Rekonnektio Maan magnetosfäärissä

Tässä väitöskirjassa perehdytään magneettisen rekonnektion ilmenemismuotoihin ja vaikutuksiin Maan magnetosfäärissä. Keskeisenä tutkimusvälineenä käytetään magnetohydrodynaamista (MHD) Gumics-magnetosfäärisimulaatiota. Työssä kehitetään myös uusia menetelmiä simulaatiossa ilmenevän rekonnektion tunnistamiseksi ja mittaamiseksi. MHD-simulaatio sopii suuren mittakaavan ilmiöiden tarkasteluun, joten kuvaa rekonnektiosta täydennetään pienen mittakaavan piirteiden osalta Cluster-satelliittien avulla. Tärkein tutkimuksen tuoma edistysaskel menetelmien saralla on rekonnektioviivan paikallistaminen topologisesti erityyppisten magneettikenttäviivojen alueiden liitoskohdassa olevana erottajaviivana neljän kentän tienoon menetelmää käyttäen. Tämä topologinen lähestymistapa on hyödyllinen erityisesti magnetopausilla, jonka monimutkainen geometria tekee magneettikentän paikalliseen käyttäytymiseen perustuvien rekonnektioviivan etsintätapojen soveltamisen hankalaksi. Topologisesti määritelty rekonnektioviiva on myös helppo tunnistaa magnetosfäärin globaalin konvektion solmukohdaksi. Magnetopausin rekonnektioviivan käyttäytyminen Gumicsissa noudattaa komponenttirekonnektio-olettamaan pohjautuvia teoreettisia ennusteita. Rekonnektion kvantitatiivinen tarkastelu Gumics-simulaatiossa perustuu energian muuntumiseen, joka lasketaan Poyntingin vektorin divergenssinä tai Poyntingin vuona valitun umpinaisen pinnan läpi. Rekonnektioon liittyvän energian muuntumisen jakautumista magnetopausilla tarkastellaan energian muuntumisen pintatiheyden avulla ja rekonnektion kokonaismäärää rekonnektiotehon avulla. Magnetopausin ja pyrstön rekonnektiotehot ovat simulaatiossa samaa suuruusluokkaa. Tärkeimmät magnetopausin rekonnektiotehoa säätelevät parametrit ovat aurinkotuulen nopeus ja aurinkotuulen magneettikentän suunta. Magnetopausin rekonnektio puolestaan säätelee energian ja aineen pääsyä magnetosfääriin, joskaan magnetopausin läpäisevät vuot eivät ole aivan suoraan verrannollisia rekonnektiotehoon. Pyrstön rekonnektioteho sen sijaan on suoraan verrannollinen magnetopausilta tulevaan energiavuohon; pyrstörekonnektio Gumicsissa on siis ulkoista pakotetta seuraava passiivinen energian käsittelijä. Simulaation tuottama rekonnektio on realistinen magnetosfäärin globaalissa mittakaavassa tarkasteltuna, mutta satelliittihavainnot paljastavat rekonnektiosta simulaation erottelukykyä pienimittakaavaisempia piirteitä. Havaintopuolella tämän väitöstutkimuksen tärkein löytö on protonien diffuusioalueen rakenteeseen kuuluvien Hallin kenttien kääntyminen pyrstön virtalevyn aaltoilun mukana.

Revontulet ovat näyttävin seuraus Auringon ja Maan magneettikenttien vuorovaikutuksesta, ja lähiavaruutemme sähkömagneettiset ilmiöt vaikuttavat jatkuvasti myös muun muassa radioliikenteeseen ja satelliittien käyttöikään. Rajuimmat magneettiset avaruusmyrskyt ovat aiheuttaneet laajoja sähkökatkoja ja pakottaneet lentokoneita muuttamaan reittejään. Auringon magneettikenttä leviää planeettainväliseen avaruuteen Auringosta virtaavan sähkövarauksisten hiukkasten vuon eli aurinkotuulen mukana. Maan oma magneettikenttä muodostaa planeettamme ympärille suojatun alueen, johon aurinkotuuli ei pääse suoraan tunkeutumaan. Aurinkotuulen paine kuitenkin muotoilee Maan magneettikentän pitkäpyrstöiseksi magneettikehäksi eli magnetosfääriksi. Aurinkotuulen ja magnetosfäärin hiukkaset ovat ionisoituneita, joten niiden muodostamaa harvaa, hyvin sähköä johtavaa kaasua kutsutaan plasmaksi. Plasmassa lähekkäin joutuvat erisuuntaiset magneettikentät voivat kytkeytyä uudelleen niin, että aiemmin magneettisesti erillisten alueiden välille avautuu suora yhteys. Samalla magneettikenttään sitoutunutta energiaa vapautuu plasman lämpö- ja liike-energiaksi. Tätä ilmiötä kutsutaan rekonnektioksi. Aurinkotuulen ja Maan magneettikenttien uudelleenkytkeytyminen magnetosfäärin ulkopinnalla edistää hiukkasten vuotamista magnetosfääriin. Se siirtää myös energiaa aurinkotuulesta magnetosfäärin sisäisen kiertoliikkeen ylläpitämiseen. Magnetosfäärin pyrstön sisäosissa tapahtuva rekonnektio synnyttää epäsäännöllisesti toistuvia hiukkasryöppyjä ja magneettisia häiriöitä. Tässä väitöskirjassa esitellään uusia laskennallisia menetelmiä rekonnektion tunnistamiseksi ja mittaamiseksi tietokonesimulaatioiden tuloksista. Tärkein edistysaskel on magneettikenttäviivojen topologisten ominaisuuksien käyttäminen rekonnektion löytämiseen: magnetosfäärin rekonnektioviiva paikallistetaan eri tavalla Maahan kytkeytyvien kenttäviivojen risteyskohdasta. Lisäksi rekonnektiossa tapahtuvan energian muuntumisen tarkastelumenetelmiä kehitetään järjestelmällisemmiksi ja niiden yhteyttä teoreettisiin rekonnektiomalleihin vankennetaan. Esiteltyjä menetelmiä käyttäen todetaan, että Ilmatieteen laitoksessa kehitettyyn koko magnetosfääriä mallintavaan simulaatioon syntyy kaksi rekonnektioaluetta, joiden suuren mittakaavan ominaisuudet sopivat yhteen havaintojen kanssa. Simulaation perusteella rekonnektion tehoa säätelevät pääasiassa aurinkotuulen nopeus ja sen kuljettaman magneettikentän suunta. Lisäksi väitöskirjassa tutkitaan pyrstön rekonnektioalueen ominaisuuksia satelliittihavaintojen avulla ja havaitaan, että koko rekonnektioalue voi kääntyillä pyrstössä etenevien aaltojen mukana. Väitöskirja vahvistaa käsitystä rekonnektiosta magnetosfäärin dynamiikan keskeisenä ilmiönä ja antaa aineksia simulaatiomallien jatkokehittelyyn.