa.

– Tarkkoja monisatelliittimittauksia lähiavaruuden plasmaprosesseista saatiin juuri päättyneestä ESAn pitkäaikaisesta Cluster-hankkeesta, jossa suomalaiset olivat vahvasti mukana.

Lähiavaruuden ja Maan ja Auringon välisen avaruuden plasmaprosessien tutkimisesta saatava tieto auttaa ymmärtämään ja ennustamaan avaruussään ilmiöitä aikaisempaa paremmin. 

– Maan lähiavaruus kiinnostaa, sillä juuri siellä liikkuvat Maata kiertävät satelliitit avaruussään armoilla. Maan ja auringon välinen avaruus on meille kuitenkin myös valtava luonnollinen laboratorio, jossa tutkimme perustavanlaatuisia plasmafysiikan ilmiöitä. Sen avulla voimme ymmärtää niitäkin tähtitieteen ja astrofysiikan ilmiöitä, joista meillä ei ole mahdollista tehdä suoria mittauksia ja saada korkean resoluution dataa.

Lähiavaruuden määritelmä vaihtelee sen mukaan, keneltä kysyy. Käytännöllisen määritelmän mukaan avaruus alkaa noin sadan kilometrin korkeudesta, sillä satelliitit eivät pysty kiertämään sen alapuolella, eivätkä lentokoneet pysty lentämään sen yläpuolella. 

– Lähiavaruudeksi käsitetään aika usein Maan magnetosfääri eli se kupla, jonka aurinkotuuli muovaa Maan magneettikentästä. Tähtitieteilijöiden mielestä varmaankin koko heliosfääri eli aurinkokunta on lähiavaruutta, Kilpua selittää.

Lähiavaruus ei ole tyhjä. Siellä on plasmaa eli kaasua, jossa ainakin osa atomeista on ionisoitunut eli menettänyt yhden tai useamman uloimmista elektroneistaan ja jossa on riittävästi vapaita varauksia. 

– Plasmaa kutustaan aineen neljänneksi olomuodoksi. Se käyttäytyy hyvin eri tavalla kuin neutraali kaasu reagoiden muun muassa magneetti- ja sähkökenttiin. Lisäksi plasmoissa esiintyy hyvin monipuolisesti erilaisia aaltoja ja epästabiilisuuksia, Kilpua kuvaa.

– Avaruudessa on kuitenkin todella vähän kaasuhiukkasia, kuutiosenttimetrissä vain muutama hiukkanen. Aurinkotuuli ja suurelta osin Maan magnetosfääri ovat itse asiassa parempi tyhjiö kuin millaisen pystymme saamaan aikaan maan päällä.

Plasmapurkaukset ja avaruussää

Suomalainen ja se kansainvälinen tutkimus, johon suomalainen tutkimus nivoutuu, keskittyy tutkimaan lähiavaruuden fysiikkaa. Helsingin yliopiston tutkijoiden kohteena on koko Aurinko-Maa-ketju Auringosta Maan magnetosfäärin asti, jota tutkitaan useammalla toisiaan täydentävällä numeerisella simulaatiolla. 

Kilpuan ryhmä tekee Aurinko-heliosfäärisimulaatioita ja samalla laitoksella työskentelevä Minna Palmrothin vetämä ryhmä on luonut lähiavaruuden Vlasiator-simulaation. Yhdessä ne kattavat koko plasmaketjun. 

– Erityisen mielenkiinnon kohteena näissä avaruusplasmoissa ovat magneettiset spiraalimaiset vuoköydet, joita havaitaan Auringon ja Maan välillä. Niiden koko vaihtelee elektroni-protonien mittakaavasta merkittävän osan Maan ja Auringon välisestä etäisyydestä kattaviin, Kilpua kuvaa ilmiötä.

Ensimmäiset ehdotukset vuoköysien olemassaolosta tehtiin joskus 1930-luvulla, mutta vasta 1970-luvulla havaittiin ensimmäistä kertaa, että Auringon yläilmakehästä pöllähteleekin jatkuvasti valtavia plasmapilviä. Viimeisten kymmenen vuoden aikana on saatu paljon lisätietoa, ja rakenteet ja prosessit pystytään tutkimaan aikaisempaa tarkemmin. 

– Vuoköysiä syntyy Auringossa, jonka magneettikenttä on jatkuvassa muutoksen tilassa tähden pulppuilevan pinnan keräännyttäessä energiaa sen kaasukehän magneettisiin rakenteisiin. Ja tämä energia purkautuu vuoköysinä ja etenee planeettojen välisessä avaruudessa, missä se törmää planeettoihin ja saa aikaan erilaisia avaruussääilmiöitä ja revontulia. 

Valtavan kokoiset ja rakenteeltaan usein hyvin monimutkaiset vuoköydet ovat tutkijoille perustavanlaatuisesti kiinnostavia, sillä ne aiheuttavat kaikista voimakkaimmat avaruusmyrskyt. 

– Meillä on luotaimien havainnoista saatu ymmärrys siitä, mitä ne ovat ja millaisia ominaisuuksia niillä on. Silti siellä on vielä paljon avoimia kysymyksiä. Emme esimerkiksi vielä ymmärrä täysin, milloin ja miksi ne purkautuvat ja minkä takia niiden rakenne on monesti hyvin monimutkainen, kun ne osuvat Maahan. Ja se selittää, miksi me emme osaa ennustaa avaruussäätä kovinkaan hyvin, Kilpua sanoo.

Lähes kaikki todella voimakkaat myrskyt ovat vuoköysien aiheuttamia ja ne aiheuttavat ehkä 20–30 prosenttia myös pienemmistä häiriöistä. Auringon 11-vuotinen aktiivisuussykli vaikuttaa myös niiden määrään. Kun se on minimissään, vuoköysipurkauksia on hyvin vähän. Silloin suurin osa lähiavaruuden myrskyistä aiheutuu itse asiassa auringosta tulevista nopean aurinkotuulen virtauksista.