Tähtitieteen LUMA-työpaja

Transkriptio

1 Tähtitieteen LUMA-työpaja (Ohje työpajaan, jota käsiteltiin MAOL:in syyspäivillä 2016) Pertti Rautiainen Tähtitieteen tutkimusyksikkö Oulun yliopisto

2 Tähtitieteen LUMA-työpaja: Maa on planeetta taustatietoa Työpaja koostuu lyhyestä johdannosta ja kahdesta demonstraatio-osuudesta, joista ensimmäinen havainnollistaa Maata suunnilleen pallomaisena kappaleena, toinen puolestaan tähtien nousua ja laskua eri puolilta maapalloa havaittuna. Toisessa osiossa käsitellään myös vuoden mittaan tapahtuvia muutoksia tähtitaivaalla. Kolmannessa osiossa tarkastellaan Maata osana Aurinkuntaa. Johdanto Maa on muodoltaan lähes pallomainen. Paikkakuntien sijainti Maan pinnalla voidaan ilmaista leveys- ja pituusasteina, Oulu on leveyspiirillä 65 pohjoista leveyttä ja likipitäen pituuspiirillä 23,5 itäistä pituutta. Tämä tarkoittaa sitä, että Oulu on toisaalta 65 päässä pohjoiseen päiväntasaajalta, toisaalta se on = 25 astetta pohjoisnavalta. Pituuspiiri taas on mitattu Greenwichin nollameridiaanin suhteen. Maapallo Mercator-projektiossa kuvattuna. Wikimedia Commons: Strebe Pallopintaa on mahdotonta projisoida tasolle ilman vääristymiä. Tämän seurauksena kaikki kartat (pallokartta poislukien) ovat vääristyneitä mantereiden koot tai muodot tai molemmat ovat virheellisiä. Jos koko maapallon kuvaa suositussa Mercator-projektiossa siten, että päiväntasaaja on keskellä karttaa (kts. yllä oleva kuva), niin Grönlanti näyttää selvästi Australiaa suuremmalta. Todellinen kokosuhde selviää alla seuraavasta kuvasta.

3 Grönlannin ja Australian todellinen kokosuhde. Wikimedia Commons: Siebengang Lyhin matka kahden pallon pinnalle sijaitsevan pisteen välillä kulkee pitkin niin sanottua isoympyrän kaarta pallon pinnalla, eli kaarta jonka synnyttää pallon keskipisteen kautta kulkeva leikkaustaso. Pituusasteet ovat isoympyröitä, mutta leveyspiireistä ainoastaan päiväntasaaja on sellainen. Tämä tarkoittaa sitä, että lyhin reitti kahden samalla leveyspiirillä sijaitsevan paikkakunnan välillä ei kulje pitkin leveyspiiriä, vaan voi tehdä huomattavankin koukkauksen etelään tai pohjoiseen! Maan kierto Auringon ympäri. Wikimedia Commons: Tao'lunga Maa kiertää Auringon ympäri kerran vuodessa samalla kun se pyörii akselinsa ympäri noin 365 kierrosta. Maa siis tekee samanaikaisesti kahta liikettä, jotka molemmat vaikuttavat tähtien ja muiden taivaankappaleiden näkymiseen. Maan rata on lähes ympyrän muotoinen, joten Maan

4 etäisyys Auringosta ei juuri muutu vuoden mittaan - itse asiassa Maa on lähimmillään Aurinkoa pohjoisen pallonpuoliskon talven aikana! (Wikimedia Commons: Rhcastilhos) Vuodenaikojen vaihtelut liittyvät kyllä Maan kiertoon Auringon ympäri, mutta niiden varsinainen syy on se, että maapallon pyörimisakseli on kallellaan kiertoradan suhteen. Kesällä Aurinko on pidemmän aikaa näkyvissä ja nousee korkeammalle taivaalla. Talvella Aurinko on näkyvissä vain vähän aikaa ja sen säteily tulee niin viistosti maanpintaan ettei se juuri lämmitä. Pohjoisella pallonpuoliskolla päivä on pisimmillään kesäpäivänseisauksen ( ) aikaan ja lyhimmillään talvipäivänseisauksen ( ) aikaan. Yö ja päivä ovat yhtä pitkiä (kaikkialla maapallolla) kevät- ja syyspäiväntasauksien ( ja ) aikaan. Maan vuotuiseen kiertoon liittyviä ilmiöitä nähdään myös tähtitaivaalla. Pohjoisilla leveysasteilla tähdet eivät näy juuri ollenkaan kesäaikaan, hyvin pohjoisessessa Aurinko ei laske ollenkaan ja muuallakin se ei painu tarpeeksi paljon horisontin alapuolelle. Toisaalta talvella tähdet ovat pitkään näkyvissä. Lähempänä päiväntasaajaa yön pituudessa ja valoisuudessa ei ole juuri vaihteluita vuoden mittaan. Juhannusyön pimein hetki Ähtärissä (Pertti Rautiainen)

5 Taivaanpallo. Wikimedia Commons: Dna-webmaster Tähtien näkymistä taivaalla voi havainnollistaa sijoittamalla ne Maata ympäröivän kuvitteellisen taivaanpallon pinnalle - todellisuudessa tähdet ovat meistä hyvin erilaisilla etäisyyksillä. Kun Maa pyörii akselinsa ympäri, tähdet näyttävät kiertävän taivaannapojen ympäri. Taivaannavat vastaavat Maan pyörimisakselin suuntaa taivaalla, taivaanpallon ekvaattori puolestaan sijaitsee suoraan Maan päiväntasaajan yläpuolella. Tähtien liike pohjoisen taivaannavan ympäri. Wikimedia Commons: TopTechwriter.US Pohjoinen taivaannapa sijaitsee melko lähellä Pohjantähteä, jota voi käyttää apuna suunnistamisessa. Lähellä taivaannapaa olevat tähdet ovat aina näkyvissä jos vain on pimeää.

6 Oulussa ne tähdet, joiden etäisyys pohjoisesta taivaannavasta on korkeintaan 65 ovat aina näkyvissä, ne taas joiden etäisyys taivaanpallon ekvaattorista on vähintään 25 etelään eivät näy koskaan Oulussa. Tällä välillä olevat tähdet nousevat ja laskevat. Maan kierto Auringon ympäri nähdään tähtitaivaalla kahdella tavalla. Se näkyy Auringon vuotuisena liikkeenä - Aurinko kulkee pitkin ns. Eläinrataa. Maan liikkeen huomaa myös tähtikuvioiden näkymisen vuotuisena kiertona, tähdet nousevat joka päivä noin neljä minuuttia aiemmin kuin edellisenä päivänä. Tämä johtuu siitä, että kalenterivuorokausi ja samalla kellonajat on määritetty Auringon näkymisen suhteen, mutta siihen vaikuttaa Maan pyörimisen lisäksi myös Maan kiertoliike Auringon ympäri. Aurinko näkyy samassa suunnassa 24 tunnin välein, mutta Maan pyörähdysaika akselinsa ympäri on nelisen minuuttia lyhempi. Kuu kiertää Maan ympäri samalla kun ne yhdessä kiertävät Auringon ympäri. Koska maapallo pohjoisesta katsoen pyörii vastapäivään, tähdet näyttävät liikkuvan myötäpäivään. Kuunkin vuorokautinen liike taivaalla tapahtuu myötäpäivään, mutta tarkemmin katsottaessa huomataan sen liikkuvan tähtien suhteen vastapäivään, se siis kiertää Maata samaan suuntaan kuin Maa pyörii akselinsa ympäri. Kuu kääntää Maahan päin aina saman puolen, toisin sanoen sen pyörähdysaika on sama kuin sen kiertoaika Maan ympäri. Koska Kuu ei ole omavaloinen taivaankappale, vaan se heijastaa Auringon valoa, niin sen kuukausittaisen liikkeen aikana valaistusolosuhteet vaihtelevat - havaitsemme kuunvaiheet. Kuun ratataso on kallistunut Maan ratatason suhteen, joten yleensä Maa, Kuu ja Aurinko eivät sijaitse tarkalleen ottaen samalla suoralla Kuun ratakierroksen aikaan. Toisinaan näin kuitenkin tapahtuu silloin havaitaan auringonpimennys (Kuu on Maan ja Auringon välissä) tai kuunpimennys (Maa on Auringon ja Kuun välissä, ja Kuu joutuu Maan varjoon). Auringonpimennys Oulussa Pertti Rautiainen

7 Kaikki Aurinkokunnan kahdeksan planeettaa kiertävät Aurinkoa suunnilleen samassa tasossa, myös kiertosuunta on niillä sama. Planeettojen näennäinen liike taivaalla on kuitenkin hyvin mutkikasta, sillä siinä näkyy sekä Maan liike Auringon ympäri, että planeetan vastaava liike. Esimerkiksi kun Maa ohittaa omassa rataliikkeessään ulkoplaneetan, niin planeetan näennäinen kiertosuunta taivaalla muuttuu joksikin aikaa päinvastaiseksi palatakseen sitten tavalliseen suuntaansa. Tälle ilmiölle esitettiin maakeskeistä mallia suosineessa antiikin Kreikassa varsin kekseliäitä selityksiä, mutta aurinkokeskisessä mallissa selitys on hyvin yksinkertainen. Kun Maa (sininen) ohittaa ulkoplaneetan, esimerkiksi Marsin (punainen), ulkoplaneetan näennäinen liike taivaalla muuttuu tilapäisesti käänteiseksi ja voi piirtää silmukan tai Zorron merkin. Wikimedia Commons: Brian Brondel Seuraavaksi varsinaisen työpajan ohje.

8 TÄHTITIETEEN TYÖPAJA käyttäen ohjelmia Google Earth, Stellarium ja Celestia (ajat viitteellisiä) Tähtitieteen työpaja koostuu lyhyestä johdannosta ja kolmesta demonstraatio-osuudesta. Ensimmäinen demonstraatio havainnollistaa Maata suunnilleen pallomaisena kappaleena, toinen puolestaan tähtien nousua ja laskua eri puolilta maapalloa havaittuna tämähän on seurausta Maan pyörimisestä akselinsa ympäri. Toisessa osiossa käsitellään myös vuoden mittaan tapahtuvia muutoksia tähtitaivaalla, jotka ovat suurelta osin seurausta Maan kiertoliikkeestä Auringon ympäri. Kolmannessa osiossa tarkastellaan Maata suhteessa muihin aurinkokunnan kappaleisiin millaisilla radoilla planeetat kiertävät Auringon ympäri, minkälaisen järjestelmän ne muodostavat. Kaikki demonstraatioissa käytettävät ohjelmat (Google Earth, Stellarium ja Celestia) ovat saatavissa ilmaiseksi yleisimpiin tietokoneiden käyttöjärjestelmiin (Windows, MacOS, Linux). Google Earthin mobiiliversio on ilmainen, Stellariumin taas maksaa muutaman euron. Celestiasta ei ole valitettavasti olemassa mobiiliversiota, mutta ainakin osan samasta toiminnallisuudesta toteuttavia ohjelmia pitäisi löytyä. Google Earth ja Stellarium ovat saatavana suomenkielisillä käyttöliittymillä, Celestia ei. Ainakin Stellariumissa ja Celestiassa voi kirjoittaa omia skriptejä monimutkaisempien demonstraatioiden toteuttamiseksi tämä mahdollisuus voi kiinnostaa esimerkiksi ohjelmointia harrastavia lukiolaisia. Dokumentaatio on tosin englanniksi, eikä välttämättä vastaa täsmälleen uusinta ohjelmaversiota. Stellariumiin on mahdollista ladata kohdeluetteloita, jotka moninkertaistavat ohjelman näyttämien tähtien lukumäärän. Tämä voi tosin hidastaa ohjelman pyörimistä. Celestiaan on puolestaan ladattavissa suunniteltuja. useita "lisäpalikoita", joista osa on opetustarkoitukseen

9 A. Maa on pallomainen, Google Earth -ohjelma (n. 30 min) A1. Etsi kotisi Maan pinnalta. VINKKI: Huomaa, että eri alueet ovat hyvin eri tavalla edustettuina ohjelmassa: joistakin alueista on uusia ja tarkkoja ilmakuvia + streetview-kamera-auton ottamia kuvia, osa kuvista saattaa olla useammankin vuoden takaa ja monet alueet ovat näkyvissä vain melko alhaisen resoluution satelliittikuvina. A2. Millainen on suorin reitti Kairosta Los Angelesiin, toisin sanoen isoympyräreitti, kuinka kauas pohjoiseen se ylettyy? VINKKI: käytä viivain-työkalua (työkalurivi tai valikosta Tools - Ruler), Maata voi ohjelmassa pyörittää myös nuolinäppäimillä VINKKI: jos kartan asento on "hassu", niin oikeassa yläkulmassa olemalla kiekkovalitsemella voi kääntää taas pohjoisen (N) osoittamaan ylöspäin VINKKI: kadunpintatason näkymästä pääsee pois painamalla nappia "Exit Streetview". A3. Miten kauas Oulusta voi matkustaa, ts. mikä maailman kolkka on vastakkaisella puolella? A4. Vierailua kuuluisilla paikoilla tai toisilla taivaankappaleilla (Kuu, Mars) VINKKI: viivaintyökalulla voit mitata myös Kuun tai Marsin pinnanmuotojen kokoja

10 B. Tähtitaivas Stellarium-ohjelmalla havainnollistettuna (n. 30 min) VINKKEJÄ: -älä laita yötilaa päälle! -älä painele nopeasti lisää vauhtia animointiin, vaan lisää sen nopeutta maltillisesti! Jos näyttö alkaa välkkymään, paina alareunan liukuvalikon play-näppäintä tai poistu ohjelmasta ja käynnistä se uudelleen. B1. Aseta ohjelmassa havaintopaikaksi Oulu, mikäli se ole automaattisesti jo asennettuna B2. kelaa ajassa eteenpäin niin että Aurinko laskee ja tähdet ilmestyvät taivaalle, huom: nyt on toukokuu, jos ei meinaa tulla tarpeeksi pimeää, niin voi vaihtaa kuukautta vasemmalta sivulta ilmestyvän liukuvalikon aika-asetuskohdasta B3. Tähtikuviot viivoina ja taruhahmoina (ohjelmassa on hienot tähtikuviopiirrokset) Huom: tähtikuviot ovat ihmisen mielikuvituksen tuotosta, niiden tähdet sijaitsevat hyvinkin erilaisilla etäisyyksillä meistä käsin, voit saada klikkaamalla lisätietoa yksittäisistä tähdistä! B4. Kokeile zoomausta yksittäisiin kohteisiin taivaalla, esimerkiksi johonkin tähtisumuun tai planeettaan (esim. Jupiter kuineen on hyvin näkyvissä yöllä) B5. Seuraa yksittäisten tähtien tai tähtikuvioiden liikettä taivaalla (voit muuttaa animoinnin nopeutta kelausnäppäimistä) missä suunnassa tähti on korkeimmillaan taivaalla? B6. Pysäytä ajan kulku ja ota esiin päivämääräikkuna mitä tapahtuu kun hyppäät yhden päivän tai kuukauden eteen tai taaksepäin? B7. Kokeile noin vuorokauden mittaista taivaan animointia a) keskikesällä, b) syksyllä, c) keskitalvella. B8. Ota esiin vasemman reunan liukuvalikon paikkakuntaikkuna mitä tapahtuu kun siirrät havaintopaikan etelämmäksi pysyen kuitenkin samalla pituuspiirillä?

11 C. Maapallo osana Aurinkokuntaa, Celestia-ohjelma (n. 20 min) C1. Avaa Celestia ja aseta Maa ruudun keskelle. Lisää valikoista (Windows: Render-View Options, Linux: Options - Show Orbits) näytettäviä asioita, esimerkiksi planeettojen radat on hyvä valinta tämän työn kannalta. C2. Valitse Maa keskipisteeksi. Zoomaa ulospäin (hiiren rullalla) siten, että Kuu mahtuu kuvaan. Tämä havainnollistaa hyvin sitä, miten Kuun kiertoetäisyys suhtautuu Maan ja Kuun kokoihin. C3. Voit nopeuttaa ajan kulumista painamalla L-kirjainta, tai hidastaa painamalla Kkirjainta. C4. Zoomaa vielä ulospäin kunnes näkyviin ilmestyy muidekin planeettojen ratoja. Huomaa kuinka pieniä planeetat ovat suhteessa kiertoratoihinsa. C5. Seuraa planeettojen ja Auringon liikettä silloin kun Maa pidetään keskipisteessä. Vaihda keskipiste Aurinkoon ja tee samoin. C6. Zoomaa sellaiselle etäisyydelle, että kaikkien kahdeksan planeetan radat ovat näkyvissä. Pidä hiiren oikeaa näppäintä pohjassa ja käännä näkymää siten, että katsot Aurinkokuntaa sivulta päin planeetat kiertävät todellakin Aurinkoa lähes samassa tasossa. Ja vieläpä samaan suuntaan. Tämä kertoo paljon Aurinkokunnan synnystä. Vapaaehtoisia lisätehtäviä kouluun/kotiin -Asenna Google Earth, Stellarium ja Celestia kotikoneellesi -Stellariumilla voi tarkastella myös auringon- ja kuunpimennyksiä, kunhan vain tietää tarkan ajankohdan ja havaintopaikan, josta se oli näkyvissä. -Maapallon ilmastoon ja säähän liittyviä asioita (lämpötilat, tuulet, merivirrat) havainnollistava sivusto earth.nullschool.net, on myös vierailemisen arvoinen. -Monenlaista tähtitieteeseen liittyvää materiaalia (myös koululaisille sopivia projekteja) löytyy NASA:n sivuilta: