Tähtitieteen LUMA-työpaja

(Ohje työpajaan, jota käsiteltiin MAOL:in syyspäivillä 2016)

Pertti Rautiainen

Tähtitieteen tutkimusyksikkö

Oulun yliopisto

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 90° - 65° = 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.

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

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 (20.-22.6.) aikaan ja

lyhimmillään talvipäivänseisauksen (21.-22.6.) aikaan. Yö ja päivä ovat yhtä pitkiä (kaikkialla

maapallolla) kevät- ja syyspäiväntasauksien (20.-21.3. ja 22.-23.9.) 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)

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.

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 20.3.2015. Pertti Rautiainen

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.

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 useita "lisäpalikoita", joista osa on opetustarkoitukseen

suunniteltuja.

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

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?

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 K-

kirjainta.

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: www.nasa.gov