Auringonpurkaukset ja yläilmakehä

Esitys aiheesta: "Auringonpurkaukset ja yläilmakehä"— Esityksen transkriptio:

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 Hiukkas-myrskyn jälkeen Hiukkas-myrskyn aikana
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 Hiukkas-myrskyn jälkeen Hiukkas-myrskyn aikana
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 : 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 Ilmakehä Neutraali ilmakehä Ionosfääri
Yläilmakehä 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 Keski-ilmakehä

7 OMI instrumentin tuottama mittaustulos Etelämantereen otsoniaukosta
Ilmakehä - Otsoni Otsonikerros eli paikallinen maksimi otsonin pystyjakaumassa noin 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 Ilmakehän kiertoliike
LÄNSI → ITÄ ITÄ → LÄNSI Ilmakehän kiertoliike Yksinkertaistettu keski- ilmakehän kiertoliike: Nousevaa liikettä päiväntasaajalla ja kesäisellä navalla Laskevaa liikettä talvisella navalla Navan ilmamassan eristävä polaari 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 Korkeaenergisten hiukkasten presipitaation
Ionisaationopeus (tuotettuja ionipareja sekunnissa / cm3) Δε = keskimääräinen ionisaa-tioenergia (~35eV) dE/dx = energia häviö hiukka-sen kulkeman matkayksikköä kohden F(E) = presipitoituvien korkea-energisten hiukkasten vuo Mitä enemmän hiukkasella on energiaa, sitä alemmas se tunkeutuu ilmakehässä Hiukkaspresipitaation aiheuttama ionisaatio ilmakehässä saattaa ylittää merkittävästi muut luonnolliset ionisaatiolähteet Auringon EUV Galaktiset kosmiset säteet Hiukkaspresipitaatio 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-havainnosta tehdään satelliiteista Toisen MS jälkeen V1 ja V2 raketteja käytettiin (myös) ilmakehämittauksissa. Päästään korkeam-malle (aiemmin vain 50km) 1985: Otsoniaukko havaitaan 1958: Epäkoheretti sironta luku: NASA ryhtyy kehittämään erikoistuneita satelliitteja ilmakehätutkimukseen 1890-luku: Lämpötilan ja paineen luotaukset palloilla 1929: Ensimmäinen raketti-luotaus 1950-luku: Riometrit 1783: Ensimmäinen tieteellinen “ilmapallo” 1960-luku: operatiiviset sääsatelliitit 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 mittalaite Global 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 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: Ionisaationopeudet Q 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: (X17) ja (X45) Roihujen yhteydessä koronan massapurkaukset (CME) Maata kohti Ilmakehään tulevien korkeaenergiasten hiukkasten vuo lisääntyi huomattavasti → Courtesy of SOHO/EIT and SOHO/LASCO consortiums.

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

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

24 GOMOS NO2 ja O3, 46 km O3 46km Lokakuu ennen SPEtä
0.7 1.5 x 1011 1 8 x 108 0.7 1.5x1011 1 8x108 0.7 1.5x1011 1 8x108 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 ºC 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 , 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