Mistä avaruus alkaa?

Ilmakehän kerrokset.

Kuva public domain.

Tähtitornilla usein esitetty kysymys liittyy avaruuden käsitteeseen. Kysyjät haluavat tietää kuinka korkealle pitäisi mennä ollakseen avaruudessa? Vaikka kysymys on yleinen ja hyvin helppo, vastaus siihen ei sitä kuitenkaan ole.

Vaikeus liittyy lähinnä siihen, että on olemassa erilaisia käsityksiä siitä, mitä itse avaruus on. Ehkä yleisimpänä avaruuden rajana pidetään helposti muistettavaa 100 km korkeutta. Vaikka tämä raja on sopivasti pyöreä luku, mikään ilmakehän fysiikkaan liittyvä muutos- tai siirtymäkerros ei sijaitse juuri tällä korkeudella. Sen sijaan aivan sen lähistöllä on useampiakin kerroksia, joita voisi pitää avaruuden alarajana.

Jotta asia muuttuisi hieman ymmärrettäväksi, tarkastellaan ilmakehän rakennetta. Alimpana ilmakehässä on troposfääri, joka ulottuu 10–17 km korkeuteen riippuen maantieteellisestä leveydestä ja vuodenajasta. Tässä ilmakerroksessa ilmanpaine vähenee 1030 hPa^[1] noin 300 hPa:iin. Lämpötila on kylmimmillään noin –60 °C. Tässä ilmakerroksessa tapahtuvat lähes kaikki sääilmiöt.

Troposfäärin yläpuolella oleva vaihtumiskerros on nimeltään tropopaussi ja se erottaa stratosfääriksi kutsutun kerroksen troposfääristä. Stratosfääri ulottuu 50 km korkeuteen. Lämpötila kohoaa ylöspäin mentäessä ja on stratopaussissa suunnilleen sama kuin maanpinnalla. Startosfäärissä ilmakehän otsonipitoisuudet ovat suurimmillaan ja ilmapaine on 300 hPa ja 0,05 hPa välillä.

Stratopaussin yläpuolella sijaitsee mesosfääri ja se ulottuu aina 85 km korkeuteen. Kerroksen lämpötila on koko ilmakehän kylmin, sillä kesällä sen lämpötila voi laskea liki –100 °C lämpötilaan, talvella lämpötila on muutaman kymmenen astetta korkeampi. Hieman mesopaussin alapuolella esiintyy kesäisin hohtavia yöpilviä.

Mesosfäärin yläpuolella on termosfääri. Se ulottuu noin 600 km korkeuteen ja ilmanpaineesta ei enää voi puhua. Kerroksessa on kuitenkin jonkin verran kaasumolekyylejä ja atomeja, jotka hidastavat mm. Maata kiertävien satelliittien liikettä. Useimmat revontulet esiintyvät tässä ilmakerroksessa. Useimpien Maata kiertävien satelliittien radat sijaitsevat tässä kerroksessa. Alle 120 km korkeudella ilman satelliittien liikettä vastustava voima kasvaa sen verran suureksi, että niiden radat ilman lisävauhditusta veisivät ne muutaman kierroksen jälkeen syvempään ilmakehään, jossa ne tuhoutuvat.

Ilmakehä ei kuitenkaan ole vielä päättynyt, vaan termosfäärin yläpuolella on eksosfääri, jonka ylärajaa ei pystytä määrittämään kovinkaan tarkasti. Varmaa kuitenkin on, että se ulottuu yli 1000 km korkeuteen. Kaasumolekyylit ja atomit ovat eksofäärissä sen verran harvassa, että ne eivät juuri törmäile toisiinsa.

Mesosfäärin ja ionosfäärin alueilla on myös ionisoituneita ilmakerroksia, joita esimerkiksi lyhytaaltoradioliikenne käyttää hyväksi. Kerroksia on ainakin neljä ja niiden tiheys ja korkeus vaihtelevat vuorokauden ajan mukaan. Radioaallot heijastuvat ionisoituneesta kaasusta (plasmaa) ja näin ne toimivat heijastimina mahdollistaen kaukoyhteydet jopa maapallon ympäri.

Meteori-ilmiöt esiintyvät alle 120 km korkeudella. Ilmakehään syöksyvän kappale kompressoi edellään olevaa  ilmaa ja sen kuumennettuaan riittävästi se säteilee voimakkaasti valoa. Samalla kappaleen pinta voi kuumeta sulamispisteeseen ja höyrystyä. Tapahtuma on kuitenkin sen verran äkillinen, että lämmön siirtymistä syvemmälle kappaleeseen ei ehdi tapahtua.

Meteoreja nähdään suunnilleen 40 km korkeuteen asti. Tällä korkeudella ilmakehän tiheys on kasvanut sen verran suureksi, että avaruudesta tuleva kivinen kappale pirstoutuu pienemmiksi kappaleiksi, jotka puolestaan päätyvät maanpinnalle vapaan putoamisliikkeen nopeudella, siis noin 60 – 70 m/s.

Edellä esitetyn perusteella avaruuden alarajana voitaisiin pitää noin 120 km korkeutta. Toinen vaihtoehto olisi noin 85 km korkeudella oleva mesopaussi. Käytäntöä on paha mennä muuttelemaan, sillä 100 km korkeuden ylittäneitä henkilöitä läntisessä maailmassa kutsutaan astronauteiksi ja rajan alapuolelle jääneitä lentäjiä aeronauteiksi. Avaruus siis alkaa paitsi A-kirjaimella niin myös 100 km korkeudella.

Huomatukset

[1] hehtopascal, hPa ilmanpaineen yksikkö, joka on 100 Pa (pascalia). Se vastaa 1 millibaaria (mbar) ja normaali ilmanpaine on 1030 mbar, ja 1 Pa = 1 N/ m² sekä 1 newton (N) on 1 kgms^–2.

Havaintovinkki: Hohtavat yöpilvet

Kirjoittaja valokuvaamat hohtavat
yöpilvet. Kuva Kari A. Kuure

Oletko koskaan pannut merkille kesäyössä pohjoisella taivaalla näkyviä sinertäviä pilviä. Ne hohtavat salaperäistä sinistä valoaan muiden pilvien yläpuolella ja ovat muodoltaan verkko- harsomaisia, joskus hetken aikaa seurattuasi niitä voit havaita aaltomaista (erittäin hidasta) liikettä tai ne voivat muodostaa kirkkaita solmumaisia rakenteita.

Kysymys on todellakin pilvistä, vaikka ei aivan tavallisista. Hohtavat yöpilvet [1] esiintyvät noin 85 km korkeudessa ja niitä nähdään vain kesäaikana. Parhain havaintokausi Tampereen leveyspiirillä on heinäkuun loppu- ja elokuun alkupuoli. Ennen keskikesää niitä voidaan nähdä joissakin tapauksissa toukokuun lopulla tai kesäkuun alussa. Etelämpänä esimerkiksi Balttiassa, jossa yöt ovat hieman pimeämpiä, yöpilviä voidaan nähdä kesä- ja heinäkuussa.

Yöpilvet ovat rakenteellisesti hyvin pieniä jääkiteitä, jotka sirottavat auringonvalon sinisiä aallonpituuksia. Jääkiteet ovat sen verran pieniä, että keltaiset tai punaiset aallonpituudet eivät niistä siroa. Jääkiteet ovat syntyneet yläilmakehään joutuneen vesihöyryn kiteytyessä hyvin hienojakoisen meteoriittipölyn toimiessa tiivistymisytiminä.

Ensimmäisen kerran yöpilviä havaittiin vuonna 1883 Krakataon tulivuorenpurkauksen jälkeen. Purkaus oli yksi voimakkaimmista ihmiskunnan historian aikana ja se syöksi hyvin hienojakoista tuhkaa yläilmakehään aina mesosfääriin asti. Yläilmakehään joutunut tuhka aiheutti erittäin värikkäitä auringonlaskuja, Kuu näytti siniseltä ja kirkkaita yöpilviä esiintyi. Ensimmäisen kirjallisen raportin yöpilvihavainnoista teki britti Robert Leslie, raportti julkaistiin Nature -tiedejulkaisussa. Yöpilviä oli varmasti nähty ennen Krakataon purkausta, mutta varsinaisia havaintoja tai raportteja niistä ei oltu tehty.

Nasan AIM-satelliitin kuvaamat
yöpilvet pohjoisnavan ympäristössä.
Kuva Nasa/AIM.

Hohtavien yöpilvien näkyminen on tehtyjen tutkimusten ja selvitysten mukaan lisääntynyt sitten 1800-luvun loppupuolen. Syytä pilvien yleistymiseen ei pystytä sanomaan, mutta se on arveltu liittyvän ilmastonmuutokseen. Muutoksen myötä ilmakehään on joutunut jonkin verran enemmän metaania, joka kohoaa mesosfääriin ja hajoaa hiilidioksidiksi ja vedeksi. Syitä voi olla muitakin, mutta niiden tutkiminen on ollut äärimmäisen vaikeaa.

Vuonna 2007 Nasa laukaisi Maata kiertävälle radalle Aeronomy of Ice in the Mesosphere (AIM) -satelliitin, joka muun toiminnan lisäksi pystyy ottamaan kuvia hohtavista yöpilvistä. Nasa tuottama video yöpilvistä löytyy osoitteesta

http://www.nasa.gov/mission_pages/aim/news/early-nlcs-2013.html#.UdPQvSpwAwk

Havaitseminen

Jokainen voi itse nähdä yöpilviä omin silmin. Enempää havaintovälineitä ei tarvita, vain hieman viitseliäisyyttä yön pimeimpinä hetkinä ulkoilemiseen. Parhaimmat ajat alkavat olla käsillä ja havaintoja voi tehdä aina elokuun alkupuolelle asti. Jos ja kun teet havaintoja, muista raportoida niistä Ursan Taivaanvahtiin. Näin oma havaintosi tulee osaksi tieteellistä tutkimusta.

Jos käytettävissä on kamera ja siihen jalusta, yöpilvien valokuvaaminen on helppoa. Lanka- tai etälaukaisimen käyttö on suotavaa, sillä valotusajat ovat sen verran pitkiä (muutaman sekunnin), että muutoin tärinöiltä ei voi välttyä. Kameran vitkalaukaisinta voi myös käyttää, sellainen kuitenkin löytyy jokaisesta kamerasta.

Automaattivalotus ei aina toimi hyvin. Tästä syystä kamerassa tulisi olla myös käsiasetuksien mahdollisuus ainakin valotusajan suhteen. Väritasapaino pitäisi säätää päivänvalolle, sillä automaatti kadottaa yöpilvien hienon sinisen värin.

Jos kamerasi antaa mahdollisuuden sekvenssikuvaukseen, sitäkin voi kokeilla. Sekvenssikuvatut kuvat voi liittää videoksi millä tahansa sopivalla kuvankäsittelyohjelmalla. Video paljastaa yöpilvien liikehdinnän, aallot, muodon muutokset, kirkastumiset ja häipymiset. Edellä linkitetty Nasan video näyttää miltä yöpilvet parhaimmillaan voivat näkyä sekvensikuvavideolla.

Huomautus

[1] Hohtavista yöpilvistä käytetään yleisesti myös nimitystä ”valaisevat yöpilvet”. Yöpilvien kirkkaus ja pinta-ala ovat kuitenkin sen verran pieniä, että niillä ei ole mitään valaisevaa vaikutusta edes yön pimeimpinä hetkinä. Tästä syystä pidän nimitystä ”hohtavat yöpilvet” parempana ja ilmiön luonnetta paremmin kuvaavana.