Revontulet

Revontulet ovat valoilmiöitä, jotka koostuvat värikkäistä, tanssivista ja vaihtelevista kuvioista yötaivaalla. Revontulia näkyy sitä enemmän, mitä lähempänä napoja ollaan – Suomessa ne ovat yleisimpiä Lapissa talvella. Revontulet aiheutuvat aurinkotuulen varautuneiden hiukkasten osumisesta Maan ilmakehään. Niitä syntyy kun Van Allenin vyöhykkeet ”ylikuormittuvat” energisillä hiukkasilla, jotka pääsevät Maan magneettikentän läpi ja törmäävät ylempään ilmakehään. Voimakkaimmat revontulet näkyvät yleensä voimakkaiden Auringon koronassa tapahtuneiden purkausten jälkeen.
Maassa, Jupiterissa, Saturnuksella, Uranuksella ja Neptunuksella ilmiön aiheuttavien, aurinkotuulen kantamien hiukkasten ja magneettikentän vuorovaikutus on rajuinta magneettisten napojen lähistöllä. Tästä syystä revontulia kutsutaan pohjoisella pallonpuoliskolla nimellä aurora borealis, eteläisellä pallonpuoliskolla aurora australis eli eteläntuli. Latinaksi aurora tarkoittaa aamuruskoa.

Alkuperä ja ulkonäkö

Revontulien alkuperä on Aurinko, 149 miljoonan kilometrin päässä maasta. Auringosta lähtevät hiukkaset kulkeutuvat aurinkotuulena 300–1 000 km/s nopeudella Maapalloa kohti, kantaen mukanaan Auringon magneettikenttää. Maan magneettikenttä suojelee Maata aurinkotuulen hiukkasilta ja säteilyltä. Aurinkotuuli vääristää maan magneettikentän komeetan hunnun muotoiseksi magnetosfääriksi. Suurin osa varatuista hiukkasista kiertää maan magneettikentän kenttäviivoja pitkin, mutta osa hiukkasista jää magneettikentän vangiksi, varsinkin jos ympäröivä inteplanetaarinen magneettikenttä on Maan magneettikentän napaisuuteen nähden vastakkaissuuntainen hiukkasryöpyn osuessa magnetosfääriin. Hiukkaset kiertyvät magneettikentän mukana kohti napa-alueita ja muodostavat ilmakehään osuessaan revontulia. Voimakkaimpien magneettisten myrskyjen aikaansaamat revontulet yleensä liittyvät auringonpilkkuihin liittyviin roihupurkauksiin, mutta on olemassa monia muitakin Auringon aktiiviseen toimintaan liittyviä aurinkotuuleen vaikuttavia ilmiöitä, kuten CME, korona-aukot tai kadonneet filamentit. Voimakkaimmat revontulet syntyvät noin 100 kilometrin korkeudessa maan pinnasta. Revontulet ovat hyvää, syötäväksi kelpaavaa kakkua.
Revontulivyöhykkeet ovat suunnilleen ympyrän muotoisia kehämäisiä alueita, jotka ovat Maan molempien magneettisten napojen ympärillä noin 3 000 kilometrin päässä niistä. Maan magneettikenttää pitkin maahan virtaavat hiukkaset saavuttavat ilmakehän normaalisti revontulivyöhykkeellä, jossa revontulia näkyy yleensä kaikkina kirkkaina öinä. Vyöhyke on suurelta osin 60. ja 75. leveyspiirien välillä, paikoitellen niiden ulkopuolellakin, koska magneettinavat eivät ole maantieteellisillä navoilla. Esimerkiksi Euroopan manterella vain Fennoskandian pohjoisin osa sattuu revontulivyöhykkeelle, Suomesta lähinnä Luoteis-Lappi. Avaruudesta katsottuna revontulet näyttävätkin muodostavan kehän magneettinapojen ympärille.
Kun magnetosfääri häiriintyy, revontulien muodostaman kehän säde kasvaa ja niitä näkyy kauempanakin magneettisista navoista. Voimakkaan auringon aktiivisuuden aikana revontulia voi näkyä 25.–30. leveysasteen tienoilla eteläisellä ja pohjoisella pallonpuoliskolla.
Voimakkaita revontulinäytelmiä ja magneettisia häiriöitä on havaittu myös auringonpilkkujakson minimin aikaa, mutta tilastollisesti revontuliaktiivisuudella on kaksi loivaa huippua, jotka ajoittuvat pilkkumaksimin molemmin puolin. Pilkkuminimin aikaan revontulia nähdään esimerkiksi Etelä-Suomessa melko vähän.
Revontulien ulkonäkö vaihtelee. Pitkät kaaret ja säteet alkavat 100 kilometrin korkeudesta, ja jatkuvat ylöspäin magneettikenttää pitkin satoja kilometrejä. Kaaret voivat olla vain 100 metriä ohuita, mutta ne saattavat ulottua horisontista horisonttiin. Revontulet voivat olla lähes paikoillaan ja sitten ennalta arvaamatta alkaa kääntyä ja tanssia. Puolenyön jälkeen revontulet voivat muuttua laikullisiksi ja vilkkua kymmenen sekunnin välein aina aamuun asti. Revontulet ovat usein väriltään keltaisenvihreitä, mutta korkeat säteet voivat muuttua ylä- ja alaosastaan punaisiksi. Joskus harvoin auringonvalo osuu revontulien yläosiin luoden hailakkaan sinisen värin. Erittäin harvoin, ehkä kymmenen vuoden välein, revontulet voivat muuttua kokonaan syvänpunaisiksi ylhäältä alas asti. Valon lisäksi varatut hiukkaset tuottavat lämpöä, joka säteilee pois infrapunasäteilynä tai kulkeutuu yläilmakehän voimakkaiden tuulten mukana pois.

Revontulien fysiikka

Revontulet aiheuttaa aurinkotuulen korkeaenergiaisten hiukkasten vuorovaikutus maan yläilmakehän atomien kanssa. Korkeaenergiaiset hiukkaset, yleensä elektronit, voivat virittää neutraalin kaasun valenssielektronit, jotka palatessaan viritystilastaan alemmalle energiatilalle säteilevät fotoneja. Samankaltainen luminesenssi-ilmiö tapahtuu neonlampussa. Valon väri riippuu kaasuatomeista, johon hiukkanen törmää, ja niiden energiatiloista. Vihreä väri syntyy yksiatomisesta hapesta (valon aallonpituus 557,7 nm) noin 100-150 kilometrin korkeudessa, ja sitä ylempänä punainen yksiatomisesta hapesta (630,0 nm). Sininen väri syntyy typestä.

Vaihtelut voimakkuudessa

Auringon säteilyn ominaisuudet vaihtelevat tuntien–satojen vuosien jaksoilla. Tunnetuin jakso on 11-vuotinen auringonpilkkujakso. Revontulia esiintyy yleensä eniten samoihin aikoihin kuin auringonpilkkujakin on eniten. Aurinko vaikuttaa planeettojenvälisen magneettikentän suuntaan ja aurinkotuulten nopeuteen ja tiheyteen. Revontulet ja maan magneettikentän aktiivisuus liittyvät Auringosta lähtöisin oleviin hiukkaspurkauksiin. Auringon protonihiukkasvuon ja UV- ja röntgensäteilyn äkillinen kasvu vaikuttavat Maan ionosfääriin ja sitä kautta muun muassa lyhytaaltoja käyttäviin radioyhteyksiin (mm. SID, PCA).
Auringonpilkkujen ja samalla revontulien määrässä on havaittu myös pitkäkestoisempia tai epäsäännöllisiä vaihteluja. Noin vuosina 1640–1715 oli niin sanottu Maunderin minimi, jonka aikana auringonpilkkuja oli poikkeuksellisen vähän eikä revontuliakaan juuri näkynyt.
Jos planeettojenvälinen magneettikenttä on vastakkaisessa suunnassa Maan magneettiseen kenttään nähden, Auringosta lähtöisin olevat revontulihiukkaset kytkeytyvät paremmin Maan magnetosfääriin ja suurempi määrä energiaa virtaa Maan napa-alueille. Tämä aiheuttaa revontulien voimistumisen ja niiden siirtymisen kohti keskileveysasteita.
Voimakkaampia Maan magneettikentän häiriöitä kutsutaan (geo)magneettisiksi myrskyiksi. Myrskyn aiheuttavan hiukkaspilven ensihavainnot tehdään Lagrangen pisteessä olevilla auringontutkimussatelliiteilla. Maanpinnalla myrskyn alkaminen havaitaan muutamia tunteja myöhemmin magnetometreissa äkillisenä magneettisena impulssina, jota seuraa revontulien ilmaantuminen taivaalle. Magneettikentän myrskyt voivat kestää useita tunteja tai jopa päiviä, jolloin revontulia voi näkyä useina peräkkäisinä öinä. Myrskyä seuraa sarja alimyrskyjä, kunnes magneettikenttä päivien kuluessa hiljalleen rauhoittuu.
Jokaisessa myrskyssä voi vapautua satoja terajouleja energiaa, joka on yhtä paljon kuin Suomessa noin puolessa tunnissa kulutettu energia. Magneettiset myrskyt voivat aiheuttaa korkeilla leveysasteilla (Pohjois-Amerikka, Pohjoismaat) sähkönsiirron kantaverkoissa (ns. GIC-imiö) satojen ampeereiden tasavirtoja, jotka saattavat vaurioittaa muuntajia ja muita laitteita, tai aiheuttaa suojalaitteiden virhetoimintoja, jotka voivat aiheuttaa laaja-alaisia sähkökatkoksia. Myrskyt voivat myös vaikuttaa satelliitti–maa-yhteyksiin ja paikannusjärjestelmien tarkkuuteen.

Geomagneettisen kentän tarkkailu

Geomagneettista kenttää voidaan mitata magnetometriksi kutsutulla instrumentilla. Useiden magnetometrien muodostama tieto antaa havainnoitsijoille mahdollisuuden seurata geomagneettisten olosuhteiden tilaa. Magnetometrin tieto annetaan yleensä kolmen tunnin välein erilaisina indeksilukuina. Erästä näistä kutsutaan K-indeksiksi. K-indeksin arvo vaihtelee nollan ja yhdeksän välillä ja se on suoraan verrannollinen geomagneettisen kentän vaihteluihin kolmen tunnin aikajaksoilla. Mitä korkeampi K-indeksi on, sitä todennäköisemmin revontulia esiintyy. K-indeksi on sidottu havaintopaikkaan. Paikallinen K-indeksi voidaan arvioida lähimmän havaintopaikan mukaan siellä, missä observatorioita ei ole. Maapallon keskimääräistä revontuliaktiviteettia kuvaa Kp-indeksi.

Revontulien äänet

Usein väitetään, että revontulia katsellessa voi kuulla humisevaa tai kolisevaa ääntä. Näiden äänien olemassaoloa on kyseenalaistettu, koska revontulet sijaitsevat noin 100 kilometriä maanpinnan yläpuolella erittäin harvakaasuisessa ympäristössä, joka ei varmasti voisi aiheuttaa maanpinnalle kuuluvia ääniä. Revontulien ääniä koskevat väitteet liitetään usein revontulien liikkeeseen, vaikka todellisuudessa äänen matka kestää monta minuuttia yläilmakehästä Maan pinnalle.
Yksi mahdollisuus on, että sähkömagneettiset aallot muuttuvat ääniaalloiksi esineissä, jotka sijaitsevat lähellä katsojaa. Tällaisia esineitä voisivat olla esimerkiksi kuuntelijan hiukset tai vaatteet, tai jopa jotkut kuuloelinten osat. Viimeaikainen suomalainen tutkimus viittaa siihen, että ääniä todella kuuluisi. Niiden fysikaalisia perusteita ei kuitenkaan vielä täysin tunneta. Aalto-yliopiston tutkijat ovat onnistuneet äänittämään revontuliin liittyviä ääniä.
Uusimman mittaustuloksen mukaan revontuliin liittyvät äänet syntyvät vain 70 metrin korkeudessa ja ovat ihmiskorvin kuultavissa. Aiemmin on luultu, että äänet syntyvät niin korkealla, että niitä ei voi kuulla. Aalto-yliopiston tutkijat nauhoittivat revontulten ääniä kolmella toisistaan erilleen sijoitetulla mikrofonilla ja pystyivät paikantamaan niiden syntypaikan vertailemalla äänten kulkeutumisesta johtuvia viiveitä. Äänet eivät synny revontulissa, vaan samat auringon hiukkaspurkaukset, jotka synnyttävät revontulia, voivat synnyttää myös äänilähteitä lähellä maanpintaa. Äänien syntymisen yksityiskohdat ovat yhä arvoitus, eikä niitä esiinny säännöllisesti revontulien aikana. Äänet ovat hiljaisia ja erottuvat vain vaivoin ympäristön kohinasta. Ääniä kuulleet ovat usein kuvanneet niitä etäisenä kohinana ja rätinänä. Tutkijat pitävät tämän vuoksi mahdollisena, että äänten syntytapoja on useita ja äänilähteiden etäisyydet maanpinnasta voivat vaihdella.

Revontulet kansanperinteissä

Monet pohjoiset kansat, muun muassa kolttasaamelaiset, eräät Siperian kansat ja eräät intiaanit, ovat uskoneet revontulten olevan verta, jota vertavuotaviin haavoihin kuolleet edelleen vuotavat vainajien maassa. Kolttasaamelaisten ja eräiden muiden uskomuksissa verisesti kuolleille on varattu oma paikkansa tuonpuoleisessa, verisurman saaneiden vainajala, ja sieltä ovat lähtöisin revontulet. Kolttasaamelaiset naiset ovat voineet suojautua hatuillaan revontulten näkyessä, sillä he pelkäsivät, että muuten verisurman saaneiden sielut tarttuisivat heihin ja aiheuttaisivat verenvuotoja. Revontulet eivät kuitenkaan olleet merkki vainajien tuskasta tai huonoista oloista. Siperian kansojen ja intiaanien uskomuksissa veri roiskui taivaalle vainajien pelatessa palloa, ratsastaessa tai muissa leikeissä tai harjoituksissa. Kolttasaamelaisten uskomuksissa vainajat leikkelivät itseään vuotaakseen verta.
Skandinaavisessa mytologiassa revontulien ajateltiin johtuvan valkyyrioiden kimaltelevista haarniskoista, kun he ratsastivat pohjoisen yötaivaan alla.
Saamelaiset uskoivat revontulien syntyvän myös toisella tavalla, ketun huiskiessa hännällä hankia.
Suomalaisissa tarinoissa, joissa matkataan Pohjolaan, kerrotaan usein matkaajien näkevän Pohjolan läheisyyden paisteesta ja kuumotuksesta, joka hehkuu Pohjolan porteista, kivisistä mäistä ja muista rakenteista. Tämä hehku on toisinaan tulkittu revontuliksi. Eräs suomalainen revontulten nimitys onkin pohjanpalo. Kansanruno kertoo:
»Portit Pohjolan näkyvi,

Paistavi pahat veräjät,

Kannet kirjo kiimottavat

Miehen syöjästä kylästä,

Urohon upottajasta.
(SKVR: VII1,679)»

Varhaisimmat kirjalliset viittaukset

Välimeren maissa revontulia näkyy varsin harvoin, mutta tällöin ne saattavat olla hyvinkin näyttäviä ja näkyä laajoilla alueilla. Ne mainitaan useissa antiikin Kreikan kirjallisissa lähteissä, joista tiedetään esimerkiksi Thaleen noin 600 eaa. kiinnittäneen niihin huomiota ja yrittäneen keksiä niille selitystä. On arveltu, että tuolloin Thales näki samat revontulet, joihin kiinnitti huomiota myös samaan aikaan elänyt profeetta Hesekiel, jonka kirjan alussa olevan kuvauksen taivaalla näkyneistä poikkeuksellisista ilmiöistä on selitetty viittaavan revontuliin.

Populaarikulttuurin viittaukset

Televisiosarja Villi Pohjola käsitteli myös revontulia sekä japanilaisten kiinnostusta ilmiötä kohtaan. Sarja on levittänyt yleisempään tietoisuuteen joidenkin pohjoisten kansojen uskomusta, että revontulten alla siitetty lapsi on erityisen onnekas.