Tähtitieteellinen yhdistys Ursa
Suomalaisten tähtiharrastajien havainnot johtivat uuden revontuli-ilmiön löytymiseen
24.10.2022
Ursan Taivaanvahti-palveluun raportoidut erikoiset revontulet ovat johtaneet uuden revontuli-ilmiön löytymiseen. Aiemmin tuntematon RAGDA-revontulimuoto sai selityksensä yhteistyössä Bostonin yliopiston tutkijoiden kanssa.
Suomessa löydöstä kertoo uusin Tähdet ja avaruus -lehti (7/2022).
Ilmiön kintereille päästiin lokakuussa 2018, jolloin tähtiharrastaja Emma Bruus kuvasi Rautalammilla kirkkaiden revontulten yhteydessä punaisen kaaren. Hän arveli sitä ensin harvinaiseksi, niin kutsutuksi SAR-kaareksi (Stable Auroral Red Arc).
”Sen välittömässä läheisyydessä oli erikoisia turkoosinvihreitä, utuisia läiskiä, jotka kiinnittivät huomioni”, Bruus kertoo Tähdet ja avaruus -lehdelle. Hän jäi pohtimaan niiden olemusta.
Myöhemmin samana syksynä tähtiharrastaja Heidi Rikala kuvasi punaisen kaaren, jonka vieressä oli samanlaisia läiskiä Ikaalisissa ja latasi havaintonsa Taivaanvahtiin.
Bruus pani merkille raportin, ja innostui selvittämään Taivaanvahdin havaintoja vastaavanlaisista tapauksista.
Kun havaintoja oli pian kasassa yli kymmenen, hän kokosi harrastajista koostuvan työryhmän etsimään lisähavaintoja ja dokumentoimaan ilmiötä tarkemmin. Lopulta havaintoja löytyi yli 70.
Bruus esitteli erikoiset havainnot kansainvälisessä revontuli-workshopissa lokakuussa 2021. Kokoukseen osallistui Bostonin yliopiston revontulitutkimustyöryhmän vetäjä, professori Toshi Nishimura.
Nishimura tunnisti, ettei käsitelty ilmiö vaikuttanut ainakaan normaalilta SAR-kaarelta. Hän tiesi, että vihreän ja punaisen emissioita oli aiemminkin raportoitu, mutta havaintojen kokonaisuus ja muotojen käyttäytyminen oli poikkeuksellista. ”Kukaan osallistujista, minä mukaan lukien, ei pystynyt selittämään tällaista revontulten kehitystä”, hän kertoo.
Havainnot yhdistyvät satelliittimittauksiin
Nishimura ryhtyi selvittämään nyt havaittuja erikoisia revontulimuotoja yhdessä harrastajien kanssa. Samalla Bruusin työryhmä pääsi käsiksi ammattimaisiin tietolähteisiin, joihin kuului muun muassa magnetometrien, revontulitutkien ja taivaskameroiden dataa.
Työryhmän Eero Karvisen tehtävänä oli käydä läpi satelliittimittauksia öiltä, joina harrastajat olivat kuvanneet punaisen kaaren ja sen vieressä vihreää utuista valoa.
"Sopivien havaintojen löytämisessä oli haasteensa", Karvinen kertoo Tähdet ja avaruus -lehdelle. "Tarvittiin kirkas yötaivas, aurinkotuulen hiukkasia mittaavan satelliitin ylitys sekä sopiva revontulialimyrskyn vaihe kaikki samaan aikaan."
Lopulta Taivaanvahdista löytyivät Rikalan ja Lauri Kankaan tekemät havainnot, joista oli olemassa samaan aikaan tehtyjä satelliittimittauksia. Kolmas tutkimukseen sopiva havainto saatiin kanadalaiselta tähtiharrastajalta Alan Dyerilta.
Aurinkotuulen protonit synnyttävät uuden revontulimuodon
Tutkimuksessa selvisi, että toisin kuin SAR-kaaret, harrastajien kuvaamat punaisen kaaren ja utuisen vihreän muodostelmat aiheutuvat Auringon hiukkasvirrasta eli aurinkotuulesta.
Tavanomaiset revontulet syntyvät aurinkotuulen elektroneista, mutta nyt löytynyt ilmiö saa alkunsa paljon raskaammista hiukkasista, protoneista. Uusi ilmiö syntyy ketjureaktiossa, jossa ilmakehän atomiin törmännyt protoni irrottaa siitä elektronin. Elektroni puolestaan törmää ilmakehän molekyyliin, ja sen saama lisäenergia vapautuu revontulivalona.
"Olimme pitkään ihmetelleet, miten tällainen kahden päällekkäisen värin revontulimuoto oli mahdollinen. Oli upeaa viimein saada selitys ilmiölle", Emma Bruus kertoo. "Tässä havaintojen määrällä oli ratkaiseva merkitys. Näin suuri määrä järjestelmällisesti tallennettuja tapauksia osoitti, että ilmiö oli todellinen ja toistuva."
Nyt löydetty ilmiö sai ulkonäkönsä mukaan nimen Red Arc with Green Diffuse Aurora (RAGDA) eli Punainen kaari vihreällä udulla. Projekti on antanut tutkijoille runsaasti uutta tietoa siitä, miten protonit vuorovaikuttavat ilmakehän kanssa.
Viime vuosikymmeniltä tunnetaan vain pari aiempaa tapausta, jossa kansalaistieteilijät ovat löytäneet uuden revontuli-ilmiön. Vuonna 2017 kanadalaiset harrastajat auttoivat Calgaryn yliopiston tutkijoita tunnistamaan STEVEksi nimetyn revontulimuodon, jonka yhteydessä saattoi esiintyä Säleaidaksi kutsuttu ilmiö.
Vuonna 2020 julkistettiin Helsingin yliopiston Minna Palmrothin johdolla suomalaisten harrastajien kuvaamat revontulidyynit.
Bostonin yliopiston Toshi Nishimuran mukaan on poikkeavaa, että harrastajat löytävät uusia revontulia. "STEVE ja säleaita sekä dyynit ovat ainoita aiempia esimerkkejä, joista olen tietoinen, joten se on harvinaista."
Sekä dyynien että nyt RAGDAn tapauksessa lähes kaikki alun perin ilmiöstä raportoidut havainnot olivat Ursan Taivaanvahdista.
"Nämä ovat merkittäviä ja yllättäviä löytöjä", Nishimura toteaa. "Maailmalla on useita revontulihavaintoja kerääviä tietokantoja, mutta yksityiskohtaista tietoa kuvista keräävä ja tapahtumien haun mahdollistava Taivaanvahti on niistä paras."
Lyhennenimi RAGDA on otettu käyttöön tutkimuksen julkaisemisen jälkeen.
Materiaalia tiedotusvälineiden vapaaseen käyttöön
Kuva 1. RAGDA-revontulimuoto eli punainen kaari vihreällä udulla Ikaalisten taivaalla. Kuvan käyttö sallittu ainoastaan tästä löydöstä uutisoitaessa. Kuvalähde on mainittava. Kuva Heidi Rikala / Tähdet ja avaruus jpg (4898 x 2695 px)
Kuva 2. Toshi Nishimura ja Emma Bruus Massachusettsin Haystack-observatorion ulkopuolella. Kuvan käyttö sallittu ainoastaan tästä löydöstä uutisoitaessa. Kuvalähde on mainittava. Kuva Carlos Martinis / Tähdet ja avaruus jpg (5304x7952 px)
Lisätietoja
Emma Bruus
Taivaanvahdin kehittäjä
puh. 040 738 9119
etunimi.sukunimi@ursa.fi
Toshi Nishimura
Bostonin yliopiston revontulitutkimustyöryhmän vetäjä, Boston University
kysymykset englanniksi toshi16 [at] bu.edu
Observations of Finnish amateur astronomers lead to a discovery of new aurora phenomenon
Northern lights reported to Ursa’s Skywarden (Taivaanvahti, www.taivaanvahti.fi) observation service have led to the discovery of a new aurora phenomenon. The previously unknown form of aurora borealis, RAGDA, got its explanation in collaboration with Boston University researchers.
The research results have been published in JGR Space Physics journal. In Finland the latest Tähdet ja avaruus magazine (7/2022) reports on the news.
The story behind the discovery begins in October 2018, when amateur astronomer Emma Bruus photographed a red arc in Rautalampi, Finland, in connection with the bright northern lights. She first thought it was a rare, so-called SAR arc (Stable Auroral Red Arc).
"In its immediate vicinity, there were special turquoise-green, hazy patches that caught my attention," Bruus tells Tähdet ja avaruus. She was left to wonder, what caused the diffuse green aurora below the red arc.
Later that fall, amateur astronomer and aurora enthusiast Heidi Rikala photographed a red arc with similar spots next to it in Ikaalinen and sent the observation to Skywarden database of the Finnish Ursa Astronomical Association.
Bruus noticed Rikala’s report, and was excited to find more such cases in Skywarden-stored observations.
When there were more than ten cases of what looked like a same phenomenon, she assembled a working group of amateurs to look for additional sightings and document the phenomenon in more detail. In the end, more than 70 observations were found.
Bruus presented the special findings at an international aurora borealis (STEVE) workshop in October 2021. The meeting was attended by professor Toshi Nishimura, head of the northern lights research group at Boston University.
Nishimura recognized that the phenomenon discussed did not look like a normal SAR arc. He knew that similar green and red emissions had been reported before, but the whole pattern of observations and the behavior of these shapes was exceptional. "None of the participants, myself included, could explain such a development of the northern lights," he says.
The observations get combined with satellite measurements
Nishimura set out to investigate the now observed special aurora forms together with enthusiasts. At the same time, the amateur working group lead by Bruus gained access to professional data sources, including data from magnetometers, aurora borealis radars and sky cameras.
Working group member Eero Karvinen started going through satellite measurements from nights when amateur astronomers had photographed a red arc and a green hazy light next to it.
"Finding suitable observations had its challenges," Karvinen tells to Tähdet ja avaruus magazine. "What was needed was a clear night sky, an overpass of a satellite measuring particles in the solar wind, and a suitable auroral substorm phase, all at the same time."
In the end the observations made by Heidi Rikala and Lauri Kangas from Skywarden matched with satellite passes. A third observation suitable for the study was received from well known Canadian stargazer Alan Dyer.
Protons from the solar wind give rise to a new form of aurora borealis
The research revealed that unlike the SAR arcs, the red arc and diffuse green formations described by citizen scientists are caused by solar wind particles.
The usual forms of aurora borealis are created by the flow of electrons. The rec arc with diffuse green originates from much heavier particles, protons. It arises in a chain reaction where a proton, having collided with an atmospheric atom, detaches an electron from it. The electron then goes on to collide with a molecule in the atmosphere, and the additional energy the molecule receives is emitted as a photon, which can be seen as auroral light.
"We had wondered for a long time how such an aurora borealis with these two color areas was possible. It was wonderful to finally get an explanation for the phenomenon," says Emma Bruus.
"Here, the number of observations was decisive. Such a large number of systematically recorded cases showed that the phenomenon repeated, and was real."
The now discovered phenomenon was named Red Arc with Green Diffuse Aurora (RAGDA) due to its appearance. The project has given researchers new information about how protons interact with the atmosphere.
Only a couple of previous cases are known from the past decades, where observations recorded by citizen scientists have led to the discovery of a new aurora borealis phenomenon.
In 2017, Canadian aurora enthusiasts helped researchers at the University of Calgary identify an aurora borealis called STEVE, which occasionally was associated with a phenomenon called the Picket fence.
In 2020, the aurora dunes photographed by Finnish amateur astronomers were published under the leadership of professor Minna Palmroth of the University of Helsinki.
According to Boston University's Toshi Nishmura, it is unusual that citizen scientists participate in the discovery of new auroras. "STEVE, the picket fence, and dunes are only other examples that I'm aware of. So it's rare."
In the case of both the aurora dunes and now RAGDA, almost all of the originally reported observations of the phenomenon were from Skywarden database.
"These are significant and surprising findings," Nishimura states. "There are several aurora observation gathering databases in the world, but Taivaanvahti is the best of them with its capability to collect detailed information about images and search events."
The acronym RAGDA has been adopted after the publication of the research.
Resources for the media
Kuva 1. Aurora phenomenon RAGDA photographed in Ikaalinen, Finland. The use of this image is only allowed when reporting on this news. Image credit must be given. Image credit: Heidi Rikala / Tähdet ja avaruus jpg (4898 x 2695 px)
Kuva 2. Toshi Nishimura and Emma Bruus outside the Haystack observatory, Massachusetts. The use of this image is only allowed when reporting on this news. Image credit must be given. Image credit: Carlos Martinis / Tähdet ja avaruus jpg (5304x7952 px)
Links
Skywarden database https://www.taivaanvahti.fi/
Tähdet ja avaruus magazine https://www.avaruus.fi/
Ursa Astronomical Association https://www.ursa.fi/english.html
Inquiries
Emma Bruus
Taivaanvahti developer
tel. +358 40 738 9119
firstname.lastname@ursa.fi
Toshi Nishimura
Head of the northern lights research group at Boston University
toshi16 [at] bu.edu
