Syrjävaaran Pimeätaivaskeskus, huhtikuu 2024
Valosaasteen määrä on huomaamatta lisääntynyt niin, että talviyön pimeys on suurelta osin menetetty. Maasta tehdyt mittaukset osoittavat tämän ja sen kuinka kauaksi valosaaste leviää arktisessa ilmastossa.
Syrjävaaran Pimeätaivaskeskus 2. helmikuuta 2024. Sony a7s II, 10000 ISO, Samyang 2,8 / 14mm
Tausta
Syrjävaaran pimeätaivaskeskus ylläpitää pimeänmittausketjua Itä-Suomessa Juuan, Kaavin ja Tuusniemen alueella (Kuva 1). Mittausten tarkoituksena on kerätä tietoa yöstä, pimeydestä ja valosaasteesta alueella.
Mittarit (SQM, Sky Quality Meter) sijaitsevat paikoissa, joissa itsessään ei ole hukkavalonlähteitä. Valo on lähtöisin kauempana olevista taajamista. Pohjoisen mittarin (SQM1) etäisyys Juuan keskustasta on 18 km. Syrjävaaran mittarista (SQM2) Outokumpuun on 15 km. Eteläinen mittari (SQM3) on 11 km päässä Tuusniemen keskustasta.
Kuva 1: Mittarien sijainnit valosaastekartalla (Light Pollution Map¹).
Pimeämittaukset tehdään tähtikirkkaina pimeinä öinä, jolloin ei ole revontulia ja Kuu on horisontin alapuolella. Mittauksissa mitataan tähtitaivaan valon ja ihmisen tuottaman valon suhdetta. Mitä enemmän ihmisen tuottamaa hukkavaloa on taivaalla, sitä valosaastuneempi taivas on.
Yöllä ja pimeydellä tarkoitetaan tässä sitä vuorokauden aikaa, jolloin aurinko on horisontin alapuolella vähintään 18 astetta. Kesällä ei ole pimeää yötä. Pimeän yön aika on syksystä kevääseen.
Syrjävaaran mittausasema perustettiin syksyllä 2021. Mittausketjun muut asemat pystytettiin maaliskuussa 2023, jolloin tämän artikkelin pohjana olevat mittaukset aloitettiin. Kesän -23 ajan mittarit olivat poissa päältä, koska ei ollut yöpimeää jota mitata. Ne käynnistettiin jälleen syksyllä. Mittausjakso kattaa tätä kirjoitettaessa lähes koko vuodenkierron. Mittausten perusteella on saatu uutta tietoa pimeydestä ja ilmakehän ilmiöistä, jotka vaikuttavat siihen arktisella alueella.
Mittaukset on tehty maantieteellisesti pienellä alueella. Artikkelissa tarkastellut ilmiöt ovat kuitenkin pohjoisten leveyspiirien ilmakehän yleisiä ominaisuuksia, ne eivät ole vain paikallisia. Tällä perusteella on syytä olettaa, että samat ilmiöt vaikuttavat valosaasteen leviämiseen koko arktisella alueella.
Mittausaika on tässä vain yksi vuosi. Vuosittainen vaihtelu ja sen vaikutusten arvioiminen vaatii huomattavasti pidempää tarkkailujaksoa. Vuosien välillä voi olla suuriakin eroja.
Pimeyden arvioiminen ja mittaaminen
Tähtikirkkaan taivaan pimeyttä voidaan arvioida silmämääräisesti sekä mitata valomittarilla. Mitä vähemmän valosaastetta on, sitä kirkkaampina ja selkeämpinä tähdet ja Linnunrata näkyvät. Valosaaste heikentää tähtien näkyvyyttä. Jos alhaalta tulevaa keinovaloa on liikaa, tähdet eivät näy laisinkaan. Pimeyden rajana pidetään yleisesti Linnunradan näkymistä taivaalla. Jos sen sumumaiset tähti- ja pölypilvet näkyvät selkeästi, on taatusti pimeää. Mutta jos Linnunradasta näkyvät vain tähtikuviot tai kirkkaimmat tähdet, valosaaste on ottanut selkävoiton tähtitaivaasta.
Valomittarilla mitattaessa Linnunradan näkyvyyden numeerinen raja on 21,2 magnitudia per kaarisekuntti toiseen. Jos arvo on pienempi, taivas on selkeästi valosaastunut. Vastaavasti mag. 21,2:ta korkeammat arvot kertovat pimeästä. Säkkipimeä, jossa paljain silmin ei näe mitään, saavutetaan täyspilvisellä säällä paikassa, jossa itsessään ei ole valolähteitä. Valomittari näyttää silloin arvoja mag. 22 tai sen yli. Korkeimmat mittausalueella mitatut arvot ovat yli mag. 24.
Pimeys ja lumi
Suomessa ja arktisella alueella maapallon kierto Auringon ympäri luo erityiset puitteet pimeälle kaudelle. Yö on osavuotinen ja sen pimeyteen vaikuttavat ilmiöt, joita kaikkia ei esiinny keskisillä leveyspiireillä. Talvikausi, jolloin meillä on pimeä yö, alkaa leveyspiiristä riippuen syyskuun alussa ja kestää huhtikuun alkuun (Kuva 2). Etelä-Suomessa pimeä aika on paria viikkoa pidempi ja pohjoisessa vastaavasti lyhyempi. Yön pimeä aika pitenee lähestyttäessä talvipäivänseisausta ja joulua.
Kuva 2: Joensuun graafinen almanakka². Pimeän aika on merkitty mustalla.
Vaikka niin saattaisi olettaa, yön pimeys ei syvene yön pidentyessä, vaan yöt kaikissa mittauspaikoissa olivat keskitalvella valoisampia kuin syksyllä tai keväällä. Kun ilman lämpötila laskee, tähtikirkkaat yöt valkenevat yhä enemmän ja vuoden kylmimpinä kuukausina joulu- helmikuussa useasti ei enää saavuteta kunnollista pimeyttä.
Eri keskustelupalstoilla on esitetty, että lumen heijastavuus lisää taivaan valoisuutta talvella, koska lumi heijastaa jopa 90 % siihen osuneesta valosta takaisin. Arviot valoisuuden lisääntymisestä liikkuvat 0,5 ja 1,0 magnitudin välillä. Karkeasti ottaen tämä tarkoittaa valon määrän puolitoista – kaksi ja puoli -kertaistumista. Tämä epäilemättä pitää paikkansa alueilla joissa on valaistus, mutta valaisemattomalla maaseudulla asia ei ole näin. Optimiolosuhteissa uuden lumen aikaan tehdyt mittaukset osoittavat sen selkeästi (Kuva 3). Valosaastekartan¹ antamiin arvoihin verrattuna ero on vain noin 0,1 magnitudia. Alueella, jolla itsessään ei ole valaistusta tai hukkavaloa, lumen vaikutus on hyvin pieni. Lumi ei selitä talven öiden kirkkautta.
Kuva 3: Mittaus uuden lumen aikaan, jolloin lumi on heijastavimmillaan. Valosaastekartan (LPM) arvo mittauspaikalle on 21,84.
Revontulien vaikutus
Revontulien vaikutus on lumen vaikutusta suurempi. Mittausalueen korkeudella horisontissa usein näkyvä pohjoinen vaalentuma, heikot Lapin revontulet, on normaali ilmiö. Geomagneettisen aktiivisuusennusteen kohonneet keltaiset arvot3 vaikuttavat jo pimeyteen. Vaikka tottumaton ei näe revontulia paljain silmin, valosaastemittauksessa ne näkyvät ja lisäävät valoisuutta huomaamatta noin 0,5 magnitudia. Hennotkin revontulet piirtävät kauniin pilvimäisen käyrän. Purkaushuiput näkyvät käyrän alentuneina arvoina (Kuva 4).
