Maa-Aurinko -yhteys

Talvipäivänseisauksen taikaa

Ke, 12/21/2016 - 09:42 Jarmo Korteniemi
Kuva: Ville Oksanen

Vuodenaikojen kierto johtuu Maan akselin kaltevuudesta, ei etäisyydestä Aurinkoon. Olemme itse asiassa keskitalvella lähempänä Aurinkoa kuin kesällä.

Talvipäivänseisaus on tunnetusti vuoden lyhin päivä. Aurinko on nyt Kauriin kääntöpiirin yläpuolella, eli niin etelässä kuin mahdollista. Se porottaa suoraan yläpuolelta vuorokauden kuluessa Australiassa, Etelä-Afrikassa ja Chilessä.

Talvipäivänseisaus sattuu joka vuosittain 21.-22.12. välisenä aikana:

Vuosi Talvipäivänseisaus
2020 21.12. klo 12.02
2019 22.12. klo 06.19
2018 22.12. klo 00.23
2017 21.12. klo 18.28
2016 21.12. klo 12.44
2015 22.12. klo 06.48
2014 22.12. klo 01.03
2013 21.12. klo 19.11

Meillä Pohjolan perukoilla taas saadaan mahdollisimman vähän elintärkeää valoa. Ja sekin vähä saapuu pinnalle hyvin loivassa kulmassa, joten lämmitys- ja valaistusvaikutus on minimissään. On kaamoksen aika.

Maapallon valaistusolosuhteet talvipäivänseisauksen aikaan

Yllä Maan valaistusolosuhteet talvipäivänseisauksen aikaan. Puolen vuoden kuluttua Maa on siirtynyt Auringon toiselle puolelle (tässä kuvassa valo tulisi oikealta).

Maapallo pyörii akselinsa ympäri vuodesta toiseen erittäin vakaan hyrrän lailla. Vaikka planeetta kiertää samalla myös radallaan Auringon ympäri, "hyrrän tikun" suunta ei muutu. Sen Suomea lähinnä oleva pää (eli pohjoisnapa) osoittaa aina Pohjantähteen. Koska talvipäivänseisauksen aikaan Pohjantähti on hieman poispäin Auringosta, me täällä hyrrän yläosissa saamme vain vähän valoa. Vastapainoksi Australiassa on paraikaa menossa varsin lämmin kesä.

Planeetta kuitenkin jatkaa lähes lähes pyöreällä radallaan eteenpäin. Hyrrän akseli alkaa näennäisesti hivuttautua takaisin kohti Aurinkoa. Päivät pitenevät pohjolassa ja lyhenevät päiväntasaajan tuolla puolen. Neljännesvuoden kuluttua akseli osoittaa radan suuntaisesti, ja päivä ja yö ovat joka puolella planeettaa täsmälleen yhtä pitkät. Kolmen lisäkuukauden päästä on juhannus, ja pohjoisnapa osoittaa mahdollisimman lähelle Aurinkoa. Australialaisille on tullut talvi.

Nyt ollaan lähellä Aurinkoa

Maan akselin suunta ei itse asiassa ole täysin vakio. Tällä hetkellä pienenee 0,013 astetta sadassa vuodessa, kiitos muiden planeettojen rataa epätasapainoittavan vaikutuksen. Vuosituhansien aikana akselin kaltevuus vaihtelee edestakaisin 22 ja 24,5 asteen välillä. Hyrrän tikun suuntakin muuttuu hitaasti: Vajaan tuhannen vuoden kuluttua se osoittaa jo lähemmäs Kefeuksen tähtikuvion Alraita kuin Pohjantähteä.

Myös etäisyytemme Aurinkoon vaihtelee. Sillä ei kuitenkaan ole juuri vaikutusta vuodenaikoihin tai lämpötiloihin.

Keskitalvisin Maa on itse asiassa viitisen miljoonaa kilometriä lähempänä Aurinkoa kuin kesäisin. Tarkka aika lähimpään pisteeseen eli periheliin vaihtelee hieman, mutta sattuu aina tammikuun kolmannen päivän tienoille.

Aurinko siis lämmittää planeettaa enemmän talvemme aikaan kuin kesäisin. Akselin kaltevuus ja sitä kautta Auringon valon suunta vaikuttaa kuitenkin huomattavasti enemmän paikallisiin olosuhteisiin. Talvi täällä on, vaikka planeetta saakin enemmän energiaa.

Valomäärän eroja vuodenaikojen välillä voi ihastella vaikkapa allakin olevalta nopeutetulta videolta.

Juttu on alunperin julkaistu vuonna 2013, mutta se on ajankohtainen joka vuosi. Seisauksen päivämäärät on lisätty kullekin vuodelle erikseen.

Clusterit kylki kyljessä

Cluster on englanninkielisen nimensä mukaisesti neljän pienen satelliitin parvi, jonka Euroopan avaruusjärjestö laukaisi vuonna 2000 tutkimaan Maan magnetosfääriä. 

Ne ovat siis mitanneet ja tunnustelleet liki 15 vuoden ajan Maata avaruudessa Auringon hiukkassäteilyltä suojaavaa magneettista kuplaa ja keränneet samalla paljon kiinnostavaa tietoa niin lähiavarudestamme kuin myös siitä, miten Aurinko vaikuttaa elämäämme täällä maapallolla.

Alun perin Clusterien toivottiin toimivan vain kahden vuoden ajan, mutta koska nelikko on toiminut erinomaisesti, on niiden lentoa pidennetty koko ajan. Ensin vuoteen 2005, sitten vuoteen 2009, sitten vuoteen 2012 ja nyt rahoitus on turvattu vuoden 2016 loppuun saakka. Vaikka satelliitit toimisivat hyvin, koituu kustannuksia lennonjohdosta, yhteydenpidosta sekä tieteellisten mittaustietojen keräämisestä, jakamisesta ja arkistoinnista. Mutta nämä kustannukset ovat varsin pieniä verrattuna siihen, kuinka kiinnostavia tietoja satelliiteilla saadaan.

Nyt, kun Clusterien toiminta ja käyttäytyminen tunnetaan hyvin, ja ne ovat toimineet jo hyvin pitkään, uskalletaan niillä tehdä myös temppuja, joihin ei aiemmin ole rohjettu.

Normaalisti neljä identtistä satelliittia ovat olleet hyvin soikeilla kiertoradoillaan Maan ympärillä toisistaan 600 - 20 000 kilometrin etäisyydellä toisistaan, mutta nyt tammikuussa satelliitit numero 3 ja 4 (nimiltään Samba ja Tango) ohjattiin vain kuuden kilometrin päähän toisistaan. Avaruuden mittakaavassa tämä on hyvin lähekkäin.

Tempun tarkoituksena on mitata paremmin Maan edessä olevan shokkirintaman aivan ulointa osaa, missä Auringosta virtaavien hiukkasten vuo, aurinkotuuli, alkaa hidastua ja kääntyä kohti maapalloa.

“Tieteellinen päämäärämme on saada satelliitit vain muutaman kilometrin päähän toisistaan, jotta voimme tehdä mittauksia hyvin pienessä mittakaavassa”, kertoo Detlef Sieg, Euroopan avaruusjärjestön avaruusoperaatiokeskuksessa ESOC:issa, Darmstadtissa, työskentelevä lentodynamiikka-asiantuntija.

Kun esimerkiksi toinen satelliiteista on jo rintaman ulkopuolella vapaassa aurinkotuulessa ja toinen on edelleen rintaman alueella, voidaan rintaman uloimman osan sijainti määrittää hyvin tarkasti. Tiedämme jo, että sijainti muuttuu koko ajan Auringon aktiivisuuden mukaan, mutta mittauksilla saadaan tietoa rintaman rakenteesta sekä toivottavasti myös siitä, miten rintama elää.

Satelliittien saaminen lähituntumaan vaati tarkkaa etukäteissuunnittelua ja laskemista, sekä rakettimoottorien polttoja siten, että kaksi satelliittia saatiin käytännössä samalle kiertoradalle vain hieman peräkkäin. Näin ne eivät törmää toisiinsa, vaikka ovatkin lähekkäin.

Koska satelliitit eivät ole yhteydessä toisiinsa ja koska niiden sijaintia avaruudessa ei tiedetä kuin parin sadan metrin tarkkuudella, niiden ratamuutokset täytyy tehdä huolella.

“Jokaisella kierroksellaan Maan ympärillä ne ovat kaksi kertaa vain noin kolmen sekunnin lentoajan päässä toisistaan. Juuri tuolloin ne ovat rinnakkain ja toinen satelliitti ohittaa toisen.”

Samba ja Tango saatiin ohjattua onnistuneesti turvallisen lähelle toisiaan 7. tammikuuta ja ne pysyvät näillä paikoillaan ainakin maaliskuun puoliväliin saakka. Kaksi muuta saatelliittia (Rumba ja Salsa) ovat noin 5000 kilometrin päässä ja tekevät siellä omia mittauksiaan.

“Joka kerta kun muutamme muodostelmaamme, pitää sitä suunnitella hyvin”, selittää Clusterin operaatiojohtaja Bruno Sousa.

“Se teettää työtä ja vaatii koordinaatiota niin täällä Darmstadtissa kuin myös tutkimuslaitteiden ohjauskeskuksessa Iso-Britanniassa sekä jokaisen tutkimuslaitteen tutkijaryhmässä.”

“Me myös koitamme koko ajan säästää satelliiteissa olevaa polttoainetta. Samalla varmistamme sen, että törmäyksen riski on mahdollisimman pieni, mutta tämä tulee olennaiseksi asiaksi vasta kun satelliittien välinen etäisyys on vain 1-2 kilometriä.”

Se, että kaksi satelliittia on hyvin lähellä toisiaan, tuo mukanaan myös muutoksia yhteydenpidossa. 

Satelliitit ovat nyt niin lähellä toisiaan, että ne osuvat maa-aseman antennin näkökenttään samanaikaisesti. Siksi satelliittien täytyy käyttää eri aallonpituutta radioliikenteessään. Käytännössä kuitenkin vain yhteen satelliittiin ollaan yhteydessä kerrallaan.