Sunday, 8 November 2015

Mitä, jos maapallo ei pyörisi?


Hesarin lasten tiedekysymyksissä.

Mitä tapahtuu, jos maapallo lakkaa pyörimästä?

Joosua Orell, 5

Maa tai mikään muukaan planeetta ei voi olla kokonaan pyörimättä akselinsa ympäri. Jos Maa ei pyörisi lainkaan, merenpinnan laskua ja nousua aiheuttavat vuorovesivoimat vääntäisivät sen pyörimään hitaasti.

Mikäli maapallo pystyisi olemaan pyörimättä, vuorokausi ja vuosi olisivat sama asia. Olisi puolen vuoden mittainen päivä eli kesä ja sen jälkeen puolen vuoden mittainen yö eli talvi.

Lämpötilaerot näiden vuodenaikojen välillä olisivat hurjat. Päiväpuolella maapalloa olisi kuuma kuin saunassa. Se varmaankin kuivuisi aavikoksi. Talvipuolella lumi kerääntyisi pikku hiljaa kilometrien paksuiseksi jäätiköksi.

Rengasmaisella alueella päivän ja yön rajan lähellä voisi olla elämälle sopiva lämpötila, mutta siellä olisi jatkuva myrsky. Maan puoliskojen suuri lämpötilaero nimittäin pitäisi yllä hurjaa tuulta.

Kerran vuodessa pyörähtäviä planeettoja voi olla olemassa, mutta meidän aurinkokunnassamme niitä ei ole. Onneksi maapallon pyöriminen ei voi hidastua näin radikaalisti miljardeihin vuosiin.

Tiera Laitinen
tutkija
Ilmatieteen laitos

Hesarin fysiikkaa käsittelevien lasten tiedekysymysten vastaukset tiedesivuilla saavat minut yleensä hieman murheellisiksi ja vähän ärtyneiksikin. Kerta toisensa jälkeen hukataan ainutlaatuinen tilaisuus kertoa jännittävistä fysikaalisista ilmiöistä suurelle yleisölle. Kysymyksissä kun ei ole mitään vikaa, vastaukset vain on turhan usein huitaistu vasemmalla kädellä. Ymmärrän tämän siinä mielessä, että näistä kirjoituksista ei makseta mitään, palkkiona on "näkyvyyttä".

Virkatyönä tehtynä se on vielä ihan hyväksyttävää, kuten myös vaikka meikäläisen eläkkeellä olevan kansansivistäjän kohdalla. Tosin kun minua viimeksi (luultavasti myös viimeisen kerran) pyydettiin kommentoimaan, niin nostin vähän kulmakarvoja lupaukselle "näkyvyydestä". Annoin kuitenkin kommentin, sitä ei julkaistu.

Mutta päivän epistolaan. Tutkija Tiera Laitisen vastauksessa ei sinänsä ole minusta mitään merkittävää sisällöllistä vikaa, vähän hienosäätöä korkeintaan. Pyörimättömiä taivaankappaleita ei tiettävästi ole. Mikään fysiikan laki ei estä niiden olemassaoloa, niiden syntytapa vain on sellainen, että syntyvälle taivaankappaleelle jää tietty pyörimismäärä ikään kuin perintönä sen synnyttäneiden kappaleiden ja hiukkasten liikemääristä. Siksi kokonaan pyörimättömän planeetan ominaisuuksien spekulointi ei täytä oikein edes Einsteinin kuuluisien "Gedanken Experimentien" kriteereitä. Ne eivät johda mihinkään todelliseen mahdollisuuteen.

Lukittu pyöriminen, jollainen on mm. Kuun kierto Maan ympäri, on paljon mielenkiintoisempi tapaus. Hesarin jutussa vain täydellinen pyörimättömyys ja lukittu pyörimättömyys on sekaisin kuin entisen miehen puurot ja vellit. Lukija ei saa oikein selvää, puhutaanko jossain kappaleessa pyörimättömästä planeetasta vai lukitussa pyörimisessä olevasta planeetasta.

Jos planeetta ei pyöri lainkaan, niin siellä on kaikki vuorokauden ajat kiertäen koko ajan jossain. Pysyvää jääpeitettä ei voi tulla vain toiselle puolelle planeettaa, koska keskustähden eli auringon koordinaatistossa planeetta näyttä pyörähtävän kerran vuodessa akselinsa ympäri. Siis kaikki puolet saavat lämpöä ja valoa puoli vuotta kerrallaan.

Jos ilman ja veden määrä olisivat samat kuin meidän maapallollamme, niin seurauksena olisi tosiaan hurjat sateet ja niistä johtuvat tulvat sekä myrskyisät tuulet. Ei mitenkään suotuisa paikka ainakaan meidän tuntemamme elämän tyyssijaksi, ja kuten tuli sanottua, tällaista paikkaa tuskin on missään maailmankaikkeudessa.

Sen sijaan keskustähteen nähden lukitussa pyörimisessä olevia planeettoja on varmaan vaikka huru mycket. Maapallonkin pyöriminen hidastuu koko ajan. Vauhdin voi päätellä siitä, että sadassa vuodessa vuorokausi on pidentynyt 17 millisekuntia. Tästä johtuen ajanlaskussa on karkaussekunteja sopivin välein, jotta tähtitieteellisen vuorokauden pituus pysyisi synkronissa kelloajan kanssa.

Jos oletetaan maapallon pyörimisen hidastuvan vähän kuin urheilukilpailuista tutun tasaisen vauhdin taulukossa (mitä se kyllä tee, mutta saadaan vähän suurusluokkaperspektiiviä), niin tätä menoa maapallo oli lukitussa pyörimisessä Auringon ympäri noin 5 miljardin vuoden päästä. Tästä ei siis kannata vielä suuremmin huolestua.

Jos nyt kuitenkin ajatellaan, että tapahtumien kulku olisikin niin huima, että se tapahtuisi muutamien vuosien kuluessa, niin siitä seuraisi aika dramaattisia globaaleja juttuja ihmiskunnankin näkövinkkelistä asiaa katsottaessa.

Auringon kiertolaisena Maa ei ole yksi taivaankappale, vaan Maa ja Kuu muodostavat piiriä pyörivät parin kuin suomalaisessa tanhussa. Maa ja Kuu lukittuisivat yhdessä. Koska Kuu kiertää Maata, niin niiden yhteinen painopiste ei pysy koko ajan yhtä kaukana Auringosta. Siitä syystä Maa ei näyttäisikään koko ajan samaa puolta itsestään Auringolle kuten Kuu Maalle, vaan pyörisi hitaasti Kuun kierron vääntämänä. Joten, kun ollaan tässä ajatuskokeessa ainakin aurinkokunnan herroja, niin potkaistaan Kuu hemmettiin häiritsemästä spekulointia ja rasittamasta liikaa Hercule Poirot'n mainostamia harmaita aivosoluja.

Oletetaan siis, että Maa olisi jämähtänyt tiukasti lukittuun pyörimiseen Auringon ympärillä olevalla kiertoradallaan. Auringon puolella olisi ikuinen päivä ja toisella loputon yö. Mitä siitä seuraisi?

Muuttujia on paljon ja niiden väliset takaisinkytkennät monimutkaisia. Jonkinlaisia perusfysiikkaan perustuvia pohdintoja voidaan kuitenkin esittää.

Maapallon keskilämpötila on tällä hetkellä on 14 celsiusastetta eli 287 kelvinia. Tämän lämpöinen maapallo säteilee lämpöä avaruuteen samalla teholla millä Aurinko sitä lämmittää. Jos Auringon säteilyä tulisi vain yhdelle puolelle maapalloa, niin säteilyn määrä tälle puolelle olisi tuplat nykyisestä ja toiselle puolelle ei jäisi sitten mitään. Vastaavasti maapallo itse säteilisi pääasiassa vain Auringon puoleiselta puoliskoltaan.

Koska lämpösäteilyä lähettävän alan pinta-ala puolittuu, niin säteilevän pinnan lämpötilan täytyy kohota. Säteilyn intensiteetti on verrannollista absoluuttisen lämpötilan neljänteen potenssiin. Laskemalla tästä saataisiin aurinkoisen puolen keskilämpötilaksi noin 70 celsiusastetta. Parahultainen löylyn lämpötila, ihan kuten ilmatieteilijä jutussaan toteaa. Näin siis pyörimisen ollessa lukittu.

Hyvän vertailukohdan saa Kuusta, joka poikkeaa Maasta siinä, että sillä ei ole lämpötiloja tasoittavaa ilmakehää ja se pyörähtää akselinsa ympäri paljon hitaammin kuin Maa. Kerran 29,5 vuorokaudessa Aurinkoon nähden. Näin ollen Kuun pinta ehtii kuumeta kunnolla Aurinkoon päin ollessaan ja vastaavasti toinen puoli jäähtyy. Lämpötila Kuun pinnalla vaihtelee noin +120 ja -200 celsiusasteen välillä. Miten Kuussa voi olla niin paljon kuumempaa kuin Maassa, vaikka molemmat ovat keskimäärin yhtä kaukana Auringosta?

Keskeinen syy siihen on siinä, että Kuun albedo eli heijastuskyky on vain noin 14 %, kun se Maalla on 37 %. Maa siis heijastaa melkein kolminkertaisesti siihen osuvasta Auringon säteilystä Kuuhun verrattuna. Maan suuri albedoprosentti johtuu lähinnä pilvien ja veden suuresta heijastuskyvystä. Lukitusti pyörivän maapallon auringon puoleinen puolisko olisi kuitenkin täysin kuivaa ja pilvetöntä autiomaata, jolloin tämän kivisen  hiekka-autiomaan albedo olisi suunnilleen sama kuin Kuun ja vastaavasti se lämpenisi selkeästi kuumemmaksi kuin mainittu 70 astetta. Jos autiotuneen puolen albedo olisi sama kuin Kuun, niin keskilämpötila nousisi noin 160 asteeseen. On myös syytä huomata, että kyseessä on keskilämpötila. Kohdassa, jossa Aurinko on pysyvästi zeniitissä, lämpötila olisi tietysti vielä paljon korkeampi.

Hurja lämpötilaero auringon paahtaman puolen ja ikuisen varjon puolen välillä saisi kylmät tuulet puhaltamaan maan pintaan myöten varjon puolelta valon puolelle ja yläilmoissa päinvastoin. Tosin se puhuri voisi jäädä lyhytaikaiseksi, sillä varjon puolen hyytävä kylmyys voisi saada sekä hapen että typen nesteytymään. Se olisi ilmakehän loppu.

Nämä pohdinnat ovat yksinkertaisista malleista lähteviä ajatuskokeita. Voi olla hyvinkin oleellisia seikkoja, joita en ole osannut ottaa huomioon. Siitä olen kuitenkin ihan varma, että lukitusti Auringon ympäri pyörivä Maa ei olisi mikään ihannepaikka nykyisille elämänmuodoille. Korkeintaan syvällä maan sisällä nykyäänkin eläville bakteereille.

2 comments:

  1. Tiera Laitinen tosiaan siirtyy varoittamatta tilanteesta, että maapallo ei pyöri lainkaan, siihen, että se pyrähtää kerran vuodessa. 6-vuotias kysyjä, jos vastauksen on hartaasti lukenut, on saanut käsityksen, että puolessa vuodessa kertyisi kilometrien paksuinen jääpeite.

    ReplyDelete
  2. XKCD -sarjakuvan tekijän "What if" -sarjassa on asiaa myös käsitelty: http://io9.com/xkcds-creator-explains-what-would-happen-if-earth-stopp-1625068208

    ReplyDelete