Kuva: Hyvin heikot revontulet ja purkaushuiput klo. 00.25 ja 01.50. Valoisuuden lisääntyminen noin 0,45 magnitudia verrattuna edelliseen (Kuva 3) käyrään samasta mittauspaikasta kolme päivää aiemmin.
Voimakkaammat revontulet valaisevat luonnollisesti enemmän, mutta paljain silmin ne havaitaan yleensä vasta kun ne yltävät vähintään 20 asteen korkeudelle. Suuri osa mittauksiin vaikuttavista revontulista jää huomioimatta, jos pohjoinen taivaanranta on pilvinen tai sitä ei näy laisinkaan. Revontulet ovat satoja kilometrejä korkeita, joten ne myös valaisevat taivasta revontuliovaalilta kauas satojen kilometrien päähän.
Koronapurkaukset ovat sitten aivan toista luokkaa. Ne valaisevat taivasta jopa enemmän kuin kolmen magnitudin verran. Pimeillä alueilla revontulien vaikutus valosaastemittauksiin on selkeä. Tästä syystä mittareiden parina on aina oltava taivas / revontulikamera, josta revontulien tilanne voidaan tarkistaa.
Pimeys, lämpötila ja kosteus
Pimeyden mittausarvot seuraavat vuoden kuukausittaisen keskilämpötilan muutoksia. Lämpimällä on pimeämpää ja kylmällä valoisampaa (Kuva 5). Syrjävaaran mittauspisteen ja Joensuun lentoaseman mittauspisteen välillä on 38 km, joten paikkojen kuukausittaiset keskilämpötilat ovat lähellä toisiaan (Kuva 6).
Kuva 5: Syrjävaaran pimeät yöt.
Kuva 6: Joensuun lentoaseman kuukausittainen keskilämpötiläkäyrä4.
Merkittävin ero keskilämpötilakäyrän ja pimeysarvojen välillä on keväällä. Huhtikuun ja syyskuun keskilämpötilat ovat lähellä toisiaan, mutta huhtikuussa on huomattavan pimeää ja kuivaa sateiseen syyskuuhun (kuva 6) verrattuna. Kevään vähäsateisuuden ja kuivuuden vaikutus mitattuun pimeyteen on selkeä.
Kuva 7: Kuukauden sadesummat Joensuun Linnunlahdessa, yhdeksän kilometriä kaakkoon lentoasemalta5.
Kosteusero näkyy myös mittauskäyrissä. Heinäkuusta alkaen syksy ja talvi ovat kevättä (Kuva 7) sateisempia. Sateisuus liittyy suoraan ilman kosteuteen, joka siroaa valoa ja jonka vaikutukset yhdessä ilman laskevan lämpötilan kanssa näkyvät mittauskäyrissä epävakaisuutena (Kuva 8).
Kuva 8: kosteuden vaikutus mittaukseen.
Kosteus aiheuttaa sen, että kirkkaimpinakin öinä ilma on jonkin verran sumea. Linnunrata kyllä erottuu taivaalta, mutta todella kirkkaasti se ei näy. Yön pimein hetki saavutetaan puolen yön ja aamukolmen välillä. Ala- ja keskipilvet aiheuttavat huomattavasti suurempaa vaihtelua.
Mittaustulosten hajonta
Kaikkien mittauspaikkojen pimeysarvot laskivat syksyn jälkeen (Kuva 9). Mielenkiintoista on se, että mittausten hajonta lisääntyi talven edetessä. Syksyllä arvot ovat vielä varsin lähellä toisiaan, mutta keskitalvella tilanne on selkeästi toinen.
Kuva 9: Ennen puolta yötä pohjoisessa SQM1 (sininen) ja etelässä SQM3 (keltainen) on ollut varsin voimakasta pilvisyyttä.
Syrjävaarassa SQM2 (punainen) metsäkoneet ovat olleet töissä puolille öin. Voimakkaat piikit alaspäin kertovat ohikulkevasta metsäkoneesta. Sen jälkeen kaikkien paikkojen taivas on seljennyt. Kirkkaan taivaan mittausten hajonta on noin 0,2 magnitudia.
Kuva10: Mittausten hajonta keskitalvella. Hajonta noin 0,4 magnitudia.
Talvella mittauspaikkojen huippuarvot ovat laskeneet ja valoisuuksien välillä on syntynyt eroja (kuva 10). Kun eri paikkojen valaistumista verrataan saavutettuihin parhaisiin keväisiin arvoihin, nähdään, että eteläisen mittarin talven valaistuma on enimmillään noin 0,6 magnitudia, Syrjävaaran noin 0,8 magnitudia ja pohjoisen noin 0,4 magnitudia. Kun nämä muutokset suhteutetaan mittarien etäisyyteen kuntakeskusten suurista valolähteistä, tilanne näyttää seuraavalta (Kuva11).
Kuva 11: Valoisuuden muutos suhteessa valolähteen etäisyyteen, talvikausi 2023-2024.
Valoisuus ei vähene tasaisesti suhteessa etäisyyteen, vaan on joissain paikoin kasvanut jopa kaksinkertaiseksi (mag. 0,8). Tämä viittaa siihen, että taivaalla on jotain, mikä heijastaa valoa. Heijastuksen huippu oli 15 kilometrin tienoolla viime talven olosuhteissa (Kuva 11). Sen sijaan että hukkavalo muodostaisi yhden kirkkaan tasaisesti etäisyyden mukaan heikkenevän valokeskuksen, heijastuminen aiheuttaa sen, että valolähteen ympärille muodostuu lisäksi valodonitsi joka sopivissa olosuhteissa laajentaa valosaastealuetta 15-20 kilometriä (Kuva 12). Pahimmillaan tämä voi tarkoittaa valosaastealueen pinta-alan kymmenkertaistumista. Kun tämä tapahtuu kaikkien vähänkään merkittävämpien valolähteiden ympärillä, vaikutus on selvä.
Kuva 12: Valorengas. Kuvituskuva on tehty valosaastekartan (LPM¹) päälle.
Troposfääri ja jääkidepilvet
Syytä valorenkaaseen ja pimeysmittausten tulosten ja kuukausittaisen keskilämpötilan yhteyteen on etsittävä kauempaa. Pimeämittaukset tehdään tähtikirkkaina kuuttomina öinä. Mittauspaikan taivaalla ei ole silloin paljain silmin havaittavaa pilvisyyttä. Ilmakehän alimman osan eli troposfäärin, ala- tai keskipilvien aiheuttamat heijastukset eivät voi olla pääsyy. Käytännössä asia on niin, että pilvisyyden lisääntyessä mittausten epävakaus lisääntyy kunnes pilvet peittävät taivaan täysin. Korkeimmat pimeysarvot saavutetaan, kun taivas on täysin riittävän paksussa pilvessä. Pilvet peittävät valon.
On varmaa, että tähtitaivaalta tuleva valon määrä ei vaihtele. On myös erittäin epätodennäköistä että kylmimmän talven aikaan ulkovalaistusta yleisesti lisättäisiin lähes kaksinkertaiseksi. Se voidaan olettaa vakaaksi. Vaihtoehdoksi jää, että jokin näkyvien pilvien yläpuolella oleva tekijä kondensoi hukkavaloa ja levittää sitä.
Ilmiön perimmäinen syy lienee troposfäärin ominaisuudet. Keskisillä leveyspiireillä ja päiväntasaajalla troposfääri on noin 20 kilometriä paksu, mutta navoilla se on enää noin 8 km paksu (Kuva 13). Lisäksi ilman lämpötila vaikuttaa troposfäärin paksuuteen. Lämpimällä se on paksumpi ja talven kylmillä ohuempi6.
Kuva 13: Troposfäärin paksuus7.
Kuva 14: Ilmakehän rakenne8.
Lähellä maan pintaa pilvet ovat vesihöyryä, mutta korkeammalle mentäessä ilmakehä jäähtyy (Kuva 14). Troposfäärin yläosassa pilvet ovat jääkidepilviä. Ne voivat vaikuttaa ohuilta ja läpinäkyviltä, mutta pilvien paksuus voi olla jopa kaksi kilometriä9. Mittaustulosten perusteella vaikuttaa siltä, että ne myös heijastavat valoa voimakkaasti.
Ilmeisesti, kun tropopaussi laskeutuu alemmaksi kylmällä, jääkidepilvet tulevat lähemmäksi maan pintaa. Pilvet voivat myös lisääntyä ja tulla paksummiksi. Ne käyttäytyvät kuin puoliläpäisevä peili tai veden pinta ja estävät valon vapaan leviämisen ilmakehään, kondensoivat sitä ja heijastavat sitä takaisin. Tämän vuoksi valosaaste leviää erityisen voimakkaasti talven kylmimpään aikaan.
Kuva 15: Heijastumisen aiheuttama valosaasteen leviäminen Itä-Suomessa keskitalvella. Kuvituskuva on tehty valosaastekartan (LPM¹) päälle mittausten perusteella.
Kevään lähestyessä kuukauden keskilämpötilat alkavat nousemaan. Troposfääri paksunee ja jääkidepilvien aiheuttamat heijastumat vähenevät. Tähtitaivas pimenee jälleen. Varsinainen taitekohta saavutetaan maalis-toukokuussa, jolloin pilvisyys ja kosteus alkavat vähenemään. Ilma kirkastuu ja näkyvyys paranee. Hyvin nopeasti pimeänmittauskäyrät muuttuvat täysin tasaisiksi. Vuoden pimeimmät ja kirkkaimmat yöt ovat saapuneet. Taivas on syvän pimeä, Linnunrata ja sen yksityiskohdat erottuvat erinomaisesti. Tätä vaihetta kestää kevätpäiväntasauksen jälkeen astronomisen pimeän loppuun. Sen jälkeen alkavat valoisat yöt.
Arktinen yö ja valosaaste
Silmälle lähes huomaamaton vajaan yhden magnitudin valosaasteen lisääntyminen riittää peittämään tähtitaivaan suurimman rakenteen, Linnunradan, näkyvistä. Samalla kolmasosa revontulista, hennoimmat revontulet, katoavat näkyvistä. Voimakkaammat revontulet himmenevät saman verran. Yhdentoista vuoden välein toistuvien revontulimaksimien välillä on monta vähäisempien ja himmeämpien revontulien vuotta.
Ilmakehä ei ole syyllinen arktisten öiden valkenemiseen vaan ihmisen tuottama valosaaste. Ilmakehän ominaisuuksien vuoksi valosaaste leviää alueella ympäristöön paljon voimakkaammin, kuin maapallon eteläisemmillä alueilla tapahtuu. Tämä tarkoittaa, että arktisella alueella valosaasteen vähentämiseen on kiinnitettävä huomattavasti enemmän huomiota. Arktinen yö on ainutlaatuinen mutta myös erityisen herkkä.
Arktinen yö pähkinänkuoressa
Vuoden pimeimmät ja tähtikirkkaimmat yöt saavutetaan huhtikuun alussa. Sen jälkeen alkavat valoisat kesäyöt jotka jatkuvat syyspäiväntasaukseen asti.
Syyspäiväntasauksen aikaan saavutetaan syksyn pimeimmät yöt.
Syys-lokakuussa lisääntyvä kosteus sumentaa tähtitaivasