Ilmiö Auringossa: Heliografiset koordinaatit

KAK – Aurinkoon liittyy, aivan samoin kuin maapalloon, useita erilaisia koordinaatistoja. Tässä artikkelissa tarkastelen kolmea erijärjestelmää, kuitenkin vain määritelmä tasolla. Näiden lisäksi tarkastelen hieman syvällisemmin Auringon näkyvän kiekon koordinaatistoa, koska se on se järjestelmä, johon tähtiharrastaja varmimmin törmää.

Auringon ekliptinen koordinaattijärjestelmä (SE) ^[1][2][3]

SE on heliosentrinen koordinaatisto, jonka Z-akseli on kohtisuorassa ekliptiseen tasoon nähden ja siitä pohjoiseen. X-akseli ulottuu kohti kevätpäiväntasauspistettä.  Y-akseli täydentää oikeakätisen sarjan. Kevätpäiväntasauksen suunta muuttuu hitaasti; yleisesti mainitut päiväntasauksen aikakaudet ovat (1) B-1950, (2) Mean-of-(current) Date ja (3) J-2000. Ekliptinen pituusaste SE_LONG kasvaa nollasta x-suunnassa kohti Y-suuntaa; leveysaste SE_LAT kasvaa +90 asteeseen kohti ekliptisen pohjoisnapaa ja -90 asteeseen kohti etelänapaa.

Heliografinen inertiaalikoordinaatisto (HGI)

HGI-koordinaatit ovat aurinkokeskeisiä ja inertiaalisesti kiinteitä suhteessa X-akseliin, joka on suunnattu ekliptisen ja Auringon ekvaattori tasojen leikkausviivaa pitkin, ja se määrittää pituusasteen nollan, HGI_LONG. Auringon ekvaattori on kallistunut 7,25 astetta ekliptikasta. Tämä suunta oli 1. tammikuuta 1900 kello 12.00 UT 74,367 astetta ekliptistä pituutta kohti; maapallon päiväntasaajan prekessiosta johtuen tämä pituus kasvaa 1,4 astetta vuosisadassa. Z-akseli on suunnattu kohtisuoraan Auringon päiväntasaajaa vastaan ja siitä pohjoiseen, ja Y-akseli täydentää oikeakätisen sarjan. Pituusaste HGI_LONG kasvaa nollasta X-suunnassa kohti Y-suuntaa. Leveysaste HG_LAT kasvaa +90 asteeseen kohti pohjoisnapaa ja –90 asteeseen kohti etelänapaa. Nämä leveys- ja pituusasteet nimetään tulosteessa HLAT ja HILON.

Heliografinen pyörivä koordinaatisto (HG)

HG eroaa HGI:stä vain siten, että pituusasteen nollakohta HG_LONG on kiinnitetty Aurinkoon ja pyörii (sopimuksen mukaan) kiinteän 25,38 vorokauden jakson mukaisesti. Nollapituus määritellään pituusasteeksi, joka kulki Auringon ekliptisen päiväntasaajan nousevan solmun kautta ekliptisellä tasolla 1. tammikuuta 1854 klo 12 UT (juliaaninen päivä = 2398220,0). Pituuspiirejä kutsutaan myös Carringtonin pituuspiireiksi. Leveyspiiri on HG_LAT. Nämä leveys- ja pituuspiirit merkitään HLAT ja HLON, ja koko järjestelmää Carringtonin aurinkokoordinaatistoksi.

Koordinaatisto näkyvällä kiekolla

Auringon näkyvällä kiekolla leveys- ja pituuspiirit muodostavat samantapaisen koordinaatistoverkon kuin mitä geografiset koordinaatit maapallolla. Pisteen sijainnin määrittämiseen maanpinnalla käytetään kahta koordinaattia: leveys- ja pituuspiiriä. Leveys mitataan ekvaattorilta kohti napoja ja 0°:sta 90°:een. Pituutta varten asetetaan mielivaltaisesti alkumeridiaani (Greenwich), josta se mitataan itään ja länteen 0°:sta 180°:een.

Auringon koordinaatit on esitetty peitepiirroksen avulla valokuvan päällä. Kuva © Kari A. Kuure.

Auringon pinnan kohteille (esimerkiksi auringonpilkku) määritellään heliografinen pituus- ja leveyspiirit. Auringon pinnalla vain ei ole mitään pysyviä muodostelmia, joten koordinaattijärjestelmä on kiinnitetty näkyvän kiekon keskimeridiaaniin L₀ . Keskimeridiaanista itään tai länteen sijoittuvien kohteiden pituudet määritetään asteina ja merkitään ilmansuuntaa tarkoittavilla E ja W-tunnuksilla. Länsi (W) on Auringon näkyvän kiekon oikealla puolella ja vastaavasti itä (E) on kiekon vasemmalla puolella. Leveyskoordinaatit lasketaan Auringon ekvaattorilta alkaen, positiiviset leveydet ovat pohjoisella pallonpuoliskolla ja negatiiviset vastaavasti eteläisellä pallonpuoliskolla.

Tarvittaessa nämä koordinaatit voidaan muuntaa edellä esiteltyihin SE, HGI ja HG -koordinaateiksi.

Maapallon ratataso, ekliptika, ei ole Auringon ekvaattoritasossa, vaan siihen nähden noin 7,25° kallistuneena, kuten yllä olevassa HGI-järjestelmäkuvauksessa todettiin. 

Maapallon vuotuisesta kierrosta johtuen Auringon pohjois- ja etelänapa näkyy kallistuneena Maata kohti maksimaalisesti kahtena päivänä.  Nämä päivät ovat maaliskuun 6. (B₀= –7,25°) ja syyskuun 8. päivinä (B₀=7,25°). Miinus merkki tarkoittaa sitä, että pohjoisnapa on poispäin maapallosta.

Kahdesti vuodessa maapallo kulkee myös Auringon ekvaattoritason läpi, jolloin B₀=0. Nämä päivät ovat kesäkuun 6. ja joulukuun 7. päivinä.

Auringon heliografinen pohjoiseteläsuunta on samansuuntainen tähtitaivaan pohjoiseteläsuunnan kanssa. Kahdesti vuodessa Auringon pohjoisnapa (kallistuskulma P) on samansuuntainen tähtitaivaan pohjoiseteläsuunnan kanssa. Muina aikoina: P saa positiivisen arvon silloin, kun Auringon pohjoisnapa on kallistunut itään, ja negatiivisen arvon kun kallistuskulma on länteen.

Jotta asia ei olisi liian yksinkertainen, Auringon näennäiseen kallistuskulmaan vaikuttaa myös maapallon oma ekliptikan kohtisuorasta poikkeava kallistuminen. Kun tämä otetaan huomioon, havaitaan, että Auringon P-kulma on saa pienimmän arvonsa P= –26,3° huhtikuun 7. päivänä, ja suurimman arvonsa P= 26,3° lokakuun 11. päivänä, arvo P= 0° ovat tammikuun 5. ja kesäkuun 7. päivänä.

Koordinaattien määrittäminen

Käytännössä auringonpilkkujen paikat määritetään yleensä vain heliografisen koordinaatiston asteen tarkkuudella, jolloin koordinaatit voidaan hyvin määritellä graafisesti joko valokuvasta tai piirroksesta. Valokuvista pilkut voidaan määrittää myös aivan mekaanisesti piirtoheitinkalvon avulla, kun siihen tulostetaan koordinaatiston peitekaavio.

Koordinaatiston peitepiirroksen käytön ikävä puoli on se, että uuden peitepiirroksen joutuu tekemään hyvin usein, sillä B₀ ja P -koordinaattien arvot muuttuvat nopeasti. Peitepiirrosten kokonaismäärän puolittuu, jos niistä tekee kaksipuolisia siten, että kääntämällä ylösalaisin peitepiirrosta voi käyttää noin puolen vuoden kuluttua uudestaan. Ja vaikka samaa peitepiirrosta käyttäisikin esimerkiksi kolmena päivänä, niin koko vuoden havaintoihin niitä tarvittaisiin useita kymmeniä.

Ohjelmistoja

Internetissä on tarjolla ilmaisia ohjelmia, joilla voidaan analysoida Auringosta otettuja kuvia. Tässä pari esimerkkiä.

TiltingSun-G -ohjelman käyttöliittymä on suhteellisen selkeä ja helppokäyttöinen. Tästä ohjelmasta  voi avata samassa paketissa tulevan Graphics-ohjelman, jonka avulla voi tehdä haluamasi kokoisen peitepiirroksen tulostettavaksi tai liitettäväksi olemassa olevaan kuvaan peitepiirroksen tavoin.

Erittäin käyttökelpoinen heliografisten koordinaattien selvittämiseen on TiltingSun-G -niminen ohjelmisto. Se löytyy osoitteesta https://www.atoptics.org.uk/tiltdld.htm. Ohjelmisto on helppokäyttöinen, mutta siihen ei voi syöttää valokuvaa tai piirrosta. Tästä syystä sitä joutuu käyttämään peitepiirroksena joka heijastinkalvolta tai kuvaeditorissa käyttämällä ohjelman graafia kuvankaappauksen avulla. Ohjelmisto on hieman vanhahtava ja sen kehittelytyö on loppunut, mutta se on edelleen hyvin käyttökelpoinen.

Helio v4.1 ohjelman käyttöliittymä on myös selkeä ja helppokäyttöinen. Ohjelman hyvänä puolena on se, että siihen voi syöttää tarkasteltavan kuvan ja määrittää esimerkiksi auringonpilkkujen koordinaatit pelkästään hiirellä osoittamalla.

Hieman uudempi ohjelma Helio v4.1 on ladattavissa ilmaiseksi osoitteesta https://www.petermeadows.com/html/software.html#Helio

Käyttöjärjestelmä saattaa herjata ei-turvallisesta sivusta mutta voit sivuuttaa sen.

Ilmaisohjelma Helio v4.1 sisältää seuraavat ominaisuudet:

• Kuvan tai piirroksen voi syöttää ohjelmalle
• Määrittää Auringon sijainnin (RA, Dec, korkeus ja atsimuutti) ja Auringon parametrit (Bo, Lo, P, näennäinen halkaisija ja keskimeridiaanin Carringtonin kierto) tietylle päivämäärälle ja kellonajalle sekä havaitsijan leveys- ja pituusasteelle.
• Valitse aurinkokiekon suuntaus (mukaan lukien päiväntasaajan suuntaus ja alt-azimuutti)
• Näyttää keskimeridiaanin, Auringon ekvaattorin, leveys- ja pituuspiirit
• Syötä tai valitse auringonpilkun sijainti suoraan aurinkokiekossa
• Laskee auringonpilkun leveys- ja pituusasteet
• Syötä auringonpilkun koko ja laske auringonpilkun pinta-ala (miljoonasosina)
• Näyttää Carringtonin kierrosluvun auringonpilkun sijainnin kohdalla
• Seuraa auringonpilkkua kiekon halki ja kierrosta seuraavaan (tai edelliseen) käyttäen joko Carringtonin tai differentiaalisia kierroslukuja
• Tuottaa lokitiedoston auringonpilkkumittauksista
• Käyttöopas (PDF-muodossa)
• Helio v4.1 on ladattavissa zip-tiedostona. Käyttöopas sisältyy zip-tiedostoihin.

Viitteet

[1] https://nssdc.gsfc.nasa.gov/space/helios/plan_des.html

[2] W. T. Thompson: Coordinate systems for solar image data, Astronomy & Astrophysics, September 27, 2005. https://secchi.nrl.navy.mil/cnsrtm/docs/coordinates.pdf

[3] M.Fränz: Heliospheric Coordinate Systems; Planetary&Space Science, 50, 217ff.(2002) March 13, 2017. https://www2.mps.mpg.de/homes/fraenz/systems/systems3art.pdf