3.1. Magneettikenttä ja magnetosfääri
Maapallon sulien sisäosien liike synnyttää planeetan ympärille magneettikentän, joka on pääpiirteissään dipolikentän muotoinen. Kenttä vuorovaikuttaa voimakkaasti sitä ympäröivän, planeettojenvälisen hiukkas- ja kenttäavaruuden kanssa. Vuorovaikutuksen tuloksena maapallon lähiavaruuteen syntyy sähkömagneettista rakenteisuutta, jossa eri alueet eroavat toisistaan varattujen hiukkasten tiheyden ja liikkeen sekä suurimittakaavaisten virta- ja kenttäilmiöiden esiintymisen suhteen.
Rakenteista kokonaisuutta kutsutaan maapallon magnetosfääriksi (kuva 3.1. ).
Magnetosfäärin uloin kerros on magnetopausi, joka erottaa maapallon vaikutusalueen ympäröivästä aurinkotuulesta ja sen mukanaan kuljettamasta aurinkoperäisestä magneettikentästä. Magnetopausin muoto eroaa suuresti siitä pallosymmetrisestä dipolikentästä, jollainen maapallon kenttä olisi ilman aurinkotuulen vaikutusta. Kenttäkonfiguraatio litistyy auringon puoleiselta osaltaan, koska aurinkotuuli eli jatkuva hiukkasvirtaus auringosta poispäin aiheuttaa magneettista painetta planeetan kenttää vastaan. Auringon suunnassa magnetopausi on tyypillisesti noin kymmenen maan säteen etäisyydellä maan pinnasta. Yön puolella eli auringosta poispäin osoittavassa suunnassa maapallon magneettikenttä venyy pitkäksi pyrstöksi, jonka pituus ei ole tarkasti määritettävissä. Jatkuvat dynaamiset prosessit muuttavat pyrstön muotoa ja aiheuttavat ajoittain ns.
rekombinaation, jossa magneettikentän erisuuntaiset voima viivat yhtyvät tietyssä pyrstön kohdassa ja pyrstön uloin osa irtoaa ja muodostaa vapaasti aurinkotuulessa ajelehtivan plasmapallon /8/. Pyrstön on havaittu ulottuvan jopa kahdensadan maan säteen päähän.
SHOKKIKIN!,
PLASMASFÄÄRI
PYRSTÖ
PLASMAL1 AURINKOTUULI
ISÄTEILYVYÖHYKE JA RENGASVIRTA
Kuva З.1.: Maapallon magnetosfäärin halkileikkaus keskipäivä-keskiyö -tasossa (lähteen 9 mukaan). Merkintä BIMF tarkoittaa planeettojenvälistä magneettikenttää.
Magnetopausi on tyypillinen plasmaympäristöjen rajapinta, jossa kenttien ylläpitämä virtalevy tai -kuori erottaa eri kenttäkonfiguraatiot toisistaan /9/.
Aurinkotuulesta peräisin olevat varatut hiukkaset kuljettavat sähkövirtaa suhteellisen ohuessa plasmakerroksessa, jonka eri puolilla magneettikentällä on eri suunta ja suuruus. Geomagneettisesti hiljaisina aikoina auringon hiukkasemissio on suhteellisen tasaista ja maapallon magneettikentän voimaviivat muodostavat suljetun systeemin, jolloin aurinkotuulen hiukkaset eivät pääse tunkeutumaan magnetopaus in läpi. Kun auringossa tapahtuu suuri hiukkaspurkaus, aurinkotuulen äkilliset muutokset kytkeytyvät maapallon magnetosfääriin siten, että jotkin maapallon kentän kenttäviivat yhtyvät aurinkotuulen mukana liikkuvan interplanetaarisen magneettikentän kenttä viivoihin. Tällaisen ilmiön seurauksena magnetopausi päästää läpi hiukkasryöpyn, joka havaitaan maapallolla lisääntyvänä sähkömagneettisena aktiivisuutena eli ns. geomagneettisena myrskynä.
Magnetosfäärin varatut hiukkaset ovat peräisin pääosin aurinkotuulesta ja maapallon ionosfääristä. Lisäksi suurienerginen kosminen säteily vuorovaikuttaa ilmakehän hiukkasten kanssa ja synnyttää neutroneja, jotka voivat kulkeutua magnetosfäärin muihin osiin ennen spontaania hajoamistaan protoneiksi ja elektroneiksi. Varattujen hiukkasten tiedetään saavan energiaa magnetosfäärin sähkömagneettisista kentistä, joskaan näitä
ns. kiihdytysprosesseja ei tunneta tarkasti. Magnetosfäärin pyrstössä tapahtuu voimakkaita kiihdytysilmiöitä erityisesti rekombinaatioden yhteydessä, jolloin osa hiukkasista syöksyy kenttä viivojen suunnassa kohti maapalloa ja osuu ylemmän ilmakehän molekyyleihin synnyttäen revontulia.
Maapallon ekvaattoritasossa varattujen hiukkasten liike keskittyy tietyille korkeuksille muodostaen säteilyvyöhykkeitä. Alin tällainen ns. Van Alienin vyö koostuu suurienergisistä protoneista (>30 MeV) ja sijaitsee noin 1000- 4000 km:n korkeudessa kapealla leveysastealueella, noin ±20° välillä.
Uloimmat säteilyvyöt koostuvat sekä protoneista että elektroneista ja voivat ulottua auringon puolella lähelle magnetopausia. Säteilyvyöhykkeiden hiukkaset kuljettavat maapalloa kiertäviä rengasvirtoja, joiden suuruus voi olla aktiivisena aikana miljoonia ampeereja /9/.
Auringon ultraviolettisäteily ionisoi ilmakehän yläosan atomeja ja molekyylejä. Noin 60 km:n korkeudesta ylöspäin ilmakehän kaasu on niin harvaa, että syntyvät ionit eivät rekombinoidu välittömästi törmäysten vaikutuksesta vaan osa kaasusta on jatkuvasti ionisoituneessa tilassa. Mitä korkeammalle mennään sitä harvempaa kaasu on ja sitä suurempi on pysyvä varattujen hiukkasten osuus. Tätä ilmakehän ionipitoista yläosaa kutsutaan yleisesti ionosfääriksi, mutta käsitteen laajuus vaihtelee eri lähteissä.
Tavallisesti mainitaan myös käsite plasmasfääri, joka sisältää maapallon mukana pyörivän eli ns. korotationaalisen plasman ja ulottuu noin 3-4 maan säteen etäisyydelle /9/,/10/. Tällöin ionosfäärillä tarkoitetaan sitä plasmapausin osaa, jossa varattujen hiukkasten törmäykset neutraaleihin hiukkasiin ja toisiinsa ovat merkittäviä ja plasman johtavuus näin ollen äärellinen. Plasmasfäärin (vaikeasti määriteltävää) ylärajaa sanotaan plasmapausiksi /8/.
Ionosfääri toimii aurinkotuulen ohella magnetosfäärin ilmiöihin osallistuvien varattujen hiukkasten lähteenä /10/. Se on ajoittain myös vastaanottava osapuoli; revontuli-ilmiöissä ulomman magnetosfäärin energeettisiä hiukkasia syöksyy ionosfääriin, jossa ne menettävät energiansa törmäysten kautta. Myös magneettisesti hiljaisina aikoina ionosfääri kytkeytyy magnetosfäärin ulompien osien tapahtumiin erilaisten virtajärjestelmien kautta. Koska ionosfäärin johtavuus on äärellinen, sillä on merkittävä kuormavastuksen osa näissä virtajärjestelmissä. Magnetosfäärin ulompien osien täydellisesti ionisoitunut plasma on niin harvaa, ettei hiukkasten välillä ole merkittäviä törmäysvuorovaikutuksia ja johtavuus voidaan näin ollen arvioida äärettömäksi.
3.2. Magnetosfäärin virtajärjestelmät
Varattujen hiukkasten kollektiivinen liike magnetosfäärin sähkömagneettisissa kentissä synnyttää suurimittakaavaisia sähkövirtoja.
Induktiolain mukaisesti nämä virrat luovat ympärilleen kenttiä, ja lopullinen kenttä-, varaus- ja hiukkaskonfiguraatio onkin monimutkainen superpositio eri ilmiöistä, jotka vuorovaikuttavat dynaamisesti keskenään. Virtalevyillä, - kuorilla ja -renkailla on tärkeä osuus magnetosfäärin stabiilin perusrakenteen ylläpitäjinä /9/.
Magnetosfäärin virrat voidaan ryhmitellä esiintymisensä mukaisesti seuraaviin ryhmiin /8/:
• rajapintojen virrat
virtalevyt, jotka erottavat törmääviä magneettikenttiä esimerkiksi magnetopausissa
• rengasvirrat
varattujen hiukkasten kollektiivisesta ajautumisesta eli driftistä aiheutuvat suljetut virrat
• törmäyshäviölliset virrat
ionosfäärissä esiintyvät virrat, joita kuljettavat hiukkaset vaihtavat liikemäärää törmäysten kautta
• kentänsuuntaiset virrat
magneettikentän voimaviivojen suunnassa kulkevat virrat, jotka kytkevät magnetosfäärin ulommat osat ionosfäärin horisontaalisiin virtoihin
• pyrstö virrat
magnetosfäärin pyrstön rakennetta ylläpitävät virtalevyt ja -kuoret.
Varattujen hiukkasten esiintymistä mittaavat laitteet kertovat periaatteessa suoraan virta tiheyden mittausalueella. Sen absoluuttiseksi määrittämiseksi täytyy kuitenkin saada mitatuksi kaikki hiukkastyypit nollaenergiasta relativistisiin nopeuksiin asti. HUTSATissa tähän on pyritty valitsemalla instrumenteiksi kolme erityyppistä laitetta, jotka kattavat energia-alueesta ne osat, joita instrumentteja ehdottaneet tutkijat pitävät tärkeimpinä.
HUTSATin kaavailtu lentokorkeus, 600-1000 km, merkitsee, että sillä voidaan kartoittaa kentänsuuntaisia virtoja, jotka esiintyvät pääasiassa korkeilla leveysasteilla. Matalaenergisten ionien osalta toinen mielenkiintoinen alue on päiväntasaajan ympäristö, jossa ionit virtaavat ylöspäin. Mittausten merkityksen ymmärtämiseksi on tunnettava mitattujen ilmiöiden yhteys magnetosfäärin muodostamaan kokonaisuuteen.
HUTSATin hiukkasinstrumentaatiolla saadaan tietoa siitä, millä leveysasteilla kentänsuuntaisia virtoja esiintyy ja missä määrin virtojen esiintymisalueet ja intensiteetit vaihtelevat geomagneettisesti erilaisina aikoina.
3.3. Varattujen hiukkasten liike; kulkeutumisilmiöt
Avaruuden suurimittakaavaiset virtajärjestelmät syntyvät plasman varattujen hiukkasten kollektiivisesta liikkeestä. Jotta voitaisiin tutkia virtajärjestelmiä hiukkasmittausten perusteella, on tiedettävä, miten varatut hiukkaset liikkuvat maapallon yhdistetyssä magneetti- ja gravitaatiokentässä. Oletetaan aluksi, että nopeudella v liikkuvaan hiukkaseen, jonka varaus on c¡ ja massa on m, vaikuttaa vain magneettikenttä B. Tällöin sen Lorentzin liikeyhtälö on
d\ , ,.x
m— = £/(vxB) (3-1)
at
Ottamalla (3-l):n pistetulo hiukkasen nopeuden v kanssa saadaan säilymislaki /9/ joka kertoo, että hiukkasen kineettinen energia ei muutu magneettikentän vaikutuksesta. Tämä on vahva tulos, joka pätee mielivaltaiselle magneettikentälle. Liikeyhtälön (3-1) tarkastelu helpottuu, jos nopeus v jaetaan kentän suuntaiseen ja sitä vastaan kohtisuoraan komponenttiin ja esitetään niiden vektorisummana, v = vH + vx. Saadaan yhtälöpari
dt
d\ i q / _ч
—- = —(v, xB dt m 1
(3-4)
eli magneettikentän aiheuttama muutos hiukkasen nopeusvektoriin on aina kohtisuorassa kenttää ja nopeuden kohtisuoraa komponenttia vastaan.
Lisäksi muutoksen etumerkki riippuu hiukkasen varauksesta.
Homogeenisessa magneettikentässä hiukkasen rata on ruuviviiva, ja erimerkkiset hiukkaset kiertävät magneettikentän voimaviivoja eri suuntiin.
Magneettikentän lisäksi plasmaympäristössä voi vaikuttaa sähkökenttä E, joka myös jaetaan käsittelyn helpottamiseksi magneettikenttän suuntaiseen ja sitä vastaan kohtisuoraan komponenttiin, E = EH + . Itsensä suunnassa magneettikenttä (3-4):n mukaisesti ei vaikuta, joten liikeyhtälöt ovat
dyi dt
— = -(Ei+ViXB)
dt m 1 1
(3-5)
Tämän differentiaaliyhtälöparin ratkaisut ovat muotoa v = u + —r— ExB
B2 (3-6)
missä u toteuttaa ehdon du/dt = (q/m)uxB. Sähkö- ja magneettikentän yhteisvaikutuksesta syntyy hiukkasvirtausta sekä magneettikentän suuntaan (u) että sitä ja sähkökenttää vastaan kohtisuoraan suuntaan (ExB -termi).
Jälkimmäinen, ExB -kulkeutumiseksi nimitetty termi ei ole riippuvainen hiukkasten varauksesta, joten sen aiheuttama liike on samanlainen elektroneille ja positiivisille ioneille.
Myös maapallon gravitaatiokenttä vaikuttaa varattujen hiukkasten liikkeeseen /9/. Sen tuloksena syntyy ns. gravitaatiokulkeutuminen wg:
wg m gxB
~q В2 (3-7)
Muita kulkeutumismekanismeja ovat sähkökentän hitaista ajallisista muutoksista johtuva polarisaatioefekti sekä magneettikentän kaareutumisesta ja magneettivuon tiheyden gradientis ta johtuva kulkeutuminen, joiden lausekkeet ovat /9/
polarisaatio: m ЭЕ Wp " qB2 dt kaarevuus:
gradientti: wVß =-—,J--(Bx Vß) Vß 2 qB'
Varatun hiukkasen liiketiloista suuruudeltaan merkittävimpiä ovat ruuviliike (3-4) ja ExB -kulkeutuminen (3-6) /8/. Yhtälön (3-6) mukaista, superponoidun sähkö- ja magneettikentän aiheuttamaa ja hiukkasen varauksesta riippumatonta kulkeutumista ei tule sekoittaa hiukkasilmaisimien sisällä vallitsevaan tilanteeseen, jossa sähkökentän voimakkuus on useita kertaluokkia suurempi kuin plasmassa esiintyvät sähkömagneettiset kentät; tällöin ilmaisimen sähkökenttä on käytännöllisesti
katsoen ainoa hiukkaseen vaikuttava voima ja sen vaikutuksesta positiiviset ja negatiiviset hiukkaset käyttäytyvät eri tavalla.
3.4. Hiukkasmittaukset magnetosfäärissä
Geofysikaalinen magnetosfääritutkimus tähtää maapallon geomagneettisen ympäristön ymmärtämiseen ja sen toiminnan mallintamiseen.
, Magnetosfäärin eri osatekijöiden synnystä, toiminnasta ja vuorovaikutuksista on olemassa lukuisia teorioita ja malleja, jotka ovat osittain ristiriitaisia keskenään ja kilpailevat kannatuksesta. Teorioiden paremmuutta mitataan sillä, miten hyvin niiden antamat tulokset sopivat yhteen paikan päällä tehtyjen mittausten kanssa. Tästä saadaan vankin (ainoa?) perustelu magnetosfääriä havainnoivien mittalaitteiden lähettämiselle avaruuteen: niillä hankitaan vertailuaineistoa, joka ratkaisee, minkälaista fysikaalista selitystä lähiavaruutemme toiminnasta voidaan pitää uskotta vimpana.
Satelliiteista tehtävällä hiukkasmittauksella on kaksi "taktista" tarkoitusta /5/. Ensinnäkin sillä kartoitetaan itse hiukkasten käyttäytymistä:
esiintymistiheyttä, eri ionien suhteellisia osuuksia koko populaatiosta sekä hiukkasvirran suuntaa. Toiseksi, yhdistämällä hiukkasvirtauksen nopeus- ja suuntamittaus samanaikaiseen magneettikentän suunta- ja suuruusmittaukseen voidaan laskea paikallisen sähkökentän suunta ja voimakkuus. Laskenta perustuu hiukkasten liikedynamiikkaan, jota selostettiin tarkemmin edellä. Hiukkasten nopeusvektorin tärkein komponentti on verrannollinen paikallisen sähkö- ja magneettikenttävektorin ristituloon. Laskemalla saatua sähkökenttää voidaan käyttää vertailukohtana, kun tutkitaan magnetosfäärin kenttäteoreettista mallintamista.
Magnetosfäärin varattujen hiukkasten energiat vaihtelevat termisestä (lähes nollaenergiasta) satoihin MeV:eihin. Energeettisesti kattava mittaus vaatii useita erityyppisiä mittalaitteita, koska varatun hiukkasen vuorovaikutusmekanismi analysaattorimateriaalin kanssa riippuu hiukkasen energiasta. Lisäksi mittaajan mahdollisuudet vaikuttaa hiukkasen rataan mittalaitteessa esimerkiksi suuntatiedon hankkimiseksi ovat sitä pienemmät, mitä suurempi alkuenergia hiukkasella on. Eri energia-alueiden hiukkasilla on myös erilainen merkitys tutkimustulosten käytön kannalta: tämä sanelee erityisesti sen, mitkä energiat valitaan instrumenttien painopistealueiksi.
Koska yhden hiukkasen varaus on niin pieni, ettei sitä voida sellaisenaan havaita, varsinainen hiukkasdetektointi tapahtuu osuman synnyttämien sekundäärihiukkas ten avulla. Tavallisessa detektori- eli ilmaisinmateriaalissa on jokin helposti sekundäärielektroneja emittoiva osa, johon havaittava hiukkanen osuu. Sekundäärielektroneja kiihdytetään sähkökentässä siten, että ne törmäilevät edelleen ilmaisinmateriaalin
atomeihin irrottaen yhä lisää sekundäärielektroneja, kunnes on saavutettu noin 107-ker täinen varauksen vahvistus. Elektroni vyöry osuu anodimateriaaliin ja sen synnyttämä negatiivinen varauspulssi havaitaan varausherkällä vahvistimella. Saturaatiotyyppisessä ilmaisimessa pulssin suuruus ei riipu merkittävästi alkuperäisen hiukkasen energiasta, jolloin se havaitaan vain merkkinä osumasta ja hiukkaslaskurin lukemaan lisätään yksi. Verrannollisuuslaskurissa mitataan myös elektronien kuljettaman varauspulssin suuruus, joka on verrannollinen primäärihiukkasen energiaan. Jälkimmäinen menetelmä on yleensä mahdollista vain puolijohdeilmaisimilla ja kohinan takia sillä voidaan mitata vain suurienergisiä hiukkasia, jos ilmaisinta ei voida jäähdyttää.
Saturaatiotyyppisen ilmaisimen käyttö edellyttää, että hiukkasten energia- tai massaerottelu tai molemmat tehdään jollain sähkömagneettisella menetelmällä. Ilmaisimen eteen rakennetaan erotteluosa, jonka sähkömagneettisen kentän suuruutta ja/tai suuntaa voidaan vaihdella niin, että vain tietyt energia- massa- ja varausehdot täyttävä hiukkanen pääsee ilmaisimelle asti. Vaihtoehtoisesti, jos ilmaisin on riittävän iso tai sen paikkaerotuskyky riittävän hyvä, sähkömagneettisella kentällä voidaan aiheuttaa eri nopeudella liikkuville hiukkasille erilainen poikkeama liikesuunnasta, jolloin niiden osumakohta ilmaisimessa vastaa niiden alkuenergiaa. Myös näiden kahden menetelmän, diskriminoinnin ja poikkeutuksen, yhdistäminen on mahdollista.
Sähkömagneettinen kenttä vaikuttaa varattuun hiukkaseen Loren tzin voimalla
F = <7(E + vxB) (3-20)
missä E on sähkökenttä, v on hiukkasen nopeus ja В on magneettivuon tiheys. Tarkastellaan esimerkkitapausta, jossa hiukkanen etenee aluksi z- suuntaan, sähkökenttä on у-suun täinen ja magneettikenttä x-suuntainen. Jos kirjoitetaan sama lauseke siten, että nopeus v esitetään hiukkasen (epärelativistisen) liike-energian S avulla ja eri voimien vaikutus erotellaan selvemmin,
(3-21) nähdään, että sähkökentän vaikutus hiukkasen liiketilaan riippuu vain sen varauksesta eikä ollenkaan sen massasta. Hiukkasen radan kaarevuussäde on homogeenisessa sähkökentässä
2£_
qE (3-22)
ja homogeenisessa magneettikentässä
rB-yj2£m
~qb~ (3-23)
Näin ollen kaikki hiukkaset, joiden energia/varaus -suhde on sama, käyttäytyvät sähkökentässä samalla tavalla eikä niitä voida erottaa toisistaan. Magneettikentässä sen sijaan hiukkasen käyttäytyminen riippuu energian ja varauksen lisäksi sen massasta, joten magneeteista voi rakentaa massaspektrometrin.
Kaikki HUTS Aliin tulevat hiukkasmittalaitteet perustuvat sähkökenttään, joskin hiukka sdo sirne trissa kenttää käytetään vain puolijohdemateriaalissa syntyvän vapaan varauksen keräämiseen. Mikään ei sinänsä estä käyttämästä mikro- tai piensatelliitin laitteistossa myös magneettikenttälaitteita, kunhan suunnittelussa kiinnitetään riittävästi huomiota siihen, ettei instrumentin vaatimista kestomagneeteista kerry liikaa painoa eikä niiden kenttä aiheuta häiriöitä muihin mittauksiin, esimerkiksi magnetometrin toimintaan. Syksyllä 1992 laukaistussa Freja-satelliitissa on yhdistetty sähkömagneettinen analysaattori /11/ ja muitakin mielenkiintoisia laitteita on esitelty /12/, /13/.