Sinitaivas

Sininen taivas ja punainen iltaruskoa ovat saman ilmiön
kaksi eri ilmenemismuotoa. Molemmat johtuvat
sinisen valon sirottumisesta. Kuva Kari A. Kuure.

K: Miksi taivas on sininen?

V: Auringonvalo sisältää kaikki näkemiämme aallonpituuksia, siis värejä. Siniset aallonpituudet ovat lyhyempiä kuin vihreät, keltaiset, oranssit tai punaiset aallonpituudet. Eri aallonpituudet käyttäytyvät ilmassa eritavoin. Mitä lyhyempi aallonpituus sitä voimakkaammin valo sirottuu^[1] ilmakehän molekyyleistä. Tästä seuraa se, että punaisen pään pitkäaaltoinen valo ei siroa juuri lainkaan mutta sininen valo siroaa voimakkaasti.

Sinisen voimakas sirottuminen johtaa siihen, että auringonnousut ja etenkin -laskut ovat väriltään punaisia. Auringon suunnasta tulevasta valosta on sirottunut pois kaikki lyhyemmät valon aallonpituudet ja vain punainen on onnistunut läpäisemään sen. 

Ero ilta- ja aamuruskon välillä johtuu ilmakehässä leijuvien äärimmäisten pienten pölyhiukkasten ja vesipisaroiden (utu) määrien vaihteluista. Yleensä iltaisin ilmakehässä leijuvia pienhiukkasia on jonkin verran enemmän kuin aamulla ja sateen jälkeen vähemmän kuin pitkän poutajakson aikana.

Huomautus

[1] Sirottuminen on eräänlaista valokvanttien eli fotonien heijastumista hyvin pienistä hiukkasista ja tässä tapauksessa ilmakehän molekyyleistä. Valon aallonpituus määrittää sen kuin sirottuminen tapahtuu: sininen valo sirottuu lähes tasaisesti joka suuntaan, vain ultraviolettivalo sirottuu vielä tasaisemmin kaikkiin suuntiin. Tästä syystä kesällä varjossa ruskettuu yhtä hyvin kuin auringossa.

Revontulien äänet

Vihreät revontulet ovat tavallisimpia. Kuva Kari A. Kuure.

K: Synnyttävätkö revontulet ääniä?

V: Revontulia nähneet henkilöt kertovat silloin tällöin kuulleensa ritinää, napsahtelua tai hieman jyrinää muistuttavia ääniä revontulien näkymisen aikaan. Ääniä kerrotaan kuuluneen etenkin Lapissa, kovilla pakkasilla ja muutoin hiljaisilla paikoilla. Myös eteläisessä Suomessa on kerrottu ääniä kuullun vaikkakin harvemmin.

Revontulien äänistä on raportoitu sen verran usein, että kysymystä ei ole voitu ohittaa olankohautuksella. Asiaa on tutkittu useammassakin yliopistossa, viimeksi Aalto-yliopistossa, jonka tulokset julkaistiin heinäkuussa 2012. Aaltoyliopiston tutkimuksessa onnistuttiin jopa tallentamaan ritinää ja kohinaa sekä mikrofoniverkon ajoitusmenetelmillä pystyttiin määrittämään paikka missä paukahdukset ja ritinä oli syntynyt. Tutkimuksen mukaan revontulien äänet syntyivät lähellä maanpintaa, korkeintaan 70 m korkeudella.

Tutkimustulos on yhteneväinen sen käsityksen mukaan, että revontulet esiintyvät niin korkealla ilmakehässä (120 – 1 000 km), että äänen kulkeutuminen maanpinnalle on mahdotonta. Toisaalta revontulien syntymekanismi on sellainen, että siinä ei pitäisi edes esiintyä minkäänlaista äänen muodostumista. Revontulien syntytapa kun on sama kuin ulkomainoksissa käytetyissä neonvaloputkissa ja sisävalaisimien loisteputkissa tai pienoisloisteputkissa (energiansäätölampuissa). Kaikissa tapauksessa sähkövirta kulkee harvennetussa kaasussa ja valonmuodostusprosessi on täysin äänetön.

Aaltoyliopiston tutkimus ei kuitenkaan paljastanut äänen syntymekanismia. Aikaisemmin on arveltu, että etenkin ritinät syntyvät koronapurkauksissa esimerkiksi havupuiden neulasten kärjistä tai lumikiteiden terävistä sakaroista. Koronapurkaus edellyttää voimakasta sähkökentän olemassa oloa ^[1] ja sellaisen syntyminen on selitetty revontulien synnyttäneen sähkövirran (elektronien liikettä) aiheuttamalla indusoitumisella. Toistaiseksi parempaa äänen syntymekanismin selitystä ei ole esitetty, joten oletetaan selityksen pitävän paikkansa. 

Päivitys 12.7.2016

Aalto-yliopistossa tehty tutkimus on julkaistu ja loppupäätelmänä on se, että äänet syntyvät noin 70 metrin korkeudessa joissakin sääolosuhteissa esiintyvässä inversiokerroksessa. Lue tarkemmin artikkeli http://avaruusmagasiini.blogspot.fi/2016/06/uusi-havainto-selittaa-revontulien-aanet.html

Oletko itse kuullut revontulien ääniä? Voit verrata kuulemaasi ääntä menemällä tyynenä ja hieman kostella säällä hiljaisen paikkaan voimalinjan alle kuuntelemaan. Voimalinja voi olla 20 kV tai suurjännite (220 kV tai 440 kV) linja. Tällöin voit kuulla koronapurkauksen aiheuttamaa ritinää.

Huomautus

[1] terävä kärki toimii purkauskanavan synnyttäjänä sen vuoksi, että elektronitiheys kärjessä kohoaa suureksi ja sähkökenttä voimistuu paikallisesti ilman läpilyöntilujuutta korkeammaksi. Kuvan ilman läpilyöntilujuus on noin 3 kV/mm ja ilman kosteus alentaa sitä. Tavallisessa ulkoilmassa koronapurkauksia voi esiintyä jo 5 kV/cm sähkökentässä, jos kentässä on sopiva sähköä johtava piikki tai kärki. 

Tähdet

Orionin tähdistössä sijaitseva Betelgeuse (a Ori), sijaitsee noin
430  valovuoden etäisyydellä. Kuva Kari A. Kuure.

K: Kuinka kaukana tähdet ovat?

V: Tähtien etäisyys vaihtelee hyvin paljon. Aurinkoamme lähinnä oleva tähti, Proxima Centauri, sijaitsee noin 4,23 valovuoden^[1] etäisyydellä ja muuta tähdet ovat sitä kauempana. Yksi valovuosi on (pyörein luvuin) noin 10 000 000 000 000 km, joten Proxima on noin 42 300 000 000 000 km etäisyydellä.

Linnunradan kierteishaarojen halkaisija on noin 100 000 valovuotta, joten galaksiimme kuuluvia tähtiä on ainakin 78 000 valovuoden etäisyydellä. Todellisuudessa yksittäisiä tähtiä ja tähtiryhmiä on vieläkin kauempana, sillä Linnunradan gravitaatio pitää otteessaan paljon kauempana olevia tähtiä.

Tähtitaivaalla näkemämme tähdet ovat yleensä paljon lähempänä. Useimmat paljain silmin näkyvistä tähdistä on muutaman kymmenen tai muutaman sadan valovuoden etäisyydellä, riippuen tähden kirkkaudesta. Tähden paljain silmin nähty kirkkaus ei ole merkkinä siitä, että tähti olisi lähellä ja himmeä tähti kaukana. Tämä johtuu siitä, että tähtien kirkkaus vaihtelee kertoimilla ~ 0,1–100 000 riippuen tähden massasta.  

Kaukaisimmat paljain silmin näkyvät tähdet ovat hieman alle 3 000 valovuoden etäisyydellä. Tähtitaivaan kirkkain tähti Sirius (a CMa, kirkkaus –1,5^m) on noin 8,8 valovuoden etäisyydellä. 

Wikipediasta löytyy useita tähtiluetteloita, joista voi etsiä kiinnostavia kohteita:

Lähitähdet

http://fi.wikipedia.org/wiki/Luettelo_l%C3%A4himmist%C3%A4_t%C3%A4hdist%C3%A4

Paljain silmin näkyvät kirkkaimmat tähdet^[2]

http://fi.wikipedia.org/wiki/Luettelo_n%C3%A4enn%C3%A4isesti_kirkkaimmista_t%C3%A4hdist%C3%A4

Absoluuttisesti kirkkaimmat tähdet

http://fi.wikipedia.org/wiki/Luettelo_absoluuttisesti_kirkkaimmista_l%C3%A4hit%C3%A4hdist%C3%A4

Auringonkaltaiset tähdet

http://fi.wikipedia.org/wiki/Luettelo_auringonkaltaisista_t%C3%A4hdist%C3%A4

Huomautukset

[1] Valovuosi on etäisyys, jonka kulkemiseen valolta kuluu aikaa 1 vuosi. Valovuoden pituus on 9 461 000 000 000 km, jonka on 0,3066 pc (parsekia). Tähtitieteilijät käyttävät etäisyysmittana parsekia, joka on 3,26 valovuotta.

[2] Luettelon antamiin etäisyystietoihin tulee suhtautua hieman varauksella, sillä joidenkin tähtien etäisyystiedot voivat olla virheellisiä, johtuen etäisyysmääritysten suuresta epävarmuudesta. Tällainen tähti on esimerkiksi Deneb (a Cyg), jolle luettelo antaa etäisyydeksi noin 3000 valovuotta, mutta jonka todellinen etäisyys voi olla jopa vain puolet tästä.

Kirkas tähti

K: Mikä kirkas tähti näkyy taivaalla?

Kuu ja Venus on näyttävä yhdistelmä. Venuksen kirkkaus
on hyvin suuri ja se voi olla hämärässä illassa jopa
häikäisevän kirkas. Kuva Kari A. Kuure.

V: Tämä on hyvin usein esitetty kysymys. Kohteita, jotka näkyvät hyvin kirkkaina on useampia. Tavallisimmin kyseessä on Venus tai Jupiter planeetat, hieman harvemmin Saturnus. Tähdistä Sirius, mutta joskus myös Arcturus (Karhunvartijassa) ja Capella (Ajomiehessä) on kiinnittänyt ihmisten huomiota.

Venus on aina erityisen kirkas, mutta sen näkyminen (kuten kaikkien planeettojen) vaihtelee huomattavasti. Tavallisimmin kyselyjä Venus aiheuttaa itäisen elongaation (kulmaetäisyys Auringosta) ollessa kohtuullisen suuri. Tällöin Venus laskee horisonttiin useita tunteja auringonlaskun jälkeen ja loistaa kirkkaana läntisellä taivaalla lähellä horisonttia. Matala korkeuskulma mahdollistaa sen, että ihmiset myös näkevät planeetan ja etenkin pitkän pilvisyysjakson jälkeen Venuksen näkyminen voi olla ”yllätävää”.

Venuksen näkymiseen liittyy useita virhetulkintoja. Yleisin niistä on olettama kohteen lähietäisyydestä. Tähtitaivaalta tuntemattoman kohteen etäisyysarviota on kuitenkin mahdotonta tehdä ja niinpä usein sen kuvitellaan olevan ilmakehässä leijuva valoilmiö. Sama pätee mihin tahansa kirkkaaseen kohteeseen tähtitaivaalla. Tästä etäisyysolettamasta voi seurata myös olettama kohteen koosta, joka luonnollisesti on väärä.

Kirkkaassa kohteessa nähdään hyvin usein siipiä muistuttavia ulokkeita. Nämä johtuvat silmien hajataitoisuudesta, joita pyritään korjaamaan silmälasien sylinterikorjauksella voimakkaimman hajataitoisuussuunnan mukaan. Näin ollen henkilön silmien hajataitoisuuden korjaus on määrältään ja suunnaltaan toisistaan poikkeava. Tämä antaa mahdollisuuden tarkistaa kirkkaan kohteen ulokkeiden olemassa olo. Sulkemalla vuoronperään toinen silmä, ulokkeiden suunta ja pituus pitäisi muuttua. 

Joskus pimenevällä taivaalla näkyvä kirkas kohde näyttää liikehtivän satunnaisiin suuntiin hyvin nopeasti ja hyppäyksittäin. Kyseinen ilmiö ei kuitenkaan johdu Venuksen tai Jupiterin epäsäännöllisestä liikehdinnästä taivaalla, vaan katsoja silmän autonomisesta liikkumisesta. Silmän liikkumiseen ei voi tahdonalaisesti vaikuttaa, joten jatkuvan kohteen tuijottamisen sijaan olisikin parempi tarkistaa kohteen suunta ja korkeus lyhyin väliajoin esimerkiksi lähellä olevien rakennusten suhteen. Tällöin käy selville se, että kohde näyttää vaeltavan kohti läntistä horisonttia tähtitaivaan nopeudella.

Kysymyksiä auringon- ja kuunpimennyksistä

K: Miksi Aurinko tai Kuu pimenee?

Täydellinen auringonpimennys on sykähdyttävä näky. Kuva
on otettu 29.3.2006 Turkin Sidessä. Kuva Kari A. Kuure.

V: Auringon tai kuunpimennyksissä on oikeastaan kysymys peittymisestä, josta käytetään myös nimitystä okultaatio. Auringonpimennyksessä Maasta katsottuna Kuu peittää Auringon, eli Aurinko joutuu Kuun taakse. Kuunpimennyksessä Kuusta katsottuna maapallo tulee Kuun ja Auringon väliin, jolloin maapallon aiheuttama varjo osuu Kuuhun.

Historiallisesta perinteestä johtuen käytämme usein nimitystä ”pimentyminen” peittymisen sijaan. Vastaavanlaisia historiallisia painolasteja ovat nimitykset ”tähden lento” tai ”pyrstötähti” joilla tarkoitamme meteoria ja aurinkokuntamme pienkappaleisiin kuuluvia komeettoja.

Pimennykset tai oikeammin peittymiset ovat mahdollisia kun Maa, Kuu ja Aurinko ovat samalla suoralla. Näin tapahtuu uudenkuun ja täydenkuun aikaan: auringonpimennys on mahdollinen vain uusikuun aikaan ja kuunpimennys täysikuun aikaan.

K: Kuinka usein auringon- ja kuunpimennyksiä tapahtuu?

Auringon ja kuunpimennykset voivat tapahtua kun Aurinko,
Maa  ja Kuu ovat samalla suoralla. Piirros Kari A. Kuure.

V: Aika uusikuusta uusikuuhun (=synodinen kuukausi) on 29,5306 vuorokautta pitkä. Tästä syystä vuodessa on 12 tai 13 uusikuuta tai täysikuuta. Tämän perusteella voisi siis olettaa, että vuodessa esiintyisi vastaava määrä pimennyksiä. Selvästikään näin ei ole ja syykin on selvä; jotta pimennys voisi tapahtua, Kuun täytyy olla Maan kiertoradan tasossa tai ainakin hyvin lähellä sitä^[1]. Tästä syystä pimentymisiä esiintyy korkeintaan seitsemän kertaa vuodessa, useimmin kuitenkin neljä tai viisi kertaa. Auringonpimennyksiä voi esiintyä enintään kolme, tavallisesti kaksi, ja kuunpimennyksiä neljä mutta tavallisesti kaksi tai kolme.

Kuun ratataso on noin 5° kulmassa Maan ratatasoon nähden.
Piirros Kari A. Kuure.

Huomautukset

[1] Kuun ratataso on 5,15° kallellaan Maan kiertoradan tasoon nähden. Ratatasojen leikkauspisteitä kutsutaan solmuiksi: nouseva solmu on kun Kuun liike on etelästä pohjoiseen, ja laskeva solmu kun Kuu liikkuu pohjoisesta etelään. Pohjoinen ja etelä viittaavat suuntiin avaruudessa, jotka vastaavat maapallon pallonpuoliskojen suuntia.

K: Onko totta, että pimennykset toistuvat sarjoittain?

V: Auringon ja kuunpimennykset toistuvat niin maantieteellisesti kuin pimennystyypiltään jaksoissa, joita kutsutaan Saros-jaksoksi. Samaan sarjaan kuuluvien pimennysten ajallinen etäisyys toisistaan on 18 vuotta 11,3 vrk (223 synodista kuukautta = Saros-jakso). Yhden Saros-jakson välein toistuvat pimennykset muodostavat Saros-sarjan, joiden pituudet vaihtelevat 1200–1600 vuoden välillä. Samanaikaisesti on menossa useita kymmeniä Saros-sarjoja.

Samaan Saro-sarjaan kuuluvat perättäiset kuunpimennykset
siirtyvä hieman jokaisella pimennyskerralla
pohjois-eteläsuunnassa.

Samaan Saros-sarjaan kuuluvat auringonpimennykset alkavat jommallakummalla napa-alueella esiintyvällä osittaisella pimennyksellä. Kuunpimennykset näkyvät auringonpimennyksiä laajemmalla alueella ja mutta pimennysten ominaisuudet toistuvat Saros-sarjaa noudattaen.

Auringonpimennysten seuratessa toisiaan samassa sarjassa, pimennysten maantieteellinen leveys siirtyy kohti Maan ekvaattoria ja sen ylittämisen jälkeen kohti toista napa-aluetta, jossa pimennykset esiintyvät jälleen osittaisena.

Maantieteellisessä pituudessa tapahtuu sarjaan kuuluvien pimennysten välillä noin 120° muutos länteen. Tämä johtuu Saros-jakson pituudesta, joka on 0,3 vuorokautta täyttä vuorokautta pidempi. Maapallo ehtii pyörähtämään itsensä ympäri noin 120° 0,3 vuorokauden eli 8 tunnin aikana.

Maapallon pyörimisen hidastumisesta johtuen pimennysten paikka kolmen Saros-jakson jälkeen ei ole täysin edellistä vastaavalle pituuspiirillä, vaan on hieman siirtynyt kohti itää. Tämä siirtymä paljasti maapallon pyörimisen hidastumisen Edmund Halley:lle (1656–1742) hänen verratessaan historiallisia tietoja havaituista auringonpimennyksistä laskemalla saatuihin.

K: Missä ja milloin täydellinen auringonpimennys näkyy?

Maaliskuun 20. 2015 näkyvän auringonpimennyksen
täydellisen näkymisen vyöhyke kulkeen Pohjois-
Atlantilla.
Kuva NASA Goddard Space Flight Center.

V: Täydellinen auringonpimennys näkyy alueilla joissa Kuun täysvarjo kohtaa maanpinnan. Tavallisesti täysvarjon reitti on enemmän tai vähemmän S- tai C-kirjaimen muotoinen ja etenemissuunta yleensä lännestä itään. Poikkeuksena ovat aivan napa-alueilla näkyvät pimennykset, joissa Kuun varjo projisoituu maantieteellisen navan ylitse maanpinnalle. Näin voi tapahtua seisauspäivien aikoihin pohjoisen tai eteläisen pallonpuoliskon keskikesällä. Tällöin varjon etenemissuunta on idästä länteen.

Täydellisen auringonpimennyksen ajalliseen pituuteen vaikuttaa Kuun etäisyys maapallosta: mitä lähempänä Kuun on, sitä pidempi pimennys. Myös havaintopaikan maantieteellinen sijainti vaikuttaa pimennyksen kestoon jonkin verran.

Pisimmillään täydellinen auringonpimennys kestää hieman alle 7,5 minuuttia. Rengasmaisen auringonpimennyksen kesto on pidempi, jopa yli 11 minuuttia. Nämä ovat siis pisimpiä mahdollisia kestoja ja siten harvoin toteutuvia. Tavallisesti pimennyksen kesto on joitakin minuutteja.

K: Ovatko kaikki auringonpimennykset samanlaisia?

V: Kuun etäisyys vaikuttaa keskeisen auringonpimennyksen (täydellisen vaiheen) tyyppiin. Pimennys voi olla täydellisen lisäksi rengasmainen, jolloin Kuu on niin etäällä maapallosta, että se ei peitä kokonaan Aurinkoa, vaan reunoilta jää näkyviin rengasmainen osa. Joskus pimennys on yhdistelmä näistä kahdesta päätyypistä. Silloin pimennystä kutsutaan hybridiksi ja niitä esiintyy nykyisin noin kerran kymmenessä vuodessa.

Täydellisen auringonpimennyksen aikana Kuun varjo koskettaa
maanpintaa ja varjo on sitä leveämpi mitä lähempänä
Kuu on Maata. Piirros Kari A. Kuure.

Täydellinen auringonpimennys näkyy osittaisena ennen ja jälkeen täydellisen vaiheen mutta myös muualla kuin Kuun täysvarjon reitin alueella. Osittainen pimennys on sitä vähäisempää mitä etäämmältä havaitaan. Osittaisia pimennyksiä esiintyy myös napa-alueilla, jolloin Kuun täysvarjo ohittaa maapallon napojen yläpuolelta^[2].

Huomautus

[2] Maaliskuun 20. päivänä nähtävä pimennys on Saros-sarjan 120 61. pimennys ja pimennyksiä tässä sarjassa on kaikkiaan 71. Pimennyksen kesto on 2 m 47 s Islannin kaakkoispuolella Färsaarista pohjoiseen.

Rengasmaisen auringonpimennyksen aikana Kuun varjo
ei ulotu maanpinnalle asti, koska Kuu on ratansa etäisimmässä
osassa. Piirros Kari A. Kuure.

K: Missä ja milloin  kuunpimennys näkyy?

V: Kuunpimennykset näkyvät niillä maapallon alueilla, joissa Kuu on horisontin yläpuolella pimennyksen tapahtuessa. Pimennysten edellytyksenä oleva solmupisteen läheisyysvaatimus ei ole aivan yhtä tiukka kuin auringonpimennyksellä, sillä maapallon varjon halkaisija suhteessa Kuun kokoon on paljon suurempi kuin Kuun täysvarjon halkaisija^[3] maanpinnalla. Tästä syystä kuunpimennyksiä osittaiset pimennykset mukaan lukien tapahtuu useammin kuin auringonpimennyksiä.

Kuunpimennys alkaa puolivarjopimennyksellä. Tällöin Kuuta valaisee vain osittain peittynyt Aurinkoa ja Kuun kokonaiskirkkaus on vain vähän vähentynyt. Usein Kuun on pimennyksen aikana niin etäällä solmupisteestään, että varsinaista täysvarjopimennystä ei tapahdu.

Täysvarjopimennyksessä Kuu siirtyy maapallon täysvarjoon, jolloin valaistus tulee kokonaan maapallon ilmakehän lävitse. Kuun väri on punaisen ja kupariruskean eri sävyjä siten, että täysvarjon keskustan lähellä oleva Kuun osan kirkkaus on vähäisin. Toisin sanoen kuunpimennyksen värinmuutos johtuu aivan samasta syystä kuin mitä tapahtuu auringonlaskun yhteydessä maanpinnalla.

Kuun puolivarjopimennyksen kirkkauden väheneminen on
vähäistä. Kuva Kari A. Kuure.

Kuunpimennys päättyy päinvastaisessa järjestyksessä Kuun siirtyessä ensin puolivarjoon ja sen jälkeen kokonaan pois täyteen valaistukseen. Ajallisesti kuunpimennys on pisin silloin, kun Kuu kulkee keskeisesti täysvarjon läpi. Pimennyksen kesto on maksimissaan osittaisen vaiheen alusta osittaiseen vaiheen loppuun hieman alle 4 tuntia ja täydellisen vaiheen 1 h 46 min.

Samaan Saros-sarjaan^[4] kuuluvat kuunpimennykset alkavat joukolla osittaisia puolivarjopimennyksiä, niitä seuraa joukko puolivarjopimennyksiä. Tämän jälkeen vuorossa on joukko osittaisia pimennyksiä, jossa Kuun käy osittain täysvarjossa. Lopulta vuorossa olevat pimennykset tapahtuvat kokonaan täysvarjossa. Tästä eteenpäin toisiaan seuraavat sarjan pimennykset tapahtuvat käänteisesti mutta nyt vastakkaisella puolella maapallon täysvarjoa.

Huomatukset

 [3] Täysvarjo leveys maanpinnalla riippuu Kuun etäisyydestä. Rengasmaisen auringonpimennyksen aikana täysvarjo ei ulotu maanpinnalle ja Kuun ollessa lähimmillään pimennyksen aikana, varjon leveys voi olla yli 400 km leveä. Rengasmaisessa pimennyksessä korkeilla leveyksillä pimennys voi näkyä rengasmaisena jopa yli 600 km leveällä vyöhykkeellä.

[4] Huhtikuun 4. päivänä esiintyvä pimennys on Saros-sarjan 132  30. pimennys. Jaksossa on kaikkiaan 71 kuunpimennystä ja sarjan pituus on 1262 vuotta.