Navigation 2
- right
- rightlower
Revontulet ovat yksi kauneimmista luonnonilmiöistä, mitä ihminen voi omin silmin havaita. Kirkkaana talvi-iltana voi nähdä pohjoisen taivaan hehkuvan himmeää valoa tai kirkkaita värejä. Revontulet syntyvät aurinkotuulen puhaltamien sähköisten hiukkasten törmätessä ilmakehän hiukkasiin noin 80-300 km korkeudella. Niihin liittyy monenlaisia taruja ja uskomuksia. Itse ilmiö on todellinen, mutta kauniiden värien leiskunta öisellä taivaalla on kiehtonut ihmisten mielikuvitusta. Yleensä revontulet loimottavat rauhallisena tasaisena valona, mutta joskus ne ’tanssivat’ iloisesti värien vaihdellessa keltavihreästä punaiseen. Alla oleva kuva on otettu talvella keskiyöllä Suomen Lapissa Munavuomassa. Pitkän valotusajan vuoksi tähtien paikat ovat ehtineet siirtyä Maan pyörimisen johdosta. Tähtien reitit näkyvät lähes yhdensuuntaisina viivoina (kuva IH, Finland).
Tavoite: Tutustua revontuliin tähtitaivaan ilmiönä, Oppia tuntemaan niiden värien, muotojen ja liikkeiden salaisuuksia ja yhteyttä fysikaaliseen maailmaan.
Tutkimuksia: Revontulia voidaan nähdä parhaiten pohjoisilla tai eteläisillä napa-alueilla johtuen Maan magneettikentän muodosta. Suomessa niitä nähdään eniten pohjoisimmassa Lapissa, noin 200 yönä vuodessa, kun taas Etelä-Suomessa ne ovat jo harvinaisia, vain noin pari kymmentä havaintoa vuosittain. Vuosina 2000 ja 2001 esiintyi erittäin voimakas revontulimyrsky, jolloin kauniita värejä loistavia revontulinauhoja nähtiin pohjoisella pallonpuoliskolla jopa Etelä-Euroopassa asti. Tavallisimmin revontulet näkyvät himmeänä rauhallisena kaarena, mutta monenlaisia muita muotoja esiintyy ajoittain.
Auringosta lähteneet sähköiset hiukkaset, kuten protonit ja elektronit, saapuvat aurinkotuulen puhaltamina Maan magneettikenttään, joka ulottuu ilmakehän ulkopuolella jopa 100 000 km korkeuteen. Aurinkotuulen vaikutuksesta tämä kenttä eli magnetosfääri venyy miljoonien kilometrien pituiseksi pyrstöksi maapallon yöpuolella. Osa sähköisistä hiukkasista joutuu Maan magneettikenttään muodostaen ns. van Allenin vyöhykkeen. Osa hiukkasista varastoituu magneettikentän pyrstöön ja kulkeutuu sieltä voimaviivoja pitkin Maan napojen läheisyyteen. Näitä hiukkasia tunkeutuu Maan ilmakehään törmäten noin 80 – 300 km korkeudella eri aineiden molekyyleihin ja virittäen niiden atomit. Viritystilojen purkautuessa atomin ylimääräinen energia vapautuu valona. Virittyneestä atomilajista riippuen vapautunut valo sisältää eri aallonpituuksia, jotka silmä havaitsee eri väreinä.
Revontulia ei nähdä tasaisesti kaikkina aikoina. Paras aika vuorokaudessa on magneettisen keskiyön aika noin tuntia ennen normaalia keskiyötä. Ero johtuu siitä, että magneettinen pohjoisnapa ja Maan akselin mukainen pohjoisnapa eroavat noin 11 º toisistaan. Havaitsijoiden mukaan eniten revontulia näkyy tasauspäivien aikaan, mutta muulloinkin kirkkaina talviöinä niitä onnistuu näkemään. Revontulien näkymisellä on havaittu olevan yhteys auringonpilkkujen esiintymiseen. Tiedemiehet ovat havainneet auringonpilkkujen määrässä syklistä vaihtelua noin 11 vuoden välein. Auringonpilkkumaksimin aikaan revontulia esiintyy tavallista enemmän.
1) Tutkitaan pohjoista taivasta mahdollisuuksien mukaan luonnossa havainnoiden. Sydäntalvena pimeän aika alkaa jo aikaisin iltapäivällä, joten luokan kanssa tehtävä pieni luontoretki onnistuu varmasti pienin järjestelyin. Oppilaiden kanssa voidaan selkeällä säällä lähteä retkelle heti koulutuntien päätyttyä. Tähtikartan avulla etsitään Pohjantähti ja revontulien esiintymisen todennäköisin pohjoisnavan alue. Revontulia odotellessa voidaan kerrata napa-alueen sircumpolaarisia tähdistöjä ja etsiä kiikarilla paljain silmin näkymättömiä kohteita.
2) Onnistuneen revontuliretken pohjalta keskustellaan oppilaiden kanssa havainnoista. Kerätään oppilaiden kertomia havaintoja luokitellen ne samalla tavallisimpien kriteereiden - kuten väri, muoto ja liike – mukaan.
Perusmuotoja ovat kaari, nauha, läiskä ja korona. Näissä voidaan erottaa vielä tarkempia alaluokkia. Kaari voi olla alhaalla horisontin yläpuolella loimottavaa hehkua tai homogeeninen selvän alarajan omaava suora kaari, jossa voi erottua myös pystysuoria säteitä. Nauhassa näkyy selvän alarajan mutkitteleva reuna ja usein myös reunasta ylöspäin lähteviä säteitä. Läiskä on epämääräinen vaalea alue, joka voi loistaa rauhallisesti tai sykkiä hieman. Korona on harvinaisempi revontulimuoto. Voimakkaan revontulimyrskyn aikaan säteiden ryöppy näyttää tulevan yhdestä taivaan pisteestä ja leviävän joka puolelle muodostaen mitä mielikuvituksellisimpia kuvioita. Kuvassa enkelimäinen kuvio voimakkaan revontulimyrskyn aikaan vuonna 2000 (kuva S.Ekko, Finland).
Tavallisin väri on vaalean vihreä matalalla horisontissa. Himmeä hehku tai kaari nähdään yleensä vaaleana värittömänä alueena. Voimakkaammat nauhat tai koronat nähdään jopa punaisen tai puna-vihreän sävyissä korkeammalla taivaalla. Vuoden 2000 revontulimyrskyn koronapiste näkyi lähes pään yläpuolella eteläisessä Suomessa. Kuten edellä kerrottiin, värit johtuvat ilmakehässä virittyneiden atomien viritystilan purkautuessa vapautuneen valon aallonpituudesta. Ionosfäärin alaosissa noin 100 km korkeudella näkyy keltavihreää (happi) tai sinipunertavaa (typpi) valoa. Noin 200 km korkeudella havaitaan vaaleaa keltavihreää valoa ja lähes 300 km korkeudella karmiininpunaista (happi) valoa.
Oppilaiden kanssa kannattaa keskustella myös revontulien liikkeistä ja niiden syistä. Rauhallisesti loimottavat revontulet ovat tavallisimpia, mutta paras ja kaunein havainto saadaan ”tanssivista” revontulista. Sitä näkyä eivät oppilaatkaan väsy helpolla ihailemaan. Kuvassa kauniinvärisiä leiskuvia revontulia (kuva S.Ekko, Finland).
3) Tutustutaan tarkemmin Maan magnetosfääriin. Kirjallisuudesta löytyy sitä esittäviä piirroksia. Oppilaat voivat piirtää yksin vihkoonsa tai ryhmätyönä luokan seinälle kaaviokuvan maapallosta, sitä ympäröivästä magneettikentästä sekä sen pyrstöstä. Kuvaan voidaan merkitä myös eri kohteiden nimet kuten pohjoisnapa, etelänapa, van Allenin vyöhyke, iskurintama, plasmasfääri, pyrstö ja aurinkotuuli. Ylempien luokkien oppilaat voivat perehtyä syvemmin parityönä näihin käsitteisiin ja esitellä ne luokalle.
4) Revontulet aiheuttavat muutoksia Maan magneettikenttään. Tutkitaan näitä magneettikentän muutoksia yksinkertaisen magnetometrin avulla. Se voidaan rakentaa oppilaiden kanssa joko parityönä tai luokan ryhmätyönä. Ripustetaan isoon kannelliseen lasipurkkiin kannen keskeltä ohueen lankaan kiinnitetty sauvamagneetti, jonka toiselle sivulle on liimattu peilinpala. Purkki suljetaan, jotta ilmavirtaukset eivät häiritse magneetin liikkeitä. Purkki viedään sellaiseen huoneeseen, missä on mahdollisimman vähän rautaisia rakenteita tai sähköisiä laitteita. Annetaan magneetin rauhoittua kunnolla, senhän pitäisi asettua pohjois-eteläsuuntaan. Kohdistetaan laserkynällä säde peiliin ja tarkastellaan heijastunutta punaista pistettä luokan seinältä tai suurelta varjostimelta. Magneettikentän muutokset häiritsevät sauvamagneetin tasapainoa ja tämä kiertoliike näkyy hyvin punaisen pisteen liikkeenä. Kuvaan on piirretty kaavio yksinkertaisen magnetometrin rakenteesta (mukaeltu piirros VH, Finland).
5) * Revontulien esiintymistä voidaan tutkia maavirtojen avulla. Magneettikentän muutokset aiheuttavat maansisäisten sähkökenttien muutoksia esimerkiksi kulta- ja vesisuonissa sekä mineraalipitoisissa kosteikoissa. Mitataan luonnossa kahden 100–300 m päässä toisistaan olevan maan sisään isketyn metallitangon välistä potentiaalieroa eli jännitettä herkillä mittareilla. Laitteistoon kytketyn tietokoneen näytölle saadaan kalibroitua aika-jännite-kuvaaja murtoviivana häiriöpiikkeineen. Oppilaiden kanssa on hyvä pohtia tuloksen luotettavuutta revontulien ennustamisessa. Onnekkain tilanne tulosten varmistamiseksi on se, jos on mahdollista viedä laitteisto ulos ja tehdä samalla omin silmin luonnossa revontulihavaintoja. Kuvassa esitetään maavirtojen mittaamiseen sopiva laitteisto Lapin suomaastoon upotettujen metallitankojen välisen jännitteen mittaamista varten (mukaeltu piirros VH, Finland).
6) * Potentiaalieroja voi mitata myös pystysuoraan ilmassa lyömällä kaksi naulaa johonkin kuivaan puuhun, esimerkiksi kelopuu tai korkea pylväs. Lähistöllä ei kuitenkaan saisi olla voimakkaita sähkölaitteita tai rautarakenteita. Mitataan naulojen välistä jännitettä samanlaisella laitteistolla kuin edellisessä tehtävässä. Koska naulat ovat melko lähellä toisiaan, ovat jännitevaihtelut varmasti aika heikkoja ja tuloksia on sen vuoksi vaikea nähdä. Oppilaiden kanssa keskustellaan näistä haitoista. Tuloksia verrataan maavirtojen mittauksen tuloksiin, jos kyseinen mittaus on onnistuttu tekemään.
7) * Valokuvaamisesta kiinnostuneet oppilaat voivat ottaa haasteen vastaan ja yrittää valokuvata revontulia. Rauhallisesti loimottavia tulia ehtii kuvata pitemmällä valotusajallakin, mutta väreissä leiskuvia tanssivia revontulia kuvatessa valotusaika voi olla vain muutama sekunti. Mekaanisella kameralla kuvattaessa tulee käyttää herkkää filmiä, kuten herkkyystasoa 1600. Digitaalisella kameralla kuvaaminen edellyttää jo perehtyneisyyttä kameran ja kuvaamisen saloihin. Asiasta innostuneet oppilaat ja opettaja löytävät keinot ja asetukset onnistuneiden otosten saamiseksi sekä kirjallisuuden että yrityksen ja erehdyksen kautta.
8) * Erikoisimpia tapoja havaita revontulien olemassaolo on kuunnella niitä radiolla. Oppilaiden joukossa saattaa olla innokkaita radioamatöörejä, jotka ”kuuntelevat” ympäristöä ja avaruutta eri taajuuksilla. Magneettikentän muutokset kuuluvat häiriöinä yhteyksissä. Oppilaat voivat etsiä Internetistä tietoa tästä alasta kiinnostuksensa mukaan ja yhteisessä keskusteluhetkessä jakaa tietoa muillekin. Kouluun saattaa syntyä jopa ”avaruuden äänien kuuntelukerho”.
Menetelmät: Luonnossa havainnointi, havaintovälineiden valmistus ja testaus, sähköiset mittaukset ja niiden analysointi, kaavioiden ja kuvaajien piirtäminen, keskustelu.
Materiaalit: Kiikarit, lasipurkkeja, peilejä, magneetteja, laserosoittimia, virta- ja jännitemittareita, metallitankoa, tietokone sopivine ohjelmineen, radio, askartelumateriaaleja.
Pohdittavaa: Keskustelu havainnoista ja mittausmenetelmistä on hyvin tärkeää. Kannattaa pohtia vakavasti tulosten luotettavuutta ja ennustavuutta. Tueksi etsitään yhdessä vanhoja tutkimus- ja mittaustuloksia.
Tulosten tarkastelua: Keskustellaan yhdessä luokan kanssa tuloksista. Vertaillaan havaintoja ja piirroksia. Varmennetaan käsitteiden ymmärtäminen ja kerrataan tarvittaessa. Kuunnellaan oppilaiden esitykset tutkimuksistaan ja löydöistään. Kootaan esityksistä revontulitaulu luokan seinälle.
Vinkkejä: Yritetään löytää oppilaiden joukosta erityisosaajia. Heitä voidaan käyttää asiantuntijoina. Käydään vierailulla lähiympäristössä sijaitsevassa tutkimuslaitoksessa, jos sellainen löytyy ja vierailu on mahdollista.
Asiasanoja: Aurinkotuuli, magneettikenttä, magnetosfääri, van Allenin vyöhyke, plasmavyöhyke, iskurintama,