Perseidejä havaitsemassa

Tomi Hyvönen – ”⁠Maapallo rullaa radallaan, luonasi kai olla saan” – lauloi eräs tamperelaistunut savolaisrunoilija. Maapallon rata ei kuitenkaan ole puhdas, vaan se sisältää monin paikoin pölyä ja pienkappaleita. Tyypillisesti pöly on radan läheltä kulkeneiden komeettojen jälkeensä jättämää pölyä. Maapallon kulkiessa pölyvyöhykkeen läpi iskeytyvät pienkappaleet ilmakehään ja aiheuttavat meteorisateen.

  

Perseidien meteoriparvesta tallentui yksittäinen meteori kameran kuvasensorille vuoden 2014 maksimin aikaan. Saman yön aikana tallentui muitakin meteoreja, vaikka maksimin ajoittuminen ei aivan ideaalinen ollutkaan yön pimeimmän hetken suhteen. Kuva  ©  Kari A. Kuure.

Kesän taittuessa kohti syksyä elokuun tummenevalla yötaivaalla havaitaan yksi vuoden näyttävimmistä meteoriparvista. Tämä Perseideinä tunnettu parvi johtuu maapallon kulkiessa Swift-Tuttle -komeetan jälkeensä jättämän pölyn läpi. Meteoreja havaitaan heinäkuun puolenvälin ja elokuun loppupuolen välillä saavuttaen maksiminsa 12. – 13.8.

Meteoriparven aktiivisuutta kuvataan luvulla ZHR (Zenithal Hourly Rate), joka tarkoittaa tunnin aikana zeniitissä havaittujen meteorien lukumäärää. Todellisuudessa radiantti ei ole zeniitissä, joten kyseessä on enemmänkin vertailuluku kuin havaittujen meteorien lukumäärä. Perseidien ZHRmax= 100. Havainto-olosuhteet vaikuttavat havaittujen meteorien lukumäärään. Meteoreja havaitaan vähemmän kuin maksimi ZHR-luku.

Perseidien radiantti on Perseuksen tähtikuvion suunnalla, joten katse kannattaa suunnata siihen suuntaan tähtitaivasta, tai mahdollisimman pimeän taivaan alueelle. Tampereen Ursan tähtitornilla tämä on lähes sama asia, sillä pimein taivaan osa on koillisessa.

Radiantti on 13.8. keskiyön jälkeen 50 – 60 asteen korkeudella Tampereen horisontista. Stellariumohjelman antama paikallinen arvo on ZHRlocal = 73 meteoria tunnissa. Hyvin todennäköisesti tähtitaivasta ihaileva havaitsija ei tähän lukuun pääsei, vaan näkee ehkä muutamia kymmeniä meteoreja tunnin aikana. Oletetaan tässä kuitenkin optimistisesti, että maksimin aikaan tarkkasilmäinen havaitsija voisi havaita 60 meteoria tunnissa.

Lasketaan, millä todennäköisyydellä havaitsija havaitsee täsmälleen 40 tai 80 meteoria, ja enintään 40 tai vähintään 80 meteoria tunnin aikana. Meteorit ovat toisistaan riippumattomia tapahtumia ja noudattavat diskreettiä Poisson-jakaumaaⁱⁱ

jossa l 

on havaintotaajuuden odotusarvo ja k on havaintojen lukumäärä.

Tässä esimerkkitapauksessa tähdenlentojen havaintotaajuuden odotusarvo on 60 meteoria tunnissa l_h = 60. Havaintoajan t muuttuessa odotusarvo l skaalautuu l = l_ht.

Jakaumasta voidaan laskea, kuinka suurella todennäköisyydellä tunnin aikana havaitaan tasan 40 tai 80 meteoria. Sijoittamalla lukuarvot  (k = 40, 80; l_h = 60)  yhtälöön todennäköisyyksiksi saadaan

 

Kuten olettaa voi, todennäköisyys havaita tietty määrä meteoreja on hyvin pieni. Pieni hauskuus näihinkin numeroihin silti piiloutuu. Huomataan, että kahden havainnon (40, 80) lukumäärät poikkeavat yhtä paljon (20) havaintotaajuuden odotusarvosta lh. Todennäköisyys havaita 80 meteoria on kuitenkin noin 1,5 kertaa suurempi kuin vain 40 meteorin havaitseminen. Tämä johtuu Poisson-jakauman epäsymmetrisyydestä.

Todennäköisyys havaita tunnin aikana enintään n meteoria, saadaan laskettua yhtälöstä

Enintään 40 meteorin havaitsemisen todennäköisyys saadaan sijoittamalla edellä olleet arvot yhtälöön, jolloin

Todennäköisyys, että tunnin aikana havaitaan vähintään n meteoria, saadaan yhtälöstä

Nyt saadaan

Todennäköisyys havaita vähintään 80 meteoria on noin kaksi kertaa suurempi kuin enintään 40 meteorin havaitseminen.

Kuvassa on esitetty Poisson-jakauma arvolla l = 60 meteoria/h. Kuvaajasta nähdään (sininen), että 95% todennäköisyydellä havainto-olosuhteiden pysyessä muuttumattomina havaitaan minkä tahansa tunnin aikana 45 – 76 meteoria. Punainen ja vihreä alue kuvaavat todennäköisyyksiä havaita enintään 40 tai vähintään 80 meteoria. Mustat pisteet ovat todennäköisyyksiä havaita täsmälleen 40 tai 80 meteoria tunnissa.

Lasketaan vielä todennäköisyys, ettei 30 minuutin aikana havaita yhtään meteoria. Tällöin k = 0 ja l= 30.Nyt todennäköisyys on

Paljon todennäköisempää on voittaa lotossa päävoitto kuin olla havaitsematta yhtään meteoria.

 

Viitaukset 

i     Meteorin kirkkaus vaikuttaa sen havaittavuuteen mutta se ei ole ainoa tekijä. Sääolosuhteiden lisäksi myös valosaaste peittää helposti himmeimmät meteorit ainakin visuaalisesti meteoreja havaitsevalta. Lisäksi ilmakehä absorboi meteorista tulevaa valoa, joten lähellä horisonttia näkyvän meteorin pitää olla kirkkaampi kuin zeniitin läheisyydessä näkyvän tullakseen havaituksi.

ii     Poisson-jakauma on todennäköisyysjakauma, jolla kuvataan harvinaisten ja toisistaan riippumattomien satunnaistapahtumien lukumäärää tietyllä aikavälillä tai alueella. Sitä käytetään esimerkiksi meteorien, radioaktiivisten hajoamisten tai fotonien saapumisen tilastolliseen mallintamiseen. Jakauman ainoa parametri on tapahtumien keskimääräinen määrä tarkastelujaksolla.

 

 

Yöpilvikausi on parhaimmillaan

KAK – Jos olet ollut kesäyön pimeimpään aikaan liikkeellä, olet ehkä havainnut taivaalla oudonnäköisiä, sinertävää valo hohtavia, ja rakenteellisesti hyvin erikoisia pilviä. Silloin olet tehnyt havainnon hohtavista yöpilvistä. Niistä käytetään yleisemmin nimitystä valaisevat yöpilvet, vaikka ne eivät oikeasti valaise.

Pilvien englanninkielinen nimi on Noctilucent Clouds (NLCs), joka kääntyy parhaimmin suomeksi yöpilviksi. Pilvien olemassaolo ei mitenkään liity yöhön, mutta niiden näkymien on mahdollista vain olosuhteissa, joissa Aurinko on vähintään noin 6 – 16 astetta horisontin alapuolella. Havaitsija on siis hämärässä yössä.

Yöpilviin liittyy toinenkin rajoite: niitä nähdään maanpinnalla 50 – 65 leveysasteiden välillä. Vain hyvin harvoin on tehty havaintoa alemmilla leveysasteilla kuten Välimeren seuduilla. Yöpilviä syntyy pohjoisen pallonpuoliskon kesäaikana toukokuun puolivälistä elokuun puoliväliin. Ja kuten monet muutkin ilmiöt maapallolla, yöpilviä esiintyy myös eteläisellä pallonpuoliskolla silloin kun siellä on kesä, siis marraskuun puolivälistä helmikuun puoliväliin.

 

Kuvan keskellä kulkee leveä, vino kirkas vyöhyke vasemmalta alhaalta oikealle ylös. Sen molemmilta puolilta lähtee lyhyitä vinoja juovia, jotka muodostavat hyvin tyypillisen kalanruotokuvion. Tämä on juuri sellainen rakenne, jota yöpilvien luokituksessa kutsutaan usein billow- tai wave-rakenteeksi.

Erityisesti kuvan alaosassa näkyy erittäin säännöllisiä, lähes yhdensuuntaisia raitoja. Ne muistuttavat lähes oppikirjaesimerkkiä pienimittakaavaisista painovoima-aalloista. Aallonpituus näyttää olevan melko vakio koko alueella, mikä viittaa siihen, että sama aalto etenee yhtenäisenä suuren alueen yli.

Keskialueella pitkät aallot näyttävät muuttavan suuntaansa melko nopeasti. Ne eivät katkea, mutta niiden suunta taipuu selvästi. Se viittaa siihen, että pilvikerros kulkee alueen läpi, jossa tuulen suunta tai nopeus muuttuu. Tätä kutsutaan tuulen leikkaukseksi (wind shear).

Oikeassa yläreunassa juovat näyttävät leviävän hieman viuhkamaisesti. Se voi johtua kahdesta eri asiasta: a) kaksi eri aallokkoa leikkaa toisensa pienessä kulmassa tai b) sama aaltojärjestelmä kaartuu tuulikentän mukana. Jälkimmäinen on varsin tavallinen mesosfäärissä.

Kuva © Kari A. Kuure / Tampereen Ursa ry.

 

Yöpilvet syntyvät mesosfäärissä, noin 76 – 85 km korkeudessa. Jääkiteet, joista pilvet muodostuvat ovat hyvin pieniä, halkaisijaltaan noin 100 nm. Muodostuakseen jääkiteet vaativat hyvin pienen pölyhiukkasen tiivistymisytimeksi, joka ympärille vesihöyry härmistyy ^[1] suoraan jääksi. Jääkiteiden muodostaessa pilven ja Auringon valaistessa niitä, yöpilvet näkyvät hämärässä yössä niitä ihmettelevälle havaitsijalle.

Vesihöyryn ja pölyhiukkasten lisäksi yöpilvien synty vaatii erittäin kylmät olosuhteet. Lämpötila mesosfäärissä yöpilvien syntykorkeudella on yleensä noin –120 °C. Ilmakehän tiheys tällä korkeudella on vain miljoonasosa siitä mitä se on maanpinnalla mutta ilmaa siellä kuitenkin on. Ja kun on ilmaa, niin on myös tuulia ja muita ilmiöitä, jotka vaikuttavat ja kuljettavat yöpilviä. Yöpilvien muodonmuutos ja liikkuminen on havaittavissa, jos maltat havaita niitä esimerkiksi varttitunnin ajan.

Tähtiharrastajan on helppo panna merkille yöpilvien hyvin monenlaiset muodot. Yöpilvet voivat olla kuitumaisia, niissä voi esiintyä kirkkaita juovia tai laikkuja, aalloilta tai vaikkapa kalanruodoilta näyttäviä ilmiöitä. Yleensä samaan aikaan näkyvissä on monenlaisia ilmiöitä, ja osa niistä voi esiintyä toisten muotojen edessä tai takana, pilvissä on siis kerroksellisia rakenteita.

Kuinka nämä yöpilvimuodot sitten syntyvät? Yleisin syy on painovoima-aallot. Näitä painovoima-aaltoja ei pidä luulla gravitaatioaalloiksi, joka on täysin erilainen ilmiö. Kyseiset painovoima-aallot syntyvät monella tapaa troposfäärissä, siis lähellä maanpintaa olevissa ilmakehän kerroksissa. Esimerkiksi voimakkaat ukkosrintamat, vuoristot ja suihkuvirtaukset voivat synnyttää aaltoilevia ilmavirtauksia, joiden aaltoliike välittyy lopulta mesosfääriin asti. Kohotessa korkeammalle aaltojen amplitudi kasvaa ja voimistuu.

Painovoima-aaltojen kohdatessa yöpilvikerroksen, se muokkaa pilvien rakennetta tiivistäen ja harventaen pilviä. Tavallisesti painovoima-aaltoja syntyy samanaikaisesti monista eri lähteistä, joten pilvimassaan voi vaikuttaa hyvin monia painovoima-aaltorintamia. Mitä useampi aaltorintama pilviin vaikuttaa, sitä monimutkaisempia rakenteita pilvissä nähdään.

Myös mesosfäärissä puhaltavat tuulet muokkaavat pilvikerrosta. Tuulien suunnat voivat olla eri kerroksissa aivan erisuuntaisia vain muutaman kilometrin korkeuserolla. Tuulen suunta voi vaihdella jopa 90 – 180 astetta. Ilmakehän yläosaan vaikuttaa myös vuorovesivoimat ja ne saavat aikaan samanlaisen vuorovesiaallon kuin merisissä esiintyvä vuorovesi on. Vuorovesiaallot yhdessä painovoima-aaltojen kanssa muokkaavat myös yöpilviä.

Yöpilvissä esiintyy joskus, todella harvoin, ilmiö nimeltään Kelvin-Helmholtzin aallot. Ne syntyvät voimakkaiden, erinopeudella etenevien tuulien rajapintaan, jos tällainen rajapinta muodostuu yöpilvien alueella. Eri nopeudella etenevät tuulet ”kaatavat” aallon harjan eteenpäin samalla tavalla kuin meressäkin tapahtuu tuulen voimistuessa. Lopulta kaatuvat aallonharjat muodostavat pyörteitä (billows). Ilmiö on lyhytkestoinen, joten jos havaitset niitä, sinulla on jo kiire niiden tallentamisessa – jos mahdollista videoksi. Ilmiö on sen verran harvinainen, että jokainen hyvin dokumentoitu havainto on tieteelle arvokas.

 

Keskellä kuvaa kulkee kapea, kirkas, lähes pystysuuntainen juova, joka levenee hieman yläosassa. Sen molemmin puolin yöpilvien rakenne muuttuu selvästi.

Tämä viittaa siihen, että alueella on ollut voimakas deformaatiovyöhyke eli alue, jossa ilmavirtaus venyttää pilvirakennetta eri suuntiin. Mesosfäärissä tällainen voi syntyä esimerkiksi silloin, kun kaksi erisuuntaista virtausta tai aaltojärjestelmää kohtaavat. Tällöin pilvi ei varsinaisesti repeä, vaan jääkiteiden muodostama kuvio venyy ja kiertyy.

Kuvan oikealla puoliskolla kaikki hienorakenteet kaartuvat lähes saman keskipisteen ympäri. Se muistuttaa hieman sitä, mitä virtausmekaniikassa kutsutaan strain fieldiksi. Tällöin ilmamassa ei pyöri yhtenä pyörteenä, vaan sitä venytetään eri suuntiin. Tämän seurauksena alun perin suorat aallot muuttuvat kaareviksi.

Vasemmalla näkyy vielä melko hyvin säilyneitä yhdensuuntaisia painovoima-aaltoja. Niiden suunta muuttuu vähitellen kohti kuvan keskustaa. Tämä kertoo, että sama aalto kulkee alueelle, jossa tuulikenttä muuttuu. Juuri tällaisia ilmiöitä mesosfäärin tutkijat käyttävät arvioidessaan tuulikentän rakennetta.

Kuvan keskiosan oikealla puolella on alue, jossa rakenteet näyttävät kiertyvän vastapäivään. Se ei välttämättä tarkoita, että ilma kiertäisi kokonaisena pyörteenä. Paljon todennäköisemmin kyseessä on painovoima-aallon vääristyminen muuttuvassa tuulikentässä.

Kuva © Kari A. Kuure / Tampereen Ursa ry.

Havaintoja tekemään

Jos tulossa on selkeä yö, niin juuri nyt eteläisessä Suomessa on hyvät mahdollisuudet havaita yöpilviä. Niiden näkyminen Oulun pohjoispuolella on harvinaista ja se ehkä onnistuu siellä kauden loppupuolella elokuun puolivälissä. Tampereella nähdään yöpilviä yleensä heinäkuun puolivälistä alkaen, joskus harvoin aikaisemmin. Kausi yleensä päättyy elokuun puolivälin tienoilla, pohjoisessa hieman myöhemmin.

Havaintoja voit tehdä pelkästään paljain silmin, mutta valokuvat ja time-lapse -videot täydentävät havaintojasi. Jotta onnistuisit valokuvaamaan yöpilviä, tarvitset kameran, jossa on manuaaliset säädöt käytettävissä, jalustan sekä etälaukaisimen tai sekvensikuvaukseen pystyvän langallisen tai langattoman kauko-ohjaimen. Joissakin kameroissa sekvenssikuvausmahdollisuus on valmiina otettavaksi käyttöön. Kameran automaattinen tarkentaminen voi johtaa epäteräviin kuviin, joten jos mahdollista, käytä manuaalista tarkennusta. Jos kamerassasi on mahdollisuus histogrammin käyttöön, käytä sitä, jotta kuvat eivät yli- tai alivalottuisi.

Havaintopaikaksi kelpaa lähes mikä tahansa rauhallinen paikka, ainoa vaatimus on, että näkymä pohjoiselle taivaalle on suhteellisen avoin. Joskus erittäin kirkkaan ja selkeän yöpilvinäytelmän aikana, yöpilviä voi näkyä myös eteläisellä taivaalla, joskin tämä on Tampereen leveydellä harvinaista, arviolta kerran kaudessa esiintyvä ilmiö.

Viite

[1] Härmistyminen on meille suomalaisille hyvinkin tuttu ilmiö talviajalta, jolloin puut saavat hyvin kauniin kuurapeitteen sopivissa sääolosuhteissa.