torstai 18. helmikuuta 2016

AURINKO

Talven pimeyden taittuessa moni alkaa jo haaveilla kesästä ja lämpimästä. Vähitellen orastavan valoisan jakson käynnistyessä onkin mitä parhain aika katsoa meitä lämmittävää Aurinkoa hieman tarkemmin. Vaikka Aurinko on meille kaikille tuttu ja turvallinen, pitää se sisällään melko voimakkaita tapahtumia. Aurinkoa on aina pidetty ikuisena ja muuttumattomana. Harvemmin tulee ajateltua mistä se on tullut ja mihin se on menossa. Aurinko on aina ollut ihmiskunnan tärkein taivaallinen elementti ja muinaisten kansojen jumaluuksien keskiössä. Tieteellisen tutkimuksen kehittyessä Aurinko ei kuitenkaan ole menettänyt merkitystään taivaankappaleiden joukossa, vaan olemme huomanneet, että Auringon tulevaisuus ja kohtalo on myös meidän oma tulevaisuutemme.

Aurinko laskee jälleen kerran horisonttiin päivän päättyessä. Savojärvi, Pöytyä, 6.8.2014.

Mutta aloitetaanpa alusta, ainakin Auringon näkökulmasta katsottuna. Noin viisi miljardia vuotta sitten jossain päin Linnunrataa alkoi tähtienvälinen kaasu- ja pölypilvi tiivistyä mahdollisesti läheisen supernovaräjähdyksen vaikutuksesta. Tiivistyessään kaasu alkoi hiljalleen pyöriä pienempien massakeskipisteiden ympärillä. Yksi näistä tiivistymisytimistä toimi alkuna Auringon ja aurinkokunnan kehittymiselle. Samalla kun ytimet tiivistyivät, alkoi niiden lämpötila kohota. Kaiken seurauksena oli ketjureaktio, jossa yhä enemmän ainetta syöksyi painovoiman vaikutuksesta suurempaa massaa kohti samalla yhä kuumentuen. Lopulta paine ja lämpötila kohosivat niin suuriksi, että ydinreaktiot käynnistyivät ja uusi tähti, meidän Aurinkomme, oli syntynyt. Auringon reaktioiden käynnistymisen jälkeen sen tasapainoa ylläpitää sisäinen säteilypaine, joka estää painovoimaa romahduttamasta sitä enemmän kasaan.

Tyypillinen Linnunradan sumu, jonka kaltaisesta kaasusta oma Aurinkommekin on syntynyt. Kuva: Mikko Heino.

Aurinko toimii siis jättimäisenä fuusioreaktorina, jossa vetyatomien ytimet yhdistyvät heliumytimiksi vapauttaen samalla suuria määriä energiaa. Fuusion tapahtumapaikkana on Auringon ydin, jossa lämpötila on lähes 15 miljoonaa astetta. Auringon fuusioreaktioissa muuttuu jokainen sekunti noin 600 miljoonaa tonnia vetyä heliumiksi. Yhdistymisessä noin 4 miljoonaa tonnia materiaa muuttuu energiaksi (fotoneiksi). Huolimatta näin valtavista ainemääristä, riittää meidän tähdellämme polttoainetta ydinreaktioihin yhteensä noin 10 miljardiksi vuodeksi. Aurinkomme on tällä hetkellä elinkaarensa puolivälissä eli vetyä riittää vielä noin 5 miljardiksi vuodeksi. Fuusiossa vapautunut energia ei kuitenkaan suin päin sinkoudu kohti Auringon pintaa, vaan se jää poukkoilemaan ydintä ympäröivään säteilyvyöhykkeeseen. Siellä fotonit matkaavat jopa kymmeniä miljoonia vuosia ennen kuin ne saavuttavat Auringon seuraavan kerroksen, konvektiovyöhykkeen. Konvektiovyöhykkeessä energia siirtyy kohti pintaa lämpötilaerojen ylläpitämien virtausten mukana. Lähellä säteilyvyöhykkeen reunaa kaasu kuumenee ja alkaa nousta kohti pintaa kunnes se pinnan lähellä jälleen jäähtyy ja alkaa laskeutua alaspäin kohti säteilyvyöhykettä. Lähellä pintaa fotonit vihdoin pääsevät karkuun ja syöksyvät kohti avaruutta ja luonnollisesti myös meitä. Auringon näkyvä pintakerros on hyvin ohut, noin 500 kilometriä paksu kerros. Pintakerros ei ole tarkka kuten Maan pinta, vaan se koostuu kaasusta, jonka tiheys pienenee ulospäin mentäessä. Pinnan lämpötila on ”vain” 5 800 astetta ja siinä voi erottaa jonkin verran erilaisia rakenteita. Pintakerroksen ulkopuolella on vielä kaasukehä, joka jakaantuu sisempään kromosfääriin ja kauas Auringon ulkopuolelle ulottuvaan koronaan. Koronan voi nähdä lähinnä täydellisen auringonpimennyksen yhteydessä.

Auringon pinta ei yleensä ole aivan tasainen, vaan siinä näkyy usein jopa maapalloa suurempia auringonpilkkuja. Kuva: Jere Saarinen.

Vaikka Aurinko on ulkonäöltään yhtenäisen näköinen kirkas valopallo, voi siitä oikeilla välineillä havaita kohtalaisen paljon myös yksityiskohtia. Kaikkein tunnetuimpia näkyviä ilmiöitä ovat auringonpilkut. Ne ovat tummana näkyviä pisteitä Auringon kirkasta pintaa vasten. Pilkut näyttävät tummilta, sillä ne ovat muuta ympäristöä viileämpiä. Keskimäärin pilkkujen lämpötila vaihtelee noin 3 000 ja 4 500 asteen välillä eli niiden lämpötila on noin 2 000 astetta alempi kuin kirkas pinta. Itse pilkuista voi erottaa tumman keskiosan, umbran, ja sitä ympäröivän vaaleamman alueen, penumbran. Auringonpilkut voivat olla kymmenien tuhansien kilometrin kokoisia eli useita kertoja maapalloa suurempia. Ne esiintyvät yleensä pienissä ryhmissä. Pienimmät auringonpilkut voivat ilmestyä ja hävitä vain muutamassa tunnissa, mutta suurimpien pilkkujen elinikä voi olla jopa useita viikkoja. Auringonpilkut syntyvät kohtiin, joissa Auringon pinnan läpäisee voimakas magneettikenttä. Kenttä estää tällöin konvektiovyöhykkeessä tapahtuvan plasman virtauksen, joka normaalisti nostaa lämpöä Auringon sisuksista. Kun uutta lämmintä plasmaa ei saavu pinnalle, säteilee magneettikentän kohdalla oleva kaasu energiansa avaruuteen ja syntyy muuta ympäristö viileämpi kohta. Magneettikentän heikentyessä pääsee plasma jälleen virtaamaan pinnalle ja auringonpilkku katoaa.

Lähempää katsottuna auringonpilkut muodostavat yleensä pieniä ryhmiä, joissa voi olla useampia pilkkuja. Iso-Heikkilä, Turku, 1.8.2014.

Auringonpilkkujen määrä vaihtelee sekä lyhyempien että pidempien jaksojen mukaan. Yksi selvimmistä jaksoista on kestoltaan 11 vuotta ja se aiheutuu Auringon magneettikentän kääntymisestä. Minimin aikaan magneettikenttä on melko säännöllinen ja vakaa kuten Maan magneettikenttä. Plasman virtaukset saavat kuitenkin aikaan muutoksia myös vakaassa kentässä, jolloin häiriöitä alkaa esiintyä enemmän ja enemmän, kunnes pilkkumaksimin aikaan magneettikenttä on kaikkein sekasortoisimmassa tilassa. Maksimin jälkeen magneettikenttä alkaa uudelleen järjestyä, joskin kentän suunta on vastakkainen kuin lähtötilanteessa. 11-vuotisten jaksojen välinen voimakkuus vaihtelee merkittävästi pitkän ajan kuluessa. 1900-luvun loppupuolella maksimit olivat hyvin voimakkaita, mutta nyt ne ovat alkaneet jälleen heiketä. Tunnetuin poikkeama 11-vuotisessa vaihtelussa on ollut aikakausi, joka tunnetaan Maunderin miniminä vuosien 1645 ja 1715 välisenä aikana. Tällöin pilkkuja oli näkyvissä erittäin vähän.

Lähikuva yksittäisestä auringonpilkkuryhmästä. Iso-Heikkilä, Turku, 5.4.2014.

Kaikkein näyttävimpiä Auringon pinnan tapahtumia ovat protuberanssit ja roihupurkaukset, flaret. Protuberanssit ovat Auringon pinnan yläpuolella olevia kaasupilviä, jotka erottuvat parhaiten, kun magneettikentän silmukka kaartaa ne pinnan yläpuolelle. Protuberanssit ovat melko vakaita ja ne voivat kestää jopa kuukausia. Protuberanssit hiipuvat yleensä hiljalleen pois, mutta auringonpilkkujen yhteydessä ne voivat myös purkautua äkillisesti esimerkiksi roihupurkauksen yhteydessä. Roihu- eli flare-purkauksissa magneettikenttään varastoitunutta energiaa vapautuu yhtäkkisesti suuria määriä. Kestoltaan ne ovat yleensä vain joitakin minuutteja. Purkauksessa vapautuu säteilyä lähes kaikilla säteilyn taajuuksilla ultravioletti- ja röntgensäteilystä aina näkyvän valon aallonpituuteen. Purkaukset tapahtuvat Auringon aktiivisilla alueilla eli usein auringonpilkkujen läheisyydessä. Koronan massapurkaukset ovat myös hyvin tavallisia ilmiöitä Auringossa. Massapurkauksissa Aurinko sinkoaa avaruuteen kaasukehästä suuria kaasupilviä koronan läpi. Purkauksia tapahtuu käytännössä päivittäin, pilkkumaksimin aikaan jopa muutamia kertoja vuorokaudessa. Purkaus sisältää ainetta tavallisesti noin 10 miljardia tonnia. Tavallisesti aine ehtii levittäytyä melko laajalle ennen kuin se saapuu Maapallon läheisyyteen. Suuret purkaukset voivat kuitenkin aiheuttaa avaruusmyrskyjä, jolloin esimerkiksi revontulia voi nähdä tavanomaista etelämpänä.

Auringon pinta ei ole tasainen, vaan siinä tapahtuu jatkuvasti erilaisia purkauksia.
Credit : SOHO - EIT Consortium, ESA, NASA

Aurinko on siis täysin tavallinen Linnunradan tähti, joka suorastaan pursuaa keskinkertaisuutta omassa galaksissamme. Vaikka suureen massaan hukkuvia ihmisiä usein pilkataan persoonattomiksi, niin Auringon tapauksessa asia on toisenlainen. Ilman vakaita oloja emme todennäköisesti olisi voineet kehittyä näin pitkälle ensimmäisistä bakteereista. Aurinko toimii koko aurinkokunnalle sen tärkeimpänä energianlähteenä. Sen valon kautta tapahtuu kasvien yhteyttäminen, joka puolestaan tuottaa lähes kaiken ravintoketjun kuluttamasta energiasta. Myös omat energianlähteemme ovat peräisin varastoituneesta aurinkoenergiasta esimerkiksi hiilen tai öljyn muodossa. Ainoat energiamuodot, jotka eivät ole peräisin Auringosta ovat ydinenergia, Maan sisuksista tuleva geoterminen energia ja Maan ja Kuun keskinäisestä vaikutuksesta syntyvä vuorovesienergia. Vaikka Aurinko vaikuttaa vakaalta ja sillä arvioidaan olevan elinaikaa vielä noin viisi miljardia vuotta, tapahtuu siinä hitaita muutoksia jo nyt. Fuusioituva vety vähenee koko ajan Auringossa, joka johtaa hiljalleen muutoksiin energian tuotannossa ja kasvattaa Auringon säteilytehoa. Auringon syttymisen jälkeen on sen säteilyteho kasvanut jo noin 30 %. Seuraavan miljardin vuoden kuluttua säteilytehon arvioidaan kasvavan vielä 10 % lisää, joka johtaa myös Maapallon lämpenemiseen niin, että elämän edellytykset katoavat. Viiden miljardin vuoden kuluttua, kun Aurinko on viimein käyttänyt kaiken vedyn, käynnistyy heliumin fuusio. Samalla Auringon koko kasvaa huomattavasti ja siitä tulee punainen jättiläistähti. Auringon massa pienenee ja planeetat siirtyvät kiertoradallaan ulommaksi. Kiertoradan kasvusta huolimatta Aurinko kasvaa niin suureksi, että Merkurius ja Venus jäävät sen sisään ja höyrystyvät olemattomiin. Maan kohtalo on epävarma, mutta asialla tuskin on tässä vaiheessa enää merkitystä, sillä planeettamme on tuolloin ollut elinkelvoton jo neljä miljardia vuotta. Heliumin ja muiden raskaimpien aineiden fuusioista syntyvä energia on käytetty nopeasti loppuun ja viimein ydinreaktiot lakkaavat. Tällöin Aurinko puhaltaa ulommat kerrokset avaruuteen planetaariseksi sumuksi ja itse Auringon ydin jää jäljelle hohtaen valkoisena kääpiönä kymmenien miljardien vuosien ajan.

Auringon viimeinen henkäys voisi olla esimerkiksi tämän näköinen (Lyyran rengassumu, Messier 57). Kevola, Paimio, lokakuu 2015.

Lopuksi vielä varoituksen sana Auringon havainnoinnista: ÄLÄ KOSKAAN katso Aurinkoa suoraan minkään optisen laitteen läpi ilman asianmukaista suodatinta. Mahdollisesta suodattimesta huolimatta kannattaa silti miettiä vielä kahteen kertaan ennen kuin työntää silmänsä okulaarin lähelle, sillä aina on olemassa mahdollisuus suodattimen hajoamiseen. Aurinkosuodinta tulee käyttää myös valokuvatessa, sillä kameran kenno menee helposti pilalle suorasta auringonvalosta. Kamera on kuitenkin siinä mielessä turvallinen vaihtoehto havaitsemiseen, että se on onneksi korvattavissa, jos vahinko kaikesta huolimatta tapahtuu.

Kuvat, ellei kuvan yhteydessä toisin mainita: © Jani Laasanen

Ei kommentteja:

Lähetä kommentti