Virmalised (2)

Eesti mereakadeemia
Teaduskond
Õppetool
Gretel Roze
VIRMALISED , NENDE TEKE JA LEVIK
Referaat
Juhendaja :
Lia Pahapill
Tallinn 2011
Sisukord
Sissejuhatus 4
Virmaliste teke 5
Virmaliste värvid 8
Virmaliste ovaal ja värvilised kardinad 8
Virmaliste kuju 10
Virmalisi teistel planeetidel 13
Kokkuvõte 15
Kasutatud kirjandus 16

Sissejuhatus

Virmalised dirigeerivad graatsiliselt päikeseballetti, mis etendub jäiselt taevarannalt, saates valgusest moodustunud laineid ja figuure ebamaise sujuvusega tantsima maailma suurimale näitelavale, Soome jäätunud tasandiku kohal kummuvale süsimustale taevale . Lõikav tuul kihutab üle polaarjoone, lüües hambad põhjavalgust imetlema kogunenud inimeste ninadesse ja kõrvadesse. Talvisel imedemaal on kõik vaikne ja rahulik. – C.A. Hendren
Maakera inimestest elab umbes 2% piirkondades, kus virmalised esinevad.
Soomes nimetatakse virmalisi revontulet, pohjanpalot, taivaanvalkeat ja rutjat. Ka eesti keeles on mitemeid erinevaid nimetusi, näiteks põhjavalgus, virmalid, virmalused, virmad, polaarvalgus. Inglise keeles on virmalistel nimeks northen lights, tavaliselt lihtsalt aurora. Virmalised esinevad nii põhja- kui ka lõunapoolkeral. Neid nimetatakse vastavalt Aurora Borealis ja Aurora Australis (ladina keeles 'põhjakoit' ja 'lõunakoit'). Üldnimetus on Aurora Polaris 'polaarkoit'.
Käesolevas referaadis uurin kuidas virmalised tekivad, kus nad tekivad, millseid erinevaid kujusid ja värve nad moodustavad ning kas neid esineb ka mujal planeetidel.

Virmaliste teke

19 sajandi alguses usuti , et maakera on õõnes, ning mõlemal poolusel on auk. Arvati, et virmalised tekivad nendest aukudest paistva Maa laava kumana. Nüüd teame juba, et virmalised tekivad Päikese ja Maa vaheliste sidemete põhjal. Virmaliste tekkes osalevad Päike, päikesetuuled, planeetidevaheline magnetväli, Maa magnetväli ja magnetosfäär ning Maa atmosfäär ja ionosfäär.
Virmalised on atmosfääri kõrgemates kihtides esinev optiline nähtus, mille põhjustajaks on Päikeselt lähtuvate laetud osakeste (niinimetatud päikesetuule) kokkupõrked Maa atmosfääri osakestega.
Virmalised tekivad, kui atmosfääri aatomeid ergastatakse päikesetuule osakeste poolt. Ergastuse tulemusel kiirgub valguskvant, mida inimesed näevad virmalistena. Maa magnetpooluste asetsemise tõttu suurtel laiustel on ka virmalised jälgitavad keskmiselt 60-kraadisel või kõrgemal laiusel. Et magnetiline lõunapoolus paikneb Kanadale kuuluva Ellesmere'i maa lähedal, siis on virmalised Põhja-Ameerikas samal laiusel paremini vaadeldavad kui Euroopas. Virmalisi on nähtud isegi Floridas , samal laiusel asuvatel Kanaari saartel on see praktiliselt võimatu.
Virmalised on seotud magnetpoolustega, sest neid tekitavad päikesetuule osakesed on laetud ning nad liiguvad Maa magnetvälja sattudes piki selle jõujooni, sisenedes atmosfääri magnetpooluste kohal.
Virmalisi juhib Maa
Maa on kõige muu kõrval ka üks tohutu suur magnet. Seda taipasid juba 2200 aastat tagasi hiinlased , kes ehitasid orienteerumist abistavat kompassi. Maa magnetpoolused asuvad üsna lähedal Maa geograafilistele poolustele. Magnetväli aga suunab laetud osakesed, näiteks elektronid ja prootonid. piki oma jõujooni. Seda magnetvälja omadust kasutatakse laialdaselt meie koduses televiisoritorus, kus katoodilt väljunud elektronid pannakse muutuva magnetvälja mõjul just õigesse kohta ekraanil. Sama juhtub ka Maa magenetväljas, kuhu kaugemalt kosmosest aeg-ajalt satuvad laetud elementaarosakesed. Liikudes piki jõujooni edasi, jõuavad laetud osakesed paratamatult Maa pooluste lähedusse, kus nende kiirus võib osutuda piisavaks, et ergastada atmosfääris leiduvate gaaside neutraalseid, laenguta aatomeid. Ergastatud olekusse sattunud aatom aga kiirgab saadud energia kiirelt valguse kujul tagasi. Osa sellest valgusest on meile nähtav ja nii me virmalisi näemegi. Tegelikult toimub selline protsess kogu aeg, kuid alati ei ole seda palja silmaga näha. Näha saab seda vaid siis, kui kiirgavate aatomite ja ergastavate osakeste hulk on piisavalt suur. Ja vaid siis nimetame seda loodusnähtust virmalisteks. Norralane Kristian Birkeland oli teadlane , kes ülaltoodud seletuse 1908. aastal esimesena välja pakkus ning praeguse hetkeni ei ole me suutnud teisi teooriaid välja mõelda.

• Peale valguse ja soojuse vabaneb Päikselt tohutuid osakestehulki. Osakesed eemalduvad ümbritsevasse ilmaruumi päikesetuulena, mis veab endaga kaasa ka Päikese magnetvälja.
  
• Päikesetuul põrkub Maa magnetväljaga ning see moodustab päikesetuulde ööne, mida nimetatakse magnetosfääriks. Päikesetuule survel on magnetosfäär päikesepoolselt küljelt sisse litsutud, vastasküljelt aga veninud pikaks sabaks.
  
• Kui tingimused on soodsad, pääsevad Päikeselt pärinevad osakesed Maa magnetosfääri ja kogunevad ajapikku selle sabasse
  
• Magnetosfääri sabas mõjuvad jõud tõukavad osakesi Maa suunas
  
• Omandanud küllaldase kiiruse, tormavad osakesed piki maakera magnetvälja Maa atmosfääri ülaosasse – ionosfääri. Maa magnetvälja ehitus on selline, et osakesed liiguvad ionosfääris ümber ovaalsesest piirkonnast Maa kummalegi poolusele. Neid virmaliste esinemise piikondi kutsutakse virmalisteovaalideks.
  
• Suundunud magnetosfäärist ionosfääri, hakkavad osakesed põrkuma ionosfääri osakestega. Põrgetel kandub sissetunginud osakeste energia ionosfääri osakestele.
  
• Põrkel lisaenergia omandunud ionosfääri osake saab energialisa ainult lühikest aega endale hoida, seejärel loovutab osake energia nõrga valgusvälgatusena.
  
• Et magnetosfäärist tungib atmosfääri ülaosasse miljardeid osakesi, toimub põrkeid tohutul hulgal ja hetke pärast võime näha lugematuist pisivälgatustest moodustuvaid virmalisi
  
• Põrked toimuvad kõige sagedamini 100-300 km kõrgusel, kus enamasti ilmuvad ka virmalised.
  

Virmaliste värvid

Virmaliste värvid tulenevad eelkõige atmosfääris leiduvatest gaasidest. Nii kiirgab hapniku aatom tavaliselt rohelist valgust, punane värv on aga iseloomulik lämmastiku aatomitele. Virmaliste heledus, nende aktiivsus, on tihedalt seotud Päikese seisundiga . Kuna suurem osa virmalisi põhjustavatest laetud osakestest on pärit Päikese välimistest kihtidest, seega mida aktiivsem on Päike, seda enam näeb Maa peal virmalisi.
Levinuim värv on roheline. Sageli võib näha ka punast ja sinist . Kollakasroheline valgus pärineb hapnikuaatomitest, mille täpne lainepikkus on 557,5 nm ning see tekib tavaliselt 100-200 km kõrgusel ja kiirgab mõni sekund. Punast valgust on näha kahes varjundis: virmalistekaare alaservas intensiivne purpurpunane lainepikkusega umbes 670 nm ning virmaliste ülaosas erepunane, lainepikkusega 630 nm, kiirgub lämmastikumolekulidest ja seda ajendab tugev osakestevihm. Purpurpunast on näha 90 km kõrgusel ning see on kõige madalamalt tulev virmaliste kiirgus. Sinine valgus tuleb peamiselt ioniseeritud lämmastikuaatomitest, kõige tugevam on ta 427,8 nm lainepikkusel.

Virmaliste ovaal ja värvilised kardinad

Kui kosmosest tulev kiirgus mingil põhjusel tugevneb, hakkab kõigepealt helenduma ioniseeritud hapnik umbes saja kilomeetri kõrgusel. See roheka värvusega helendus ümbritseb magnetpooluseid 9-10 tuhande kilomeetrise läbimõõduga ovaalina, mille lähim „ots” asub Norra ranniku kohal. Eesti taevas paistab virmaliste ovaal - kui üldse paistab - madala helenduva kaarena põhjataevas. Muudest valgusnähtustest (ehavalgus, linnakuma, kõrgpilved) eristab teda väga ühtlane heledus ja see, et allapoole jääv taevaosa on kaarest endast selgelt tumedam .
Eesti asub oma kõrgele laiuskraadile vaatamata virmaliste vaatlemiseks ebasoodsas kohas. Nimelt paikneb magnetiline põhjapoolus vastaspoolkeral, Kanada arktilises saarestikus. Ameerika ongi virmaliste maa, Montrealis on nad sama hästi näha kui Soomes Lapimaal ja nii nagu Eestis paistavad isegi veel Floridas. Parimad virmalised on ovaali all. Seda kahel põhjusel: esiteks nad ongi selle piirkonna kohal, teiseks paistab „ kardin ” seda heledam, mida väiksema nurga all teda näeme.
Veelgi tugevama laetud osakeste voo korral hakkavad helenduma ka kõrgemal asuvad õhukihid. See valgus on punaka tooniga ja tema heledus kõigub vastavalt kiirguse ebaühtlusele. Ovaali kohale tekib värviline „kardin”. Eestis paistavad maapinnalt sellised virmalised kaarega ristuvate kiirtena ja värve üldjuhul näha pole, sest valguse intensiivsusest ei piisa meie värvinägemise käivitamiseks.
Ülitugevaid virmalisi tuleb ette siis, kui Maa „saab otsetabamuse” mõne Päikesest välja paiskunud plasmapilvega. Prootonite voog tugevneb tuhandeid kordi , nende pidurdamisel tekkivad elektrivoolud rikuvad Maa magnetvälja. Ovaal hakkab laienema (kaar kerkib ülespoole) ning jaguneb osadeks , mõnel juhul kaob sootuks. 2000 aasta 7. aprilli ööl seniidis näha olnud " sigar " või "kroon" oligi tõenäoliselt üks ovaali osi.
Virmaliste „kroon” ööl pildistatuna aprillis 2000 aastal Arukülas Tallinna lähedal

Virmaliste kuju

• Kaar - Pikad, parimal juhul horisondist horisondini ulatuvad rahulikud virmalised, mille alaserv on korrapärane. Nähtav videvikust alates
  
• Vöö – Kaart meenutav moodustis , kuid selgelt aktiivsem ja ebakorrapärase alaservaga. Tihti väänlev, täis kiiri ja vööte
  
• Kardin – Lai, kiiri täis virmalistevöö, mis paistab külgsuunast
  
• Spiraal – Spiraaliks keerdunud virmalsitevöö; põhjapoolkeral keerdub päripäeva, lõunapoolkeral vastupäeva
  
• Pööris – Aktiivses vöös paistavad spiraalist väiksemad vingerdavad struktuurid, mis keerduvad põhjapoolkeral vastupäeva, lõunapoolkera päripäeva
  
• Kroon – Laiad aj kiirterohked virmalised, mille kiired näivad suunduvat ühte punkti, moodustades otse vaatleja pea kohale krooni
  
• Kiir – Üksik, kitsas , sambalaadne, väga kõrgel tekkiv virmalisemoodustis
  
• Diffuussed virmalised – Hajusad, hägused, ebaselgete servadega virmalised. Väikses lapid ja laiad loorid
  
• Mustad virmalised – Laia virmalisteala keskel asuv tume piirkond. Ala, kus virmalistevalgust ei teki.
  

Rohekas -lilla kaar
Punakas-roheline kaar 250km kõrgusel

Virmalisi teistel planeetidel

Virmalisi on võimalik näha ka teistel planeetidel. 1994.-95. aastal pildistas Hubble’i taevateleskoop Jupiteri atmosfääris mitmel korral virmalisi. Kuna seal esineb pigem vesinikku, tuli virmaliste jälgimiseks kasutada ultraviolettkiirtele tundlikku kaamerat. Jupiteri virmalised erinevad Maa virmalistest veel ka seetõttu, et need ei ole põhjustatud Päikeselt saabunud päikesetuulest. Laetud osakesi tarnib Jupiteri jaoks tema vulkaaniline kaaslane Io, millel toimuvad vulkaanipursked paiskavad samuti kosmosesse hulga laetud osakesi. On loomulik, et virmalisi uuritakse eelkõige seal, kus neid esineb kõige rohkem. Soomlased on kõige enam pühendunud virmaliste uurijad . Küllap kasvab ionosfääri uurimine edaspidi veelgi, sest lähituleviku mastaapsed kommunikatsiooniprojektid eeldavad ionosfääris toimuva veelgi paremat tundmist. Ka meie võiksime proovida kasvõi kord elus neid kummalisi loodusnähtusi näha, seda enam, et nüüd on selleks saabumas soodsad ajad.
Saturn on Päikesesüsteemi kuues planeet. Saturni keskmine kaugus Päikesest on 9,5 astronoomilist ühikut. Saturn on tuntud oma rõngaste poolest ning tal on vähemalt 60 kuud. Saturn teeb täistiiru ümber Päikese 29,5 Maa aastaga. Teadlased on uurinud, et Saturni päeval, mis Maa mõistes kestab kümme tundi ja 47 minutit, toimub virmalistes muutusi. Keskpäeva ja kesköö osade ehk siis vasaku ja parema poole virmalised muutuvad vaheldumisi mitmeks tunniks säravamaks ja paremini nähtavaks. Oletatakse, et see säravamaks muutumine on seotud päikesevalguse langemise suunaga. Saturni poolustel tekivad virmalised, kui päikesetuule osakesed suunatakse planeedi magnetvälja poolt pooluste suunas. Atmosfääris reageerivad need osakesed elektriliselt laetud gaasiga , tekitades valguse. Kuid Saturni virmalisi võivad põhjustada ka elektromagnetlained, mis tekivad, kui Saturni kuud läbivad selle planeedi magnetosfääris sisalduv plasma.

Kokkuvõte

Käesolevast referaadist saime teada, et virmalised tekivad tänu Päikese ja Maa vaheliste sidemete põhjal. Virmaliste tekkes osalevad Päike, päikesetuuled, planeetidevaheline magnetväli, Maa magnetväli ja magnetosfäär ning Maa atmosfäär ja ionosfäär. Saime ka teada, et virmalised võtavad erinevaid kujusid ning moodustuvad atmosfääris olevate gaaside tõttu erinevaid värve nagu näiteks hapniku aatomitega tekib roheline ja punane värvus ning lämmastikaatomitega sinine ja purpurpunane värvus. Samuti ilmnes tõsiasi, et virmalised esinevad ka teistel planeetidel nagu näiteks Jupiteril ja Saturinil.

Kasutatud kirjandus

• Jouni Jussila „Virmalised põhjavalguse lummas”
  
• http://www.postimees.ee
  
• http://www.loodusajakiri.ee
  
• http://et.wikipedia.org
  

16