Äkillisten ionosfäärin häiriöiden havainnointi VLF-signaalin avulla

Altairin teleskooppi

Vuonna 2010 Altairille valmistui ionosfäärin äkillisten häiriöiden havainnointiin suunniteltu radioteleskooppi. Se koostuu antennista, vahvistimesta, äänikortista ja tietokoneesta. Antennikehikko on tehty puusta ja sen halkaisija on noin 60 cm ja siinä on 120 kierrosta 0,5 neliömillimetrin kuparijohdinta. Antennin herkkyyttä eri taajuuksille voidaan säätää. Vahvistin vahvistaa VLF-asemalta saapuvaa heikkoa signaalia, jotta sen voimakkuutta voidaan mitata. Vahvistimesta signaali kulkee koaksiaalikaapelia pitkin tietokoneen äänikortille, joka muuntaa antennin analogisen signaalin digitaaliseksi. Ohjelmaa nimeltä Spectrum Lab käytetään signaalin voimakkuuden mittaamiseen ja mittaustulosten tallentamiseen. Toinen ohjelma piirtää mittaustuloksista kuvaajaa. Ensimmäinen ionosfäärin häiriö radioteleskoopilla havaittiin 14.8.2010. Se aiheutui C-luokan roihupurkauksesta.

Sarjan teleskoopit on kaikki nimetty asteroidien mukaan ja Sampo Y.Väisälän 1941 löytämän 2091 Sampo (1941 HO):n mukaan.

• Sammon tuloksia verkossa (päivitetään noin viikon välein)

Aurinkomyrskyradioteleskooppi, Solar Storm Radio Telescope

Äkillisiä ionosfäärin häiriöitä voidaan havainnoida mittaamalla sopivan VLF-lähettimen signaalin voimakkuuden vaihtelua. Tämä perustuu siihen että VLF-signaali (erittäin alhainen taajuus) kulkee ionosfäärin kautta, jonka elektronitiheyteen Auringon säteily vaikuttaa. Öiseen aikaan VLF-signaali heijastuu ionosfäärin E- ja F-kerroksista ja on silloin voimakkaimmillaan, koska D-kerros ei ole häiritsemässä. Auringon noustessa ilmakehän ionisaatio kasvaa ja D-kerros alkaa muodostua, jolloin VLF-signaali absorboituu voimakkaasti. Tästä aiheutuu huomattava signaalin voimakkuuden alenema. Keskipäivän lähestyessä D-kerroksen elektronitiheys kasvaa ja VLF-signaalin imeytyminen vähenee => signaalin voimakkuus kasvaa. Auringon laskiessa D-kerroksen elektronitiheys pienenee ionisaation vähetessä, josta seuraa VLF-signaalin absorbtion kasvu. Auringon laskettua D-kerros alkaa hiljalleen kadota, jonka seurauksena signaalin voimakkuus kasvaa. Lopulta öiseen aikaan signaali heijastuu E- ja F-kerroksista.

Äkillinen ionosfäärin häiriö näkyy kuvaajassa lyhytkestoisena äkkinäisenä kohoumana. Sen voi varmistaa käyttämällä apuna GOES-satelliitin mittaustuloksia.

Kuvaajien selitykset

Yllä olevassa kuvaajassa on esitetty Sampo-radioteleskoopin mittaustulokset melkein koko vuorokauden ajalta. Lisäksi jokaiselta tunnilta tulee oma kuvaajansa, jossa käyrää voi tutkia tarkemmin. Pystysuoralla akselilla on ilmoitettu VLF-signaalin (erittäin lyhyt taajuus) voimakkuus desibeleinä. Alimpana kuvassa on seurattavien VLF-lähetysasemien lyhenteet ja lähetystaajuus kilohertseinä.

Käyrissä näkyy Auringon nousun aiheuttama signaalin voimakkuuden lasku. Ylimmässä (Rhauderfehn) käyrässä se näkyy ennen klo 8. Keskimmäisessä (Skelton) ja alimmassa (Aldra Island) Auringon nousu näkyy hieman myöhemmin. Ylimmässä käyrässä näkyy voimakas signaalin heikkeneminen arviolta klo 9 - 10. Sen aiheuttaa varmaankin huoltotoimet Rhauderfehnin lähetinasemalla. Ylimmässä käyrässä näkyy Auringon aiheuttama äkillinen ionosfäärin häiriö suunnilleen klo 15:30. Se on varmistettu GOES-satelliitin mittaustulosten perusteella. Heti häiriön jälkeen kaikki käyrät tekevät jyrkän laskun. Se johtuu radioteleskoopin vahvistimen pariston loppumisesta. Normaalisti Rhauderfehnin käyrässä näkyy näihin aikoihin Auringon laskun aiheuttama signaalin voimakkuuden aleneminen. Yöllä signaali on voimakkaampi, koska D-kerros ei ole vaimentamassa säteilyä.

Ylläoleva kuvaaja on peräisin GOES-satelliitin mittaustuloksista. Pystysuoralla akselilla on ilmaistu röntgensäteilyn voimakkuus asteikolla 10x W/m2, jossa x on negatiivinen luku. Vaakasuoralla akselilla on aika Suomen ajan mukaan. Ylempi käyrä on saatu mittaamalla röntgensäteilyn voimakkuutta aallonpituusalueella 0,1 - 0,8 nm ja alempi aallonpituusalueella 0,05 - 0,4 nm. Kuvaajassa näkyy kaksi M-luokan flaren aiheuttamaa suurta kohoumaa. Myöhempi kohouma näkyy myös Sampo-radioteleskoopin kuvaajassa.

Roihut jaetaan röntgensäteilyn voimakkuuden perusteella luokkiin. Luokat jaetaan vielä yhdeksään alaluokkaan esim. C1...C9. Allaolevassa taulukossa on esitetty roihujen luokat ja niiden voimakkuudet.

Luokka	Huippu (W/m2) >aallonpituusalueella 0,1 - 0,8 nm
B	I < 10-6
C	10-6 = I < 10-5
M	10-5 = I < 10-4
X	I = 10-4

Taulukko 1: Roihujen luokat ja voimakkuudet. [Lähde: Spaceweather.com]

Ionosfääri ja SID

Ionosfääri

Aivan 1900-luvun alussa ilmakehästä löydettiin kerros, joka myöhemmin nimettiin ionosfääriksi. Ionosfääri syntyy Auringon lyhytaalto- ja hiukkassäteilyn ionisoidessa ilmakehän atomeja ja molekyylejä. Päivällä ionosfääri on paksuimmillaan ja sen kerrokset alimmillaan. Ionosfäärin tilaan vaikuttavat vuorokauden lisäksi Auringon aktiivisuus, vuodenaika sekä maantieteellinen sijainti. Ionosfäärin kerroksissa vallitsee dynaaminen tasapaino ionisaation ja rekombinaation välillä. Ionosfäärissä esiintyy elektronitiheydeltään erilaisia kerroksia, joilla ei ole selvää rajaa. Elektronitiheys ei kasva ionosfäärissä ylöspäin mentäessä tasaisesti vaan tietyillä korkeuksilla on elektronitihentymiä.

• D-kerros
  • 60 - 90 km korkeudella
  • syntyy Auringon noustessa
  • katoaa Auringon laskiessa ionien ja elektronien voimakkaan rekombinaation takia
  • ionisoituminen aiheutuu pääasiassa Lyman-a-säteilystä (? = 121,5 nm), UV-säteilystä (? = 102-112 nm) ja "kovasta röntgensäteilystä" (? < 1 nm)
• E-kerros
  • 90 - 120 km korkeudella
  • syntyy Auringon noustessa, katoaa yöllä lähes kokonaan
  • ionisoituminen aiheutuu "pehmeästä" röntgensäteilystä (aallonpituus 1-10 nm) ja UV-säteilystä (aallonpituus 80-102,6 nm)
• F-kerros
  • jaetaan F1- ja F2-kerrokseen
  • F1-kerros sijaitsee 140 km:stä ylöspäin ja F2-kerros 250 km korkeudelta alkaen
  • ionisoituminen pääasiassa UV-säteilyn (aallonpituus 10 - 100 nm) aiheuttamaa
  • päivällä F1- ja F2-kerros ovat yhdessä, mutta yöllä erillään
  • on olemassa vuorokauden ympäri

Äkillinen ionosfäärin häiriö (SID = Sudden Ionospheric Disturbance)

Äkillinen ionosfäärin häiriö tarkoittaa ionosfäärin D-kerroksen ionisaation äkillistä ja mahdollisesti voimakasta kasvua. Se aiheutuu Auringon pinnalla tapahtuvista roihuista ja muista purkauksista. Purkaus lähettää runsaasti hiukkasia sekä mm. röntgen- ja UV-säteilyä kohti Maan Auringon puolella olevaa puoliskoa. Säteilyn matka Maahan kestää noin 8 minuuttia, hiukkasilla aikaa kuluu enemmän, jopa vuorokausia. Röntgen- ja UV-säteily absorboituu ionosfäärin hiukkasiin, jonka seurauksena molekyylejä ja atomeja ionisoituu.

Sampo-työryhmä: