Helsingin Sanomissa oli ennen joulua pieni juttu päivien pitenemisestä. Mukavaa, että Hesarin tiedetoimitus jaksaa palvella meitä
tähtitieteestä kiinnostuneita lukijoita. Lueskellessani joulunpyhien ratoksi viimeisintä
artikkelia päivien pitenemisen kiihtymisestä minua ja ehkä jotakuta muutakin jäi vaivaamaan
selitysten sinänsä varsin ymmärrettävä ylimalkaisuus. Lehden palstatila on
rajallista ja maapallon vuotuiseen kiertoon Auringon ympäri ja vuorokautiseen
pyörimiseen akselinsa ympäri liittyvät ilmiöt eivät ole suinkaan triviaaleja.
Niiden vähänkin syvällisempi ymmärtäminen vaatii useimmilta ihmisiltä sekä
aikaa että ainakin pään raapimista, kun tupakanpoltto on useimmissa paikoissa
nykyään kielletty. Hesarin artikkeli antoi kuitenkin lähinnä vastauksia
kysymyksiin mistä seikoista ilmiö johtuu ja jätti vähemmälle vastaukset
kysymyksiin miksi ja miten. Päätin vähän kertailla tähtitieteen opintojani.
Omaksi ja ehkä jonkun muunkin opiksi ja ojennukseksi.
Korjataan nyt pieni muoto- ja vähän suurempi käsitteellinen
virhe.
"Maapallon kiertorata auringon ympäri on soikea,
jolloin maapallon nopeus vaihtelee."
Aurinko taivaankappaleena on erisnimi. Taivaalla näkyvänä
kohteena vähän siinä ja siinä. Minä sanoisin: "aamulla aurinko nousee",
mutta "Kuu kiertää Maata ja Maa Aurinkoa".
"Kun Maa on lähimpänä Aurinkoa radallaan, kiihdyttää
Auringon vetovoima sen liikettä"
Auringon vetovoima pitää koko ajan Maan Aurinkoa kohti
olevassa kiihtyvässä liikkeessä. Eihän Maa muuten pysyisi radallaan. Toisaalta
Maa on lähinnä Aurinkoa perihelissä, jolloin se ratanopeus on suurimmillaan,
siitä eteenpäin ratanopeus hidastuu puolivuotta aina apheliin asti. Ymmärrän
hyvin, mitä kirjoittaja ajaa tässä takaa, mutta videolta poimittu lause on fysikaalisesti
päätön.
Hesarin jutusta käy ilmi, että päivien, siis valoisan ajan pituus ei
muutu tasaisesti, vaan vaihtelee. Yritän tässä selventää asiasta syvällisemmin
kiinnostuneille miten ja miksi. Kysymykseen "miten" on netissä oivallinen työkalu, josta
näkee päivien pituudet ja niiden muutokset eri aikoina vuodesta ja eri
paikkakunnilla. Päivän pituuteen ja sen muuttumisnopeuteen vaikuttaa kolme muuttujaa: maapallon akselin suunta suhteessa Aurinkoon, maapallon etäisyys Auringosta ja siitä riippuva maapallon ratanopeus sekä paikkakunnan leveyspiiri. Käydään näitä lävitse yksi kerrallaan.
Talvipäivän seisauksen aikaan maapallon akseli on pohjoisella pallonpuoliskolla kauimpana Auringosta. Meillä päivä on silloin lyhyimmillään. Kun maapallon akselin suunta pysyy koko ajan samana, niin pohjoinen pallonpuolisko alkaa tämän jälkeen saada päivittäin ja pidempään Auringon valoa. Päivät pitenevät pohjoisella pallonpuoliskolla ja eteläisellä vastaavasti lyhentyvät.
Talvipäivän seisaus oli vuonna 2015 Joulukuun 22 päivänä. Sen jälkeen päivä alkoi pidentyä aika lailla tasaisesti kiihtyvällä vauhdilla. Päivän pidennys kasvoi noin 11 sekuntia joka päivä. Päivä pitenee nimenomaan illasta. Miksi näin? Sitä selvittelin vuosi sitten.
Vuodenvaihteen tienoilla pituuden lisääntymisen muutokset alkavat rahoittua. Tammikuun lopussa päivän pidentyminen on kasvanut vain 3 sekuntia vuorokaudessa.
Maaliskuussa päivän pituuden muutokset ovat suurimmillaan. Helsingissä päivä pitenee tasaisen tappavaan tahtiin 5½ minuuttia vuorokaudessa.
Maapallon rata Auringon ympäri ei ole ympyrä, vaan ellipsi. Siksi Maan etäisyys Auringosta ja samalla ratanopeus vaihtelevat. Lähinnä Aurinkoa Maa on perihelissä, joka tapahtuu noin Tammikuun 4. päivänä. Silloin Maan ratanopeus on suurin. Meillä on silloin talvi, eteläisellä pallonpuoliskolla kesä. Kauimpana Auringosta ollaan aphelissä eli Heinäkuun 4. päivänä. Sitä, miten tämä vaikuttaa, voidaan tutkia katsomalla taulukkoa yhtä kaukana päiväntasaajasta olevilla paikkakunnilla pohjoisella ja eteläisellä pallonpuoliskolla. Esimerkiksi Kroatian Zagrebissa ja Uuden Seelannin Dunedinissa, jotka molemmat ovat aika tarkkaan 45 leveyspiirillä.
Päivät ovat pidempiä ja niiden pituus muuttuu nopeammin Tammikuun alussa Zagrebissa kuin Heinäkuussa Dunedinissa. Kun päivän pituuden kasvu lisääntyy Zagrebissa 5 sekuntia vuorokaudessa, niin Dunedinissa se on vain 4 sekuntia. Ero johtuu siitä, että perihelissä maapallon kulmanopeus Aurinkoon nähden on suurempi kuin aphelissä. Kun maapallon pyörimisnopeus on vakio, niin Aurinkoon nähden maapallo tuntuu pyörivän hitaammin pohjoisen pallonpuoliskon talvella kuin kesällä. Tätä tarkastelin vuosi sitten mm. täällä .
Radan elliptisyys on selitys myös toiselle tekstissä
esiintyvälle ilmiölle. Astronomisten vuodenaikojen eri pituuksille. Kun
maapallo kiitää nopeinten talvella, niin pohjoisen talvi on myös nopeinten
ohitse. Ero kesään on tekstissä mainitut noin 4 vuorokautta. . Tämä olotila ei
ole kuitenkaan vakio. Hyrräliikkeen prekession johdosta maapallon
pyörimisakseli kiertyy täyden ympyrän 26.000 vuodessa. Kaltevuuskulma säilyy
samana, joten vuodenajat säilyvät, nekin vain kiertyvät samaan tahtiin. Joka
13.000 vuosi astronomiset syksy ja talvi ovat yhtä pitkät ja vastaavasti kevät
ja kesä keskenään yhtä pitkät.
Vuonna 2014 astronomisten vuodenaikojen pituudet olivat
Kevät = 92d 17h 54m
Kesä = 93d 15h 37m
Syksy = 89d 20h 34m
Talvi = 88d
23h 42m
Helsingin Sanomien juttu on myös kovin Etelä-Suomi
-keskeinen. Kun mennään tarpeeksi pohjoiseen Lappiin, niin tilanne on ihan
toinen. Päivien piteneminen hidastuu, kun aurinko ylipäänsä tammikuussa nousee
horisontin yläpuolelle.
Fysikaalisesti ajatellen päivän pituuden muuttumisnopeuden muttuminen vastaa
kiihtyvyyttä ja matemaattisesti päivän pituuden toista derivaattaa päivämäärän
muutoksen suhteen. Käsittelin vähän samantapaista teemaa poikkitieteellisessä
blogissani noin vuosi sitten, jolloin siihen liittyi tämä kaavakuva.
Päivän pituuden muutoksen kiihtyminen tai hidastuminen näkyy
näiden käyrien kuperuudesta. (Lukion matikan tiedoista olisi nyt apua.) Kun
käyrä on kupera alaspäin, kuten Helsingissä kevätpäivän tasaukseen asti, niin päivän
pituuden muutos kiihtyy. Vastaavasti Utsjoen käyrä on kupera ylöspäin, joten päivän
pituuden muutos hidastuu niin ikään kevätpäivän tasaukseen asti, jossa on
molempien käyrien käännepisteet. Sen molemmin puolin käyrät ovat likipitäen
suoria, joten päivän pituuden muutos sen myötä on likipitäen vakio. Utsjoella
tietysti suurempi, 8:38 minuuttia kuin Helsingissä, 5:30 minuuttia. Siitä
eteenpäin Helsingin horisontin mukaan päivän pituuden muutokset hidastuvat ja vastaavasti Utsjoen kasvavat. Utsjoella kasvu
pysähtyy toukokuun lopulla, kun aurinko ei enää laske, Helsingissä sen sijaan päivän
pituuden muutoksen hidastuminen päättyy vasta syyspäin tasaukseen.
Päivän pituudessa on kyse yön ja päivän välisen rajan
liikkumisesta maapallon pinnalla Maan sekä pyöriessä samaan suuntaan sojottavan
akselinsa ympäri että kiertäessä Aurinkoa lähes ellipsinmuotoisella radallaan.
Kun me olemme itse tämän spektaakkelin keskellä, niin sen avaruudellinen
hahmottaminen saattaa tuottaa monille ihmisistä ylipääsemättömiä vaikeuksia.
Oikeassa kaltevuuskulmassa olevan karttapallon valaiseminen vaikka riittävän
kaukana olevalla taskulampulla selventäisi tilannetta. Kääntämällä akselin
suuntaa suhteessa valonlähteeseen ja pyörittämällä maapalloa akselinsa ympäri
voi tutkia asiaan vaikuttavien seikkojen muuttumisen vaikutuksia.
Perinteiset poliisikuvat epäillystä sivusta ja edestä. Suunnilleen alemman kuvan kaltaiselta maapallo näyttäisi katsottaessa sitä Auringon suunnasta jouluna puolen päivän aikoihin.
Yön ja päivän raja talvipäivän seisauksen aikaan Auringon ollessa korkeimmillaan Suomen horisontin mukaan. Sama tilanne karttapallolla ja kaksiulotteisella kartalla. Miten tilanne muuttuu maapallon pyöriessä ja kiertäessä Aurinkoa, sen hahmottamisesta tässä on kyse. Kaikilta yksityiskohdiltaan ei varmaan ihan helpoimmasta päästä olevaa päättelyä.