torstai 17. joulukuuta 2015

Auringon lämpötila

1. ydin, 2. säteilyvyöhyke, 3. konvektiivinen kerros,
4. fotosfääri, 5. kromosfääri, 6. korona, 7. auringonpilkkuja,
8. granulaatiota ja 9. silmukkaprominenssi.

K: Kuinka kuuma Aurinko on?

V: Aivan yksiselitteistä vastausta ei voi antaa. Lämpötila Auringossa vaihtelee hyvin paljon, riippuen sitä mitä kohtaa tarkastelemme. Joitakin hieman yleisluonteisia lukuarvoja voidaan kuitenkin ilmoittaa.

Auringon efektiivinen lämpötila on 5 777 K[1]. Tämä lämpötila tarkoittaa sitä, että jos Aurinko olisi fysiikassa määritelty musta kappale[2] (jota se todellisuudessa on hyvin lähellä), niin sen lämpötila olisi tuo mainittu. Näin ollen voimme hyvällä syyllä ilmoittaa, että Auringon lämpötila on noin 6 000 °C.

Auringon energia tuotetaan sen ytimessä, joka ulottuu noin 146 160 km etäisyydelle säteestä. Ytimen halkaisija on siis noin 300 000 km. Tässä pienessä pallossa syntyy kaikki Auringon säteilemä energia. Jotta energiaa tuottavat ydinfuusiot voisivat tapahtua, tarvitaan yli 10 miljoonan kelvinin lämpötila ja tiheyden täytyy olla suurempi kuin kullan tiheys. Käytännössä Auringon ytimen korkein lämpötila on noin 15 miljoonaa kelviniä ja tiheys on noin kahdeksankertainen kullan tiheyteen verrattuna.

Ytimen ulkopuolella on säteilyvyöhykkeeksi nimetty kerros. Nimitys johtuu energian siirtymistavasta, joka on sähkömagneettisen säteilyn emittoituminen ja absorboituminen. Kerroksen lämpötila putoaa alaosan 10 miljoonasta yläosan pariin miljoonaan kelviniin.

Auringon säteen ylimmän osan muodostaan konvektiivinen kerros. Se käsittää suunnilleen Auringon ylimmän kolmanneksen. Lämpötilan tämän kerroksen alaosassa on noin 2 miljoonaa kelviniä. Noustaessa ylöspäin kohti Auringon pintaa, lämpötila laskee ja saavuttaa noin 10 000 K lämpötilan kerroksen yläosassa.

Auringon kromosfääri ja prominensseja.
Kuva © Kari A. Kuure.
Auringon pinta (kaasukehä) jaetaan kolmeen osaan, joista alin on fotosfääri. Tämä on se kerros, jonka näemme näkyvässä valossa ja jota pidämme ”Auringon pintana”. Lämpötila kerroksen alaosassa on jo painittu 10 000 K mutta se putoaa noin 500 km matkalla noin 6 000 K:iin. Tästä ylöspäin lämpötila kohoaa hitaasti.

Noin 900 km korkeudella fotosfäärin alareunasta tullaan kromosfäärin alueella. Tämä kerroksen säteilemä valo on vielä näkyvän valon aallonpituus alueella (punainen), mutta valon voimakkuus on niin vähäinen, että tarvitaan erikoissuodattimella[3] varustettu kaukoputki sen näkemiseen. Kromosfäärin lämpötila on noin 8 000 – 10 000 K.

Noin 2 000 km korkeudella tapahtuu todella ihmeellistä, lämpötila kohoaa hyvin lyhyellä matkalla puoleen miljoonaan kelviniin, alue muodostaa Auringon koronan alimman kerroksen. Tämän jälkeen lämpötila kohoaa hieman rauhallisemmin ja miljoonan asteen lämpötila saavutetaan noin 3 000 km korkeudella. Korona ei suinkaan pääty tähän, vaan se jatkuu noin 2/3 säteen päähän fotosfääristä. Lämpötila kohoaa edelleen ja saavuttaa noin 3 miljoonaa kelviniä koronan ulkorajalla.

Fostosfäärissä esiintyy Auringon magneettikentän aikaansaamia ilmiöitä, joita kutsumme auringonpilkuiksi. Niillä on oma rakenteensa, joka johtuu alueilla vallitsevista voimakkaista magneettikentistä. Auringonpilkun ytimenä on voimakkaan magneettikentän alue, jossa lämpötila putoaa noin tuhannen kelvinin verran, eli lämpötila voi olla alle 5 000 kelviniä. 

Auringonpilkun ytimen, umbran, ulkopuolella on hieman heikomman magneettikentän alue, jota kutsutaan penumbraksi. Sen lämpötila asettuu ympäristön ja umbran väliin, ollen noin 5 500 K.

Auringonpilkkujen ympäristöön usein syntyy hieman kirkkaampi ja samalla lämpötilaltaan hieman korkeampaa verkkomaista rakennetta, jota kutsutaan fagulaksi. Näiden lämpötila on noin 6 000 – 8 000 K. Faguloita voi nähdä etenkin Auringon reunatummentuman alueella ja niihin ei aina liity auringonpilkkuja.

Auringonpilkkujen läheisyydessä voi tapahtua flare-purkauksia. Ne ovat magneettisia ”oikosulkuja” ja niissä vapautuu hyvin suuri määrä energiaa lähinnä gammasäteilynä. Osa gammasäteilystä imeytyy syntyalueensa lähistöllä Auringon plasmaan, jolloin sen lämpötila kohoaa nopeasti ja saavuttaa useiden kymmenien miljoonien kelvinien lämpötilan.

 Huomautukset

[1] Fysiikassa lämpötila ilmoitetaan Kelvin-asteina.  Asteikon nolla on absoluuttinen nollapiste (–273,16 °C) ja yksikkö on saman suuruinen kuin käyttämänne Celsius-asteikon. Näin ollen lämpötilan ollessa 0 °C se vastaa 273 K (kelviniä). Kelvineinä ilmoitetun lämpötilan voi ilmoittaa Celsius-asteina lisäämällä lukuun 273. Vastaavasti Celsius-asteina ilmoitetun lämpötilan voi muuttaa Kelvineiksi vähentämällä luvusta 273.

[2] Fysiikassa mustalla kappaleella tarkoitetaan ideaalista kappaletta, joka absorboi kaiken siihen kohdistuneen sähkömagneettisen säteilyn. Toisin sanoen kappale ei heijasta valoa lainkaan. Musta kappale säteilee vastaanottamansa energiaan ja sen säteilyn huipun aallonpituus riippuu yksinomaan kappaleen lämpötilasta. Musta kappale pyrkii aina termiseen tasapainoon ympäristönsä kanssa, toisin sanoen sen absorboima energia on yhtä suuri kuin sen emittoima energia. Mustan kappaleen säteilyn suurimman säteilyvoimakkuuden aallonpituus määräytyy Wienin siirtymälain mukaisesti: aallonpituus on kääntäen verrannollinen kappaleen lämpötilaan.

[3] Erittäin kapeakaistainen vety-alfa suodatin.