1. No category

Aurinkokunta, yleisiä ominaisuuksia
Antiikin aikaan Auringon ja Kuun lis¨aksi tunnettiin viisi kappaletta, jotka liikkuivat t¨
ahtitaivaan suhteen:
Merkurius, Venus, Mars, Jupiter ja Saturnus. N¨ait¨
a kutsuttiin planeetoiksi kreikan vaeltajaa tarkoittavan
sanan mukaisesti. My¨
os Aurinko ja Kuu luettiin planeettoihin ⇒ 7-p¨aiv¨
ainen viikko.
1700-luvulle t¨ahtitiede oli l¨
ahinn¨a aurinkokunnan tutkimista.
1960-luvulta alkaen aurinkokunnan kohteita p¨
a¨astiin tutkimaan luotaimilla l¨
ahiet¨aisyydelt¨
a.
Havainnot muista planeettaj¨arjestelmist¨a ⇒ uusia ajatuksia aurinkokunnan kehityksest¨
a.
Maan l¨
ahelle tulevien pienkappaleiden aiheuttama uhka ⇒ k¨
ayt¨ann¨
on mielenkiinto.
Aurinkokunnan et¨
aisyydet on havainnollisinta ilmoittaa k¨
aytt¨am¨
all¨
a mittayksikk¨on¨
a Maan ja Auringon v¨
a11
list¨a et¨
aisyytt¨a, astronomista yksikk¨o¨a, 1 AU = 1.495 978 70 × 10 m.
L¨ahin t¨ahti, Proxima Centauri, on runsaan 270 000 AU:n p¨
a¨ass¨a.
Tarkkaan ottaen astronominen yksikk¨o on m¨
a¨aritelm¨
an mukaan sellaisen planeetan radan isoakselin puolikas,
jolla ei ole lainkaan massaa, mutta jonka kiertoaika on sama kuin Maan. Koska my¨
os Maan oma massa vaikuttaa sen liikkeeseen, Maan radan isoakselin puolikas on hieman astronomista yksikk¨o¨a suurempi.
Rataelementit
a isoakselin puolikas.
e radan eksentrisyys, ympyr¨
aradalle e = 0, ellipsille 0 < e < 1.
i inklinaatio, radan kaltevuus ekliptikan suhteen.
Ω nousevan solmun pituus.
ω perihelin argumentti.
τ periheliaika.
ekliptika
laskeva
solmu
−e)
i
a(1
periheli
ω
a
id
va
ivii
apheli
s
ap
Ω
nouseva
solmu
Kohteiden luokittelu
IAU esittii vuoden 2006 yleiskokouksessaan aurinkokunnen eri kohteiden m¨
a¨aritelm¨
at.
Kappale on planeetta, jos se toteuttaa seuraavat kolme vaatimusta:
(1) Se kiert¨a¨a Aurinkoa.
(2) Se on niin massiivinen, ett¨
a sen oma painovoima on muokannut sen likimain pallomaiseksi.
(3) Se on aiheuttamillaan h¨
airi¨
oill¨
a poistanut muut kappaleet ratansa l¨
ahist¨olt¨
a.
Jos kappale toteuttaa ehdot (1) ja (2) mutta ei ehtoa (3), se on k¨
a¨api¨
oplaneetta. T¨am¨
an s¨
a¨ann¨
on perusteella
Plutosta tuli k¨
a¨api¨
oplaneetta.
Jos kappale toteuttaa vain ehdon (1), se on pienkappale.
Jos kappale ei t¨ayt¨a ehtoa (1), vaan kiert¨a¨a esimerkiksi jotakin planeettaa, se on kuu eik¨a planeetta olipa se
miten iso tahansa.
Ongelmia:
Kuinka todetaan kaukaisen kappaleen pallomainen muoto?
Miten laajalta alueelta ja miten tyhj¨aksi radan ymp¨arist¨o pit¨
aisi siivota?
Miten kuu ja rengasj¨
arjestelm¨
an pienet kappaleet erotetaan toisistaan?
Neptun
us
Uranu
s
Saturn
us
Jupite
Mars
Maa
Merku
rius
Venus
r
Aurikokuntaamme kuuluu nyt kahdeksan planeettaa: Merkurius, Venus, Maa, Mars, Jupiter, Saturnus, Uranus ja Neptunus. Uusien planeettojen l¨
oytyminen vaikuttaa varsin ep¨atodenn¨
ak¨oiselt¨
a.
planeetat
Eris
Pluto
Ceres
kääpiöplaneetat
Aurinkokunnan planeetat. Nelj¨a sisint¨
a ovat maankaltaisia ja nelj¨
a ulointa j¨
attil¨
aisplaneettoja. Planeettojen alapuolelle on kuvattu kolme k¨
a¨api¨
oplaneettaa. Vasemmalla on Auringon pinta samassa mittakaavassa.
(IAU/Martin Kornmesser)
Aurinkokunnan massajakauma.
osuus (%)
kokonaismassasta
Aurinko
Jupiter
Komeetat
Muut planeetat
Kuut ja renkaat
Asteroidit
P¨
oly
99.80
0.10
0.05
0.04
0.00005
0.000002
0.0000001
Maa
Saturnus
Jupiter
Venus
Mars
Merkurius
asteroidivyöhyke
b)
a)
Pluto
Uranus
Neptunus 10 AU
1 AU
a) Planeettojen radat Merkuriuksesta Marsiin. Kuvaan on piirretty planeettojen asemat 1.1.2000 ja niiden
kuukaudessa liikkuma matka. Katkoviivalla piirretyll¨
a osalla planeetta on ekliptikan tason etel¨
apuolella.
b) Planeetat Jupiterista Neptunukseen ja k¨
a¨api¨
oplaneetta Pluto. Tilanne on 1.1.2000 ja kuvaan on merkitty
planeettojen kymmeness¨
a vuodessa kulkema matka.
Radan perusteella planeetat jaetaan sis¨
a- ja ulkoplaneettoihin. Maasta katsottuna sis¨
aplaneettoja ovat Merkurius ja Venus, jotka liikkuvat Maan radan sis¨
apuolella. Planeetat Marsista Neptunukseen ovat puolestaan
ulkoplaneettoja.
Fysikaalisilta ominaisuuksiltaan planeetat voidaan jakaa kahteen ryhm¨
a¨an: maankaltaisiin ja j¨
attil¨
aisplaneettoihin.
Maankaltaisia planeettoja ovat Merkurius, Venus, Maa ja Mars. Niille tunnusomaista on suhteellisen suuri
tiheys (noin 4000–5000 kg/m3 ), kiinte¨
a pinta ja verrattain pieni koko (l¨
apimitat 5000–13000 km).
Jupiter, Saturnus, Uranus ja Neptunus ovat j¨
attil¨
aisplaneettoja. Niiden keskitiheys on alhainen (noin 1000–
2000 kg/m3 ), ne ovat suurimmaksi osaksi kaasua tai nestett¨a ja l¨
apimitta on kertalukua suurempi kuin maankaltaisilla planeetoilla. Kaikilla on suuri m¨
a¨ar¨
a kuita ja pienist¨a kappaleista koostuva rengasj¨
arjestelm¨
a.
J¨attil¨
aisplaneetat py¨
oriv¨
at nopeasti, sill¨a suuren massan vuoksi kuiden aiheuttamat vuorovesivoimat ovat ehtineet hidastaa py¨
osimist¨
a vain v¨
ah¨
an.
Planeettojen näennäiset liikkeet
C
B
A
a)
C
B
A
b)
a) Marsin n¨
aenn¨ainen rata taivaalla vuoden 1995 opposition aikana. b) Maan ja Marsin keskin¨
aiset asemat
a-kohdan tapauksessa. Marsin Maasta havaitut suunnat muodostavat a¨¨arett¨
om¨
an kauas projisoituina a-kohdan kuvion.
Tavallisesti planeetat kulkevat taivaalla t¨
ahtiin verrattuna it¨
a¨an p¨
ain eli suoraan suuntaan (siis vastap¨
aiv¨
a¨an).
Ulkoplaneetta on oppositiossa ollessaan t¨
asm¨alleen vastakkaisessa suunnassa kuin Aurinko. Almanakoissa oppositio m¨
a¨aritell¨a¨an ajanhetken¨a, jolloin planeetan ja Auringon ekliptikaaliset pituudet poikkeavat toisistaan
tasan 180◦ .
Kun Maa ohittaa ulkoplaneetan, sen liike n¨
aytt¨a¨a k¨
a¨antyv¨
an vastakkaiseksi, ja se etenee jonkin matkaa l¨
anteen p¨
ain taantuvaan eli retrogradiseen suuntaan. Tehty¨
a¨an edestakaisen mutkan tai silmukan planeetta
k¨
a¨antyy taas liikkumaan suoraan suuntaan.
Kun planeetta on samassa suunnassa kuin Aurinko (molempien pituudet ovat samat), se on konjunktiossa.
Planeetta ei aina peity Auringon taakse, koska planeettojen radat ovat kallellaan Maan ratatasoon n¨
ahden.
konjunktio
yläkonjunktio
suurin
läntinen
elongaatio
suurin
itäinen
elongaatio
alakonjunktio
α
Maa
oppositio
Ulko- ja sis¨aplaneetan keskin¨
aisiin asemiin liittyvi¨
a k¨
asitteit¨
a. Kulma α (Aurinko–planeetta–Maa) on nimelt¨a¨an vaihekulma ja kulma Aurinko–Maa–planeetta on elongaatio.
Sis¨aplaneetat, Merkurius ja Venus, voivat olla joko alakonjunktiossa eli Maan ja Auringon v¨
aliss¨
a tai yl¨
akonjunktiossa eli Auringon takana. J¨alkimm¨
ainen vastaa ulkoplaneettojen konjunktiota.
Oppositiossa sis¨aplaneetat eiv¨at voi olla koskaan, vaan ne n¨
akyv¨
at maapallolta katsottuina aina samalla puolella taivasta kuin Aurinko.
Merkurius voi et¨
a¨anty¨
a Auringosta korkeintaan 28◦ ja Venus 47◦ p¨
a¨ah¨
an. Kun sis¨
aplaneetta on kauimpana
Auringosta, sen sanotaan olevan suurimmassa it¨
aisess¨a tai l¨
antisess¨
a elongaatiossa. It¨aisess¨a elongaatiossa
planeetta loistaa iltataivaalla ”iltat¨ahten¨a”, l¨
antisess¨
a elongaatiossa ollessaan se puolestaan n¨
akyy aamutaivaalla.
Kahden per¨akk¨aisen opposition (tai sis¨
aplaneetan alakonjunktion) v¨
alinen aika, tai yleens¨a aikav¨
ali, jonka
j¨
alkeen kahden planeetan keskin¨
ainen asema toistuu samanlaisena, on nimelt¨
a¨an synodinen kiertoaika.
Koska Merkurius ja Venus kiert¨av¨at Maan radan sis¨
apuolella, niill¨a on Maasta n¨
ahtyn¨
a samanlaiset vaiheet
◦
◦
kuin Kuulla. Sis¨aplaneetan vaihekulma α voi saada kaikki arvot v¨
alilt¨
a [0 ,180 ], ja siksi esim. Venus voidaan n¨
ahd¨
a t¨aysivenuksena (kun se on Auringon takana), uusivenuksena (alakonjunktion l¨
ahell¨a) ja kaikissa
vaiheissa t¨alt¨a v¨
alilt¨
a.
0
30
60
120
225
300
400
584
180
Venuksen liike kahden per¨akk¨
aisen yl¨
akonjunktion v¨
alisen¨
a aikana eli yhden synodisen jakson aikana.
0
30
120
180
400
500
687
780
300
Marsin liike kahden per¨akk¨
aisen yl¨
akonjunktion v¨
alill¨
a eli yhden synodisen jakson aikana.
Ulkoplaneetoilla vaihekulma pysyy sit¨a pienemmiss¨
a rajoissa, mit¨a kauemmas Auringosta ja Maasta men◦
n¨
a¨an. Marsille α voi olla korkeintaan 41 , Jupiterille 11◦ ja Neptunukselle vain 2◦ .
Olkoon sisemm¨
an planeetan todellinen (sideerinen) kiertoaika P1 ja ulomman P2 sek¨
a niiden keskin¨
ainen synodinen kiertoaika P1,2 .
Planeettojen keskim¨
a¨ar¨
aiset kulmanopeudet eli keskiliikkeet ovat t¨
all¨
oin 360◦ /P1 ja 360◦ /P2 .
Kun yksi synodinen jakso on kulunut, sisempi planeetta on ehtinyt tehd¨
a radallaan yhden kokonaisen kierroksen enemm¨an kuin ulompi, joten planeettojen liikkumien kulmien v¨
alill¨
a vallitsee yht¨
al¨
o
360◦
360◦
◦
P1,2
= 360 + P1,2
,
P1
P2
joka sieventyy muotoon
1
1
1
=
−
.
P1,2
P1
P2
Ylikulut. Merkuriuksen tai Venuksen kulkua Auringon editse kutsutaan ylikuluksi (transit). Koska planeettojen radat ovat kallellaan ekliptikaan n¨
ahden, ylikulku voi tapahtua ainoastaan planeetan ollessa l¨
ahell¨a
solmua ja samalla alakonjunktiossa.
Merkuriuksen ylikulkuja tapahtuu keskim¨
a¨arin 13 kertaa vuosisadassa. Viimeisin Merkuriuksen ylikulku sattui 8.11.2006; seuraavat ovat 9.5.2016, 11.11.2019, 13.11.2032 ja 7.11.2039.
Venuksen ylikulut ovat paljon harvinaisempia. Viimeksi sellainen n¨
ahtiin 8.6.2004. Seuraava tapahtuu
6.6.2012, mutta sit¨a seuraavat vasta 11.12.2117, 8.12.2125 ja 11.6.2247. Kahta 1700-luvulla sattunutta Venuksen ylikulkua k¨
aytettiin astronomisen yksik¨on pituuden m¨
a¨arityksess¨a. Mm. suomalainen Anders Planman havaitsi ylikulkua Kajaanissa.
12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0
2011 Helsinki pituus 24,95°E, leveys 60,16°N
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
Tammi
Helmi
11
21
31
10
20
2
12
22
1
11
21
1
11
21
31
10
20
30
10
20
30
9
19
29
8
18
28
8
18
28
7
17
27
7
17
27
Maalis
10
20
30
9
19
1
11
21
31
10
20
30
10
20
30
9
19
29
9
19
29
8
18
28
7
17
27
7
17
27
6
16
26
6
16
26
9 10 11 12
Huhti
8
Touko
7
Kesä
6
Heinä
5
Elo
4
Syys
3
Loka
2
Marras
1
Joulu
Joulu
Marras
Loka
Syys
Elo
Heinä
Kesä
Touko
Huhti
Maalis
Helmi
Tammi
12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0
Planeettojen rakenne ja pinnanmuodot
L¨ahimmille taivaankappaleille on l¨
ahetty luotaimia. Luotainten ratah¨
airi¨
oist¨
a voidaan laskea kyseisen kappaleen vetovoimakentt¨
a, joka riippuu kappaleen muodosta, sis¨
aisest¨
a rakenteesta ja massajakaumasta.
Py¨
oriv¨
a kappale on litistynyt. Planeetan litistyneisyys riippuu sen py¨
orimisnopeudesta ja sis¨
aisest¨
a rakenteesta. Hydrostaattisessa tasapainossa olevan kappaleen muoto on akselinsa ymp¨ari py¨
oriv¨
a py¨
or¨
ahdysellipsoidi.
J¨attil¨
aisplaneetat ovat k¨
ayt¨ann¨
oss¨a hydrostaattisessa tasapainossa, jolloin py¨
orimisnopeus yksin m¨
a¨ar¨
a¨a planeetan muodon.
Vasta noin 1000 km suuremmat kiinte¨
at kappaleet muokkautuvat symmetrisiksi gravitaation vaikutuksesta;
t¨at¨a pienemmill¨a kappaleilla aineen sis¨
ainen lujuus riitt¨
a¨a vastustamaan painovoimaa.
Maankaltaisten planeettojen rakennetta voidaan selvitt¨
a¨a mm. maanj¨aristysaaltojen avulla. Aallot taittuvat
ja heijastuvat planeetan sis¨
all¨
a kuten aaltoliike yleens¨akin kahden eri taitekertoimen omaavan aineen rajapinnassa. Maanj¨
aristysaallot ovat pitkitt¨aist¨
a tai poikittaista aaltoliikett¨
a (P- ja S-aallot). Molemmat voivat
edet¨
a kiinte¨ass¨a aineessa, esimerkiksi kalliossa, mutta ainoastaan pitkitt¨ainen aaltoliike voi edet¨
a nesteess¨
a.
Planeettojen sis¨al¨amp¨otilat ovat pintal¨amp¨otiloja huomattavasti suurempia. Esimerkiksi maapallon ytimen
l¨
amp¨otila on 4000–4500 K:n luokkaa ja tiheys 10 000–13 000 kg/m3 . Jupiterin keskustan l¨
amp¨otila on luokkaa
30 000 K. Osa l¨
amm¨ost¨
a on vanhaa, per¨aisin planeettojen synnyn ajalta, mutta esimerkiksi Maassa ytimess¨
a
olevien radioaktiivisten aineiden hajoaminen ja painovoiman aiheuttama puristuminen ovat tai ovat olleet
my¨
os merkitt¨
avi¨
a l¨
amm¨on l¨
ahteit¨a.
Planeettojen sis¨ainen l¨
amm¨ontuotanto oli huomattavasti suurempaa pian planeettojen synnyn j¨
alkeen, jolloin
suuri m¨
a¨ar¨a lyhytik¨
aisi¨a radioaktiivisia isotooppeja hajosi tuottaen samalla l¨
amp¨o¨a. T¨am¨
a yhdess¨
a meteoroidipommituksessa ja kutistumisesta vapautuneen energian kanssa nosti planeettojen sis¨
al¨
amp¨otilan niin korkeaksi, ett¨
a kiviaines suli. T¨am¨
an j¨
alkeen tapahtunut differentioituminen sai aikaan pinnan ja ytimen t¨
aysin
erilaisen kemiallisen koostumuksen: raskaampi aines vajosi keskelle ja kevyt osa j¨
ai pintakerroksiin.
Ve
nu
s
aa
M
16 %
12 %
rs
9%
Ma
Kuu
4%
42 %
M e r k u ri u s
Maankaltaisten planeettojen koko ja rakenne. Prosenttiluku ilmoittaa ytimen osuuden planeetan tilavuudesta.
Kaikilla maankaltaisilla planeetoilla on rauta-nikkeliydin, joka on suhteellisesti suurin Merkuriuksella ja pienin Marsilla. Ytimen tiheys on luokkaa 10 000 kg/m3 . FeNi-ytimen ulkopuolella on l¨
ahinn¨a silikaateista (eli
erilaisista piin yhdisteist¨
a) muodostunut vaippa ja uloimpana ohut kuori. Kuori ja vaipan yl¨
aosa muodostavat
kiinte¨an litosf¨a¨arin, jonka alapuolella on osittain sula astenosf¨a¨ari. Pinta-aineen tiheys on vajaat 3000 kg/m3
ja planeettojen keskitiheydet v¨
alill¨
a 3500–5500 kg/m3 .
Maapallon vaipassa tapahtuu hitaita pystysuoria konvektiovirtauksia muutaman sadan kilometrin syvyydest¨a alasp¨ain. N¨aiden konvektiovirtausten seurauksena syntyv¨
at mm. mannerlaattojen liikkeet. Maa on ainoa
planeetta jossa t¨all¨
a hetkell¨a on mannerlattojen liikkeit¨a.
Jupiter
atmosfääri
molekulaarista vetyä
metallista vetyä
kiveä
Saturnus
N e ptu n us
Maa
Uranus
J¨attil¨
aisplaneetat muistuttavat rakenteeltaan toisiaan. Koosta ja et¨
aisyydest¨a aiheutuu kuitenkin joitain eroja esimerkiksi koostumuksessa. Uranuksen ja Neptunuksen pienemm¨
ast¨
a koosta johtuen niilt¨a mm. puuttuu
metallisen vedyn kerros, joka Jupiterilla on hyvin paksu. Maa on piirretty samaan mittakaavaan.
J¨attil¨
aisplaneetoilla ei ole samanlaista erist¨
av¨a¨a ulkokerrosta, vaan konvektio voi tuoda l¨
amp¨o¨a aivan pinnalle saakka. Niinp¨a j¨
attil¨
aisplaneetat s¨
ateilev¨
atkin huomattavasti enemm¨
an energiaa kuin mit¨a ne Auringosta
saavat, Saturnus jopa 2.8-kertaisen m¨
a¨ar¨
an. Jupiterin tapauksessa l¨
amp¨o on suureksi osaksi per¨aisin planeetan j¨
a¨ahtymisest¨a, mutta Saturnuksessa osa l¨
amm¨ost¨
a lienee per¨aisin differentioitumisesta vapautuneesta
potentiaalienergiasta, kun vety¨
a raskaampi helium hitaasti vajoaa kohti keskustaa.
J¨attil¨
aisplaneetoilla on verraten alhainen keskitiheys. Alhaisin tiheys on Saturnuksella, vain noin 700 kg/m3 .
J¨attil¨
aisplaneettojen sisus onkin nestem¨
aisen vedyn ja heliumin sekoitusta. Keskell¨a on muutaman Maan massainen silikaattiydin, joka on suhteellisesti suurin Neptunuksella. T¨at¨a ymp¨ar¨
oi metallisen nestem¨
aisen vedyn
kerros, jonka paksuus riippuu planeetan massasta. Suuren paineen vuoksi vety ei ole molekyylimuodossa H2
kuten tavallisesti, vaan hajonneena atomeiksi. T¨ass¨a tilassa vety mm. johtaa s¨
ahk¨
o¨a, joten metallisen vedyn
kerroksella on t¨arke¨
a merkitys j¨
attil¨
aisplaneettojen magneettikent¨an synnyss¨
a. Uranuksella ja Neptunuksella
metallisen vedyn kerros on suhteellisen ohut, tai sit¨a ei ole lainkaan, mutta niill¨a silikaattiydint¨a ymp¨ar¨
oi
vesikerros, jossa magneettikentt¨
a syntyy.
Pintaa l¨
ahestytt¨
aess¨
a paine pienenee ja vety muuttuu normaaliin molekyylimuotoon, mutta paineen vuoksi se
on edelleen nestem¨aist¨
a. Uloimpana on kaasumainen atmosf¨a¨ari, joka on ainoastaan muutama sata tai tuhat
kilometri¨
a paksu. J¨attil¨
aisplaneetoista n¨
aemme ainoastaan atmosf¨a¨arin yl¨
aosassa olevat pilvikerrokset.
Pinnan uudelleen muotoutumista. Galileo-luotaimen kuvassa vuodelta 1997 n¨
akyy Jupiterin kuun Ion vulkaanisia purkauksia. Yksi purkaus n¨
akyy kuun reunalla (ylh. oik.) Pillan Pateran kalderan yl¨
apuolella. Purkaus
nousee 140 kilometrin korkeuteen. Toinen purkaus n¨
akyy terminaattorin l¨
ahell¨a. 75 kilometrin korkuisen
pilven varjo n¨
akyy purkausaukon oikealla puolella. (NASA/JPL)
T¨arkeimpi¨
a kiinteiden planeettojen pintaa muovaavista ilmi¨oist¨
a ovat mannerliikunta, vulkaaninen toiminta,
meteoroidipommitus ja ilmasto. Maapallo on tyypillinen esimerkki planeetasta, jossa pinta on muuttunut
useita kertoja vuosimiljardien kuluessa. Mannerliikunnat aiheuttavat vuorijonoja ja repeytym¨
alaaksoja. Maa
on ainoa planeetta jossa mannerliikuntoja on t¨
all¨
akin hetkell¨a. Muilla maankaltaisilla planeetoilla liikuntoja
joko ei ole koskaan ollutkaan tai ne ovat aikaa sitten lakanneet. Marsin ja Venuksen vuoret ja laaksot lienev¨
at
muuta alkuper¨a¨a.
Maapallolla ei vulkaaninen toiminta ainakaan nykyisess¨
a laajuudessa muuta merkitt¨
av¨asti pintaa, mutta esimerkiksi Jupiterin kuussa Iossa vulkanismi on t¨
arkein pintaa muovaava tekij¨
a (kuva 7.12). Iossa vuorovesivoimien synnytt¨
am¨
a kitkal¨amp¨o saa aikaan tulivuoritoiminnan, kyse ei siis ole mist¨
a¨an vanhaa perua olevasta
sis¨aisest¨
a l¨
amm¨onl¨
ahteest¨
a.
Meteoroidipommituksen j¨
aljet n¨
akyv¨
at selvimmin aurinkokuntamme atmosf¨a¨aritt¨
omiss¨
a kappaleissa, kuten
kuissa ja Merkuriuksessa. Planeettoihin osuu jatkuvasti meteoroideja, mutta t¨
orm¨
aykset olivat paljon runsaslukuisempia pian planeettojen synnyn j¨
alkeen, jolloin aurinkokunnassa risteili huomattava m¨
a¨ar¨
a pienkappaleita. Pinnan kraatterisuudesta voidaan p¨
a¨atell¨a, onko pinta uusiutunut voimakkaan pommitusjakson j¨
alkeen
(kuvat 7.13 ja 7.14).
T¨orm¨
ayskraatterien m¨
a¨ar¨
a kappaleen pinnalla kertoo pinnan i¨
an: mit¨a enemm¨
an kraattereita sit¨a vanhempi
pinta. Kraatterien muoto taas kertoo pinnan lujuudesta. Ylh¨
a¨all¨
a vasemmalla Merkuriuksen, oikealla Kuun,
alhaalla vasemmalla Jupiterin kuun Europan, keskell¨a Ganymedeen ja oikealla Kalliston pintaa. Europan
pinta on nuorin, Kalliston vanhin. (NASA ja DLR)
Planeettojen atmosfäärit ja magnetosfäärit
Kaikilla maankaltaisilla planeetoilla on planeettaa ymp¨ar¨
oiv¨
a atmosf¨a¨ari (ilmakeh¨a); tosin Merkuriuksella se
on eritt¨ain ohut. J¨attil¨
aisplaneetoilla atmosf¨a¨ariksi voidaan katsoa planeetan uloimman, kaasumaisen kerroksen pinta. Saturnuksen kuulla Titanilla on paksu metaanista muodostunut atmosf¨a¨ari. My¨
os k¨
a¨api¨
oplaneetta
Plutolla on ohut p¨
a¨aasiassa metaanista koostuva atmosf¨a¨ari.
Atmosf¨a¨arin rakenne riippuu mm. sen kemiallisesta koostumuksesta sek¨
a planeetan koosta ja l¨
amp¨otilasta.
Olkoon l¨
amp¨otila T , paine P , tiheys ρ ja korkeus h.
Olkoon korkeudella h sylinteri, jonka korkeus on dh. Paineen muutos dP siirrytt¨
aess¨
a korkeudelta h korkeuteen h + dh on verrannollinen kaasun massaan t¨
ass¨a sylinteriss¨a:
dP = −gρ dh
(7.1)
miss¨
a g on gravitaatiokiihtyvyys. T¨am¨
a on hydrostaattisen tasapainon yht¨
al¨
o.
Ensimm¨aisen¨
a approksimaationa voidaan olettaa, ett¨
a g ei riipu korkeudesta h. Silloin
h
P = P0 exp −
H
,
miss¨
a pituuden dimensioinen luku
kT
H=
µg
on skaalakorkeus ja µ kaasun molekyylipaino.
Joidenkin kaasujen skaalakorkeuksia Venuksessa, maapallolla ja Marsissa.
kaasu
H2
O2
H2 O
CO2
N2
gravitaatiokiihtyvyys [m/s2 ]
l¨
amp¨otila [K]
molekyylipaino [amu]
Maa
H [km]
Venus
H [km]
Mars
H [km]
2
32
18
44
28
120
7
13
5
8
360
23
40
16
26
290
18
32
13
20
9.81
275
8.61
750
3.77
260
O2 (21%)
H2O (1%)
N2 (3.5%)
CO2 (96%)
90
Venus
Ar (0.9%)
N2 (77%)
1
Maa
N2 (2.7%)
Ar (1.6%)
CO2 (95%)
0.007
Mars
Eri kaasujen suhteelliset osuudet Venuksen, Maan ja Marsin atmosf¨aa¨reiss¨
a. Kunkin ympyr¨
an alareunassa
oleva luku kertoo pinnalla vallitsevan paineen atmosf¨a¨arein¨a.
Planeetan atmosf¨a¨arin s¨
ailymiseen vaikuttaa planeetan koon lis¨aksi l¨
amp¨otila. Jos kaasumolekyylin nopeus
on suurempi kuin pakonopeus, molekyyli karkaa avaruuteen.
Atmosf¨a¨arin tiheys pienenee yl¨
osp¨ain noustaessa. L¨ahell¨a pakokerrosta molekyylien t¨
orm¨
aykset ovat melko
harvinaisia ja nopeimmat molekyylit saattavat p¨
a¨ast¨
a karkaamaan avaruuteen. L¨ahell¨a pintaa molekyylien
vapaa matka on hyvin lyhyt.
J¨attil¨
aisplaneetat liikkuvat kaukana Auringosta, joten niiden pintal¨amp¨otila on alhainen; toisaalta niiden
massat ovat suuria. Siten on ymm¨arrett¨av¨a¨a, miksi esimerkiksi Jupiter on kyennyt pit¨
am¨
a¨an vety¨
a paljon
enemm¨an kuin Maa.
Kriittinen kerros tai pakokerros on korkeus, jossa suoraan ulosp¨
ain liikkuva molekyyli t¨
orm¨
a¨a toiseen todenn¨
ak¨oisyydell¨a 1/e.
Kriittisen kerroksen yl¨
apuolella olevaa atmosf¨a¨arin osaa kutsutaan eksosf¨a¨ariksi. Maapallolla eksosf¨a¨ari alkaa
noin 500 km:n korkeudelta. Siell¨
a kaasun kineettinen l¨
amp¨otila on 1500–2000 K.
Magnetosf¨
a¨
ari.
Uloin planeettojen ”vaikutuspiiriin” kuuluva alue on magnetosf¨
a¨ari. T¨am¨
a ei ole pallosymmetrinen alue, vaan
sen muoto ja suuruus riippuvat planeetan magneettikent¨an ja aurinkotuulen voimakkuudesta.
Aurinkotuuli on Auringosta tulevien varattujen hiukkasten virta, jonka nopeus maapallon kohdalla on luokkaa 500 km/s ja tiheys 5–10 hiukkasta/cm3 , mutta sek¨
a nopeus ett¨
a hiukkastiheys vaihtelevat Auringon aktiivisuuden mukaan. Suurin osa aurinkotuulen hiukkasista on elektroneja ja protoneja.
Auringon puolella on muutaman kymmenen planeetan s¨
ateen p¨
a¨ass¨a iskurintama, johon aurinkotuulen varatut hiukkaset t¨orm¨
a¨av¨at. Sek¨a planeetan magneettikent¨an ett¨
a aurinkotuulen voimakkuudesta riippuu, kuinka kaukana planeetasta iskurintama on.
aurinkotuuli
ma
gn
eto
pa
us
i
magnetosfäärin
pyrstö
ma
gn
ee
tti
ne
nv
oim
av
iiv
evy
al
lasm
p
Maan magnetosf¨
a¨arin rakenne. (Arto Nurmi, Tiede 2000)
a
Varsinainen magnetosf¨
a¨ari rajoittuu magnetopausiin, joka Auringon puolella on litistynyt ja vastakkaisella
puolella levi¨a¨a usean sadan planeetan s¨
ateen mittaiseksi pyrst¨oksi.
Planeettaa ymp¨ar¨
oivi¨
a alueita joissa on runsaasti varattuja hiukkasia kutsutaan s¨
ateilyv¨oiksi.
Maapalloa
ymp¨ar¨oivi¨
a s¨
ateilyv¨oit¨a kutsutaan keksij¨
ans¨a mukaan Van Allenin v¨
oiksi. Ne l¨
oydettiin 1958 Yhdysvaltain
ensimm¨
aisen satelliitin Explorer I:n tekemist¨
a mittauksista.
plasmavaippa
aurinkotuuli
magnetopaussi
iskurintama
Van Allenin vyöhykkeet
plasmalevy
Voimakkaiden Auringon purkausten j¨
alkeen varattujen hiukkasten m¨
a¨ar¨
a kasvaa huomattavasti. T¨all¨
oin osa
hiukkasista ”vuotaa” ilmakeh¨a¨an l¨
ahell¨a magneettisia napoja; t¨
am¨
a havaitaan voimakkaina revontulina. Samanlaisia ilmi¨oit¨a havaitaan my¨
os j¨
attil¨
aisplaneetoilla.
Maa
Jupiter
Saturnus
Uranus
Neptunus
Aurinko
Planeettojen magneettikenttien asento ja sijainti planeetan suhteen. Paksu viiva esitt¨
a¨a py¨
orimisakselia ja
ohuempi magneettikent¨an akselia. Nuoli osoittaa magneettikent¨
an pohjoisnavan suuntaan.
Maan magneettikentt¨
a on vaihtanut napaisuuttaan useita kertoja, viimeksi noin 750 000 vuotta sitten.
Planeettojen magneettikent¨an synnytt¨
av¨a dynamo vaatii, ett¨
a planeetta py¨
orii ja ett¨
a planeetalla on s¨
ahk¨
oa¨johtava nestem¨ainen kerros.
Maankaltaisilla planeetoilla on nestem¨
ainen rauta-nikkeli-ydin tai ytimess¨a oleva nestem¨
ainen kerros. Jupiterilla ja Saturnuksella on metallisen vedyn kerros ja Uranuksella ja Neptunuksella on vedest¨a, ammoniakista
ja metaanista muodostunut kerros.
Albedot
Aurinkokuntamme kappaleet n¨
akyv¨
at vain, koska ne heijastavat auringonvaloa. Kohteen kirkkaus riippuu sen
et¨
aisyydest¨a Maasta ja Auringosta sek¨a pinnan heijastuskyvyst¨
a.
Kappaleen pinnan heijastuskyky¨a mittaava suure on albedo.
Planeetta heijastaa siihen osuvasta s¨
ateilyst¨
a osan n¨
akyv¨
an valon alueella. Loppuosa absorboituu ja muuttuu
l¨
amm¨oksi. T¨am¨
an osan se s¨
ateilee aikanaan l¨
amp¨os¨
ateilyn¨a. Heijastuneen ja kappaleeseen osuneen s¨
ateilyn
suhde A on aina v¨
alill¨
a 0 ≤ A ≤ 1. T¨am¨
a suhde on kappaleen Bondin albedo.
Bondin albedon laskeminen vaatisi havaintoja kaikilla vaihekulmilla, mik¨a yleens¨a ei ole mahdollista.
Helpommin m¨
a¨aritett¨av¨a suure on geometrinen albedo p. Se ilmoittaa kappaleen heijastaman s¨
ateilyn vuontiheyden suhteen samankokoisen Lambertin levyn heijastamaan vuontiheyteen, kun molempia havaitaan vaihekulmalla α = 0◦ .
Lambertin levy on periaatteessa valkea levy, joka heijastaa kaiken osuneen s¨
ateilyn, ts. Bondin albedo on
A = 1. Lambertin levyn pintakirkkaus n¨
aytt¨a¨a samalta kaikista suunnista. Valkeaksi maalattu sein¨
a muistuttaa aika hyvin Lambertin levy¨a, vaikka se ei heijastakaan kaikkea siihen osunutta s¨
ateily¨a.
Geometrinen albedo riippuu pinnan heijastuskyvyn lis¨aksi siit¨a, mihin suuntaan pinta heijastaa valoa. Jos
pinnan heijastuskyky on hyv¨
a ja se suuntaa heijastuneen valon p¨
a¨aasiassa valon tulosuuntaan, geometrinen
albedo voi olla ykk¨
ost¨
a suurempi, ¨
a¨aritapauksena peili, jolle p on a¨¨aret¨
on.
Aurinkokunnan kappaleiden geometrinen albedo on tyypillisesti v¨
alill¨
a 0.03–1. Esimerkiksi Kuulle p = 0.12;
suurin albedo on Saturnuksen kuulla Enceladuksella, p = 1.0.
Oppositioilmi¨
o.
Jos kappaleella on ilmakeh¨a, valo heijastuu suhteellisen tasaisesti kaikkiin suuntiin. Heijastuvan s¨
ateilyvuon
tiheys on silloin karkeasti ottaen verrannollinen valaistuna n¨
akyv¨
an osan alaan
Ilmakeh¨att¨omill¨a kappaleilla, kuten Kuulla, heijastuminen on voimakkaampaa valon tulosuuntaan. Sen seurauksena kohde kirkastuu voimakkaasti opposition l¨
ahell¨a. T¨am¨
a oppositioilmi¨
o n¨
akyy vaihek¨ayr¨
an k¨
a¨antymisen¨a nousuun vaihekulman laskiessa muutaman asteen alapuolelle.
täysikuu
0
1
puolikuu
2
3
vaihekulma
0°
Kuun vaihek¨ayr¨
a
30°
60°
90°
Planeettojen lämpötilat
Planeetta absorboi osan 1 − A siihen osuvasta Auringon s¨
ateilyst¨
a, miss¨
a A on Bondin albedo. Planeetta
asettuu tasapainotilaan, jossa se s¨
ateilee kaiken saamansa energian mustan kappaleen tavoin.
Jos planeetta py¨
orii suhteellisen hitaasti, sen pime¨
a puoli ehtii j¨
a¨ahty¨
a ja l¨
amp¨os¨
ateily emittoituu p¨
a¨aasiassa
valaistulta pinnalta. Silloin sen l¨
amp¨otila on
T = T⊙
1−A
2
1/4 R⊙
r
1/2
.
Jos planeetta py¨
orii nopeasti, s¨
ateily¨a emittoituu likimain yht¨
a paljon koko planeetan pinta-alalta. Silloin
l¨
amp¨otila on
T = T⊙
1−A
4
1/4 R⊙
r
1/2
N¨aiss¨a T⊙ on Auringon pintal¨amp¨otila, noin 5600 K, R⊙ Auringon s¨
ade ja r planeetan et¨
aisyys Auringosta.
planeetta albedo
Merkurius
Venus
Maa
Mars
Jupiter
0.06
0.76
0.36
0.16
0.73
et¨
aisyys teoreettinen
havaittu
Auringosta l¨
amp¨otila [K] maksimi[AU]
l¨
amp¨otila
0.39
0.72
1.00
1.52
5.20
525
270
290
260
110
440
230
250
215
90
615
750
310
290
130
Joidenkin planeettojen havaittuja ja teoreettisia l¨
amp¨otiloja.
Erityisesti Venuksen teoreettinen ja havaittu l¨
amp¨otilaovat hyvin erilaiset. Syyn¨a on ilmakeh¨an aiheuttama
kasvihuoneilmi¨o , jonka vuoksi pinnasta heijastunut l¨
amp¨os¨
ateily ei p¨
a¨asek¨a¨an haihtumaan avaruuteen. L¨amp¨
o absorboituu ilmakeh¨a¨an ja l¨
ammitt¨a¨a planeettaa edelleen. Voimakkaimmin ilmi¨o on p¨
a¨assyt ry¨
ost¨
aytym¨
a¨an Venuksessa, jossa pinnan l¨
amp¨otila on satoja asteita teoreettista korkeampi.
Aurinkokunnan synty
Kosmogonia on t¨ahtitieteen haara joka tutkii aurinkokunnan synty¨
a. Syntyteorian olisi pystytt¨
av¨
a selitt¨
am¨
a¨an ainakin seuraavat havaitut ominaisuudet:
• Kaikkien planeettojen radat ovat l¨
ahes samassa tasossa, joka on sama kuin Auringon ekvaattorin taso.
• Planeettojen radat ovat l¨
ahes ympyr¨
oit¨a.
• Planeetat kiert¨av¨at samaan suuntaan, joka on my¨
os Auringon py¨
orimissuunta.
• Planeetat py¨
oriv¨
at akselinsa ymp¨ari samaan suuntaan (poikkeuksena Venus ja Uranus).
• Aurinkokunnan py¨
orimism¨a¨ar¨
a on jakautunut siten, ett¨
a planeetoilla on noin 99 % py¨
orimism¨a¨ar¨
ast¨
a, vaikka
niiden massa on vain noin 0.15 % koko aurinkokunnan massasta.
• Maankaltaisten ja j¨
attil¨
aisplaneettojen v¨
aliset erot ja paikka aurinkokunnassa. Alkuaineiden isotooppisuhteet
poikkeavat kuitenkin vain v¨
ah¨
an verrattuna rakenne- ja kokoeroon.
• Kivien ja j¨
aiden suhteellisen osuuden muuttuminen et¨
aisyyden funktiona.
Katastrofiteoriat: Planeetat syntyneet aineesta, joka repeytyi Auringosta esimerkiksi toisen t¨
ahden ohittaessa
Auringon l¨
ahiet¨aisyydelt¨
a. ⇒ planeettaj¨arjestelm¨
at hyvin harvinaisia.
Kehitysteoria: Planeetat syntyv¨
at luonnollisena osana t¨
ahden syntyprosessia. Nykyisin hyv¨
aksytty malli.
Aurinkokunnan i¨
aksi arvioidaan noin 4.6 miljardia vuotta. Linnunrata on v¨
ahint¨a¨an kaksi kertaa n¨
ain vanha,
joten olosuhteet ovat tuskin merkitt¨
av¨asti muuttuneet aurinkokunnan syntyajoista.
Edelliset t¨ahtien sukupolvet olivat tuottaneet planeetoissa tavattavat heliumia raskaammat alkueineet.
Juuri syntyneit¨a tai syntym¨
ass¨a olevia t¨
ahti¨
a tutkimalla saadaan samalla tietoa my¨
os aurinkokunnan alkuper¨ast¨
a. My¨
os suoria todisteita synnyst¨a on olemassa, toiset planeettakunnat ja t¨
ahti¨
a ymp¨ar¨
oiv¨
at kaasu- ja
p¨
olykiekot.
Pilven keskiosa kutistui kaikkein nopeimmin. Pilven py¨
orimisen vuoksi hiukkaset t¨
orm¨
ailiv¨
at toisiinsa, jolloin
ne menettiv¨at energiaansa ja vajosivat nopeasti samaan tasoon. Alunperin l¨
ahes pallomaisesta pilvest¨a syntyi
n¨
ain litte¨a j¨
arjestelm¨
a, mik¨a selitt¨
a¨a sen, ett¨
a planeettojen radat ovat l¨
ahes samassa tasossa.
Nizzan mallin mukaan Neptunus syntyi sisemp¨
an¨
a kuin Uranus. Resonanssien vuoksi Saturnus, Uranus ja
Neptunus ajautuivat kauemmas Auringosta, jolloin my¨
os Neptunus siirtyi Uranusta kauemmas. Jupiter puolestaan kulkeutui l¨
ahemm¨
as Aurinkoa.
Marsin ja Jupiterin v¨
aliselle alueelle ei voinut synty¨
a suurta planeettaa Jupiterin voimakkaiden h¨
airi¨
oiden
vuoksi. Asteroidivy¨
ohykkeen kappaleet ovat joko pilkkoutuneita protoplaneettoja tai planetesimaaleja.
Planeetat Marsiin saakka ovat muodostuneet p¨
a¨aasiassa kivist¨a. Syntyhetkell¨a l¨
amp¨otila on t¨
all¨
a alueella
ollut liian korkea, jotta kaasut ja j¨
a¨at olisivat voineet sitoutua planeetoiksi.
Jupiterin ja Saturnuksen et¨
aisyydell¨a l¨
amp¨otila oli jo niin alhainen, ett¨
a j¨
a¨ast¨
a muodostuneita kappaleita
saattoi synty¨
a. N¨aist¨
a ovat esimerkkein¨a vaikkapa muutamat Saturnuksen kuut. J¨
attil¨
aisplaneetat ker¨asiv¨
at
ymp¨ar¨oiv¨ast¨
a pilvest¨a kaasua, joka my¨
os s¨
ailyi planeetan ymp¨arill¨
a, koska ne ovat suhteellisen kaukana Auringosta.
Meteoroidien jatkuvat t¨
orm¨
aykset, planeetan kutistuminen painovoimansa alla ja suhteellisen lyhytik¨
aisten
radioaktiivisten ydinten hajoaminen tuottivat huomattavan m¨
a¨ar¨
an l¨
amp¨o¨a. L¨ampeneminen johti planeettojen osittaiseen sulamiseen. Seurauksena oli aineen differentioituminen: raskaimmat aineet vajosivat keskelle
ja kevyt kuona nousi pinnalle.
Noin puoli miljardia vuotta jatkuneen meteoroidipommituksen j¨
aljet n¨
akyv¨
at viel¨a useimmissa aurinkokuntamme kiinteiss¨a kappaleissa. T¨alt¨a ajalta ovat per¨aisin esimerkiksi Kuun meret.
Suurten planeettojen h¨
airi¨
ot aiheuttivat ”ylij¨a¨aneiden” planetesimaalien t¨
orm¨
a¨amisen planeettoihin, sinkoutumisen aurinkokunnan ulko-osiin tai jopa ulos koko aurinkokunnasta. J¨
aljelle j¨
aiv¨
at l¨
ahinn¨a nykyiset stabiileilla radoilla olevat asteroidit. Aurinkokunnan ulko-osiin sinkoutui runsaasti harva-aineisia pienkappaleita,
komeettoja, jotka muodostavat nykyisen Oortin pilven. Oortin pilven kokonaismassa saattaa olla jopa 40 M⊕
ja sis¨alt¨a¨a satoja miljardeja komeettoja.
Neptunuksen radan takana olevat pienkappaleet ja hieman ulompana oleva Kuiperin vy¨
ohyke lienev¨
at my¨
os
syntyneet nykyist¨a l¨
ahemp¨
an¨
a Aurinkoa.