maanantai 2. maaliskuuta 2015

Kysymyksiä auringon- ja kuunpimennyksistä

K: Miksi Aurinko tai Kuu pimenee?

Täydellinen auringonpimennys on sykähdyttävä näky. Kuva
on otettu 29.3.2006 Turkin Sidessä. Kuva Kari A. Kuure.
V: Auringon tai kuunpimennyksissä on oikeastaan kysymys peittymisestä, josta käytetään myös nimitystä okultaatio. Auringonpimennyksessä Maasta katsottuna Kuu peittää Auringon, eli Aurinko joutuu Kuun taakse. Kuunpimennyksessä Kuusta katsottuna maapallo tulee Kuun ja Auringon väliin, jolloin maapallon aiheuttama varjo osuu Kuuhun.

Historiallisesta perinteestä johtuen käytämme usein nimitystä ”pimentyminen” peittymisen sijaan. Vastaavanlaisia historiallisia painolasteja ovat nimitykset ”tähden lento” tai ”pyrstötähti” joilla tarkoitamme meteoria ja aurinkokuntamme pienkappaleisiin kuuluvia komeettoja.

Pimennykset tai oikeammin peittymiset ovat mahdollisia kun Maa, Kuu ja Aurinko ovat samalla suoralla. Näin tapahtuu uudenkuun ja täydenkuun aikaan: auringonpimennys on mahdollinen vain uusikuun aikaan ja kuunpimennys täysikuun aikaan.

K: Kuinka usein auringon- ja kuunpimennyksiä tapahtuu?

Auringon ja kuunpimennykset voivat tapahtua kun Aurinko,
Maa  ja Kuu ovat samalla suoralla. Piirros Kari A. Kuure.
V: Aika uusikuusta uusikuuhun (=synodinen kuukausi) on 29,5306 vuorokautta pitkä. Tästä syystä vuodessa on 12 tai 13 uusikuuta tai täysikuuta. Tämän perusteella voisi siis olettaa, että vuodessa esiintyisi vastaava määrä pimennyksiä. Selvästikään näin ei ole ja syykin on selvä; jotta pimennys voisi tapahtua, Kuun täytyy olla Maan kiertoradan tasossa tai ainakin hyvin lähellä sitä[1]. Tästä syystä pimentymisiä esiintyy korkeintaan seitsemän kertaa vuodessa, useimmin kuitenkin neljä tai viisi kertaa. Auringonpimennyksiä voi esiintyä enintään kolme, tavallisesti kaksi, ja kuunpimennyksiä neljä mutta tavallisesti kaksi tai kolme.


Kuun ratataso on noin 5° kulmassa Maan ratatasoon nähden.
Piirros Kari A. Kuure.
Huomautukset

[1] Kuun ratataso on 5,15° kallellaan Maan kiertoradan tasoon nähden. Ratatasojen leikkauspisteitä kutsutaan solmuiksi: nouseva solmu on kun Kuun liike on etelästä pohjoiseen, ja laskeva solmu kun Kuu liikkuu pohjoisesta etelään. Pohjoinen ja etelä viittaavat suuntiin avaruudessa, jotka vastaavat maapallon pallonpuoliskojen suuntia.

K: Onko totta, että pimennykset toistuvat sarjoittain?

V: Auringon ja kuunpimennykset toistuvat niin maantieteellisesti kuin pimennystyypiltään jaksoissa, joita kutsutaan Saros-jaksoksi. Samaan sarjaan kuuluvien pimennysten ajallinen etäisyys toisistaan on 18 vuotta 11,3 vrk (223 synodista kuukautta = Saros-jakso). Yhden Saros-jakson välein toistuvat pimennykset muodostavat Saros-sarjan, joiden pituudet vaihtelevat 1200–1600 vuoden välillä. Samanaikaisesti on menossa useita kymmeniä Saros-sarjoja.

Samaan Saro-sarjaan kuuluvat perättäiset kuunpimennykset
siirtyvä hieman jokaisella pimennyskerralla
pohjois-eteläsuunnassa.
Samaan Saros-sarjaan kuuluvat auringonpimennykset alkavat jommallakummalla napa-alueella esiintyvällä osittaisella pimennyksellä. Kuunpimennykset näkyvät auringonpimennyksiä laajemmalla alueella ja mutta pimennysten ominaisuudet toistuvat Saros-sarjaa noudattaen.

Auringonpimennysten seuratessa toisiaan samassa sarjassa, pimennysten maantieteellinen leveys siirtyy kohti Maan ekvaattoria ja sen ylittämisen jälkeen kohti toista napa-aluetta, jossa pimennykset esiintyvät jälleen osittaisena.

Maantieteellisessä pituudessa tapahtuu sarjaan kuuluvien pimennysten välillä noin 120° muutos länteen. Tämä johtuu Saros-jakson pituudesta, joka on 0,3 vuorokautta täyttä vuorokautta pidempi. Maapallo ehtii pyörähtämään itsensä ympäri noin 120° 0,3 vuorokauden eli 8 tunnin aikana.

Maapallon pyörimisen hidastumisesta johtuen pimennysten paikka kolmen Saros-jakson jälkeen ei ole täysin edellistä vastaavalle pituuspiirillä, vaan on hieman siirtynyt kohti itää. Tämä siirtymä paljasti maapallon pyörimisen hidastumisen Edmund Halley:lle (1656–1742) hänen verratessaan historiallisia tietoja havaituista auringonpimennyksistä laskemalla saatuihin.

K: Missä ja milloin täydellinen auringonpimennys näkyy?

Maaliskuun 20. 2015 näkyvän auringonpimennyksen
täydellisen näkymisen vyöhyke kulkeen Pohjois-
Atlantilla.
Kuva NASA Goddard Space Flight Center.
V: Täydellinen auringonpimennys näkyy alueilla joissa Kuun täysvarjo kohtaa maanpinnan. Tavallisesti täysvarjon reitti on enemmän tai vähemmän S- tai C-kirjaimen muotoinen ja etenemissuunta yleensä lännestä itään. Poikkeuksena ovat aivan napa-alueilla näkyvät pimennykset, joissa Kuun varjo projisoituu maantieteellisen navan ylitse maanpinnalle. Näin voi tapahtua seisauspäivien aikoihin pohjoisen tai eteläisen pallonpuoliskon keskikesällä. Tällöin varjon etenemissuunta on idästä länteen.

Täydellisen auringonpimennyksen ajalliseen pituuteen vaikuttaa Kuun etäisyys maapallosta: mitä lähempänä Kuun on, sitä pidempi pimennys. Myös havaintopaikan maantieteellinen sijainti vaikuttaa pimennyksen kestoon jonkin verran.

Pisimmillään täydellinen auringonpimennys kestää hieman alle 7,5 minuuttia. Rengasmaisen auringonpimennyksen kesto on pidempi, jopa yli 11 minuuttia. Nämä ovat siis pisimpiä mahdollisia kestoja ja siten harvoin toteutuvia. Tavallisesti pimennyksen kesto on joitakin minuutteja.

K: Ovatko kaikki auringonpimennykset samanlaisia?


V: Kuun etäisyys vaikuttaa keskeisen auringonpimennyksen (täydellisen vaiheen) tyyppiin. Pimennys voi olla täydellisen lisäksi rengasmainen, jolloin Kuu on niin etäällä maapallosta, että se ei peitä kokonaan Aurinkoa, vaan reunoilta jää näkyviin rengasmainen osa. Joskus pimennys on yhdistelmä näistä kahdesta päätyypistä. Silloin pimennystä kutsutaan hybridiksi ja niitä esiintyy nykyisin noin kerran kymmenessä vuodessa.

Täydellisen auringonpimennyksen aikana Kuun varjo koskettaa
maanpintaa ja varjo on sitä leveämpi mitä lähempänä
Kuu on Maata. Piirros Kari A. Kuure.
Täydellinen auringonpimennys näkyy osittaisena ennen ja jälkeen täydellisen vaiheen mutta myös muualla kuin Kuun täysvarjon reitin alueella. Osittainen pimennys on sitä vähäisempää mitä etäämmältä havaitaan. Osittaisia pimennyksiä esiintyy myös napa-alueilla, jolloin Kuun täysvarjo ohittaa maapallon napojen yläpuolelta[2].

Huomautus

[2] Maaliskuun 20. päivänä nähtävä pimennys on Saros-sarjan 120 61. pimennys ja pimennyksiä tässä sarjassa on kaikkiaan 71. Pimennyksen kesto on 2 m 47 s Islannin kaakkoispuolella Färsaarista pohjoiseen.

Rengasmaisen auringonpimennyksen aikana Kuun varjo
ei ulotu maanpinnalle asti, koska Kuu on ratansa etäisimmässä
osassa. Piirros Kari A. Kuure.

K: Missä ja milloin  kuunpimennys näkyy?

V: Kuunpimennykset näkyvät niillä maapallon alueilla, joissa Kuu on horisontin yläpuolella pimennyksen tapahtuessa. Pimennysten edellytyksenä oleva solmupisteen läheisyysvaatimus ei ole aivan yhtä tiukka kuin auringonpimennyksellä, sillä maapallon varjon halkaisija suhteessa Kuun kokoon on paljon suurempi kuin Kuun täysvarjon halkaisija[3] maanpinnalla. Tästä syystä kuunpimennyksiä osittaiset pimennykset mukaan lukien tapahtuu useammin kuin auringonpimennyksiä.

Kuunpimennys alkaa puolivarjopimennyksellä. Tällöin Kuuta valaisee vain osittain peittynyt Aurinkoa ja Kuun kokonaiskirkkaus on vain vähän vähentynyt. Usein Kuun on pimennyksen aikana niin etäällä solmupisteestään, että varsinaista täysvarjopimennystä ei tapahdu.

Täysvarjopimennyksessä Kuu siirtyy maapallon täysvarjoon, jolloin valaistus tulee kokonaan maapallon ilmakehän lävitse. Kuun väri on punaisen ja kupariruskean eri sävyjä siten, että täysvarjon keskustan lähellä oleva Kuun osan kirkkaus on vähäisin. Toisin sanoen kuunpimennyksen värinmuutos johtuu aivan samasta syystä kuin mitä tapahtuu auringonlaskun yhteydessä maanpinnalla.

Kuun puolivarjopimennyksen kirkkauden väheneminen on
vähäistä. Kuva Kari A. Kuure.
Kuunpimennys päättyy päinvastaisessa järjestyksessä Kuun siirtyessä ensin puolivarjoon ja sen jälkeen kokonaan pois täyteen valaistukseen. Ajallisesti kuunpimennys on pisin silloin, kun Kuu kulkee keskeisesti täysvarjon läpi. Pimennyksen kesto on maksimissaan osittaisen vaiheen alusta osittaiseen vaiheen loppuun hieman alle 4 tuntia ja täydellisen vaiheen 1 h 46 min.

Samaan Saros-sarjaan[4] kuuluvat kuunpimennykset alkavat joukolla osittaisia puolivarjopimennyksiä, niitä seuraa joukko puolivarjopimennyksiä. Tämän jälkeen vuorossa on joukko osittaisia pimennyksiä, jossa Kuun käy osittain täysvarjossa. Lopulta vuorossa olevat pimennykset tapahtuvat kokonaan täysvarjossa. Tästä eteenpäin toisiaan seuraavat sarjan pimennykset tapahtuvat käänteisesti mutta nyt vastakkaisella puolella maapallon täysvarjoa.

Huomatukset

 [3] Täysvarjo leveys maanpinnalla riippuu Kuun etäisyydestä. Rengasmaisen auringonpimennyksen aikana täysvarjo ei ulotu maanpinnalle ja Kuun ollessa lähimmillään pimennyksen aikana, varjon leveys voi olla yli 400 km leveä. Rengasmaisessa pimennyksessä korkeilla leveyksillä pimennys voi näkyä rengasmaisena jopa yli 600 km leveällä vyöhykkeellä.

[4] Huhtikuun 4. päivänä esiintyvä pimennys on Saros-sarjan 132  30. pimennys. Jaksossa on kaikkiaan 71 kuunpimennystä ja sarjan pituus on 1262 vuotta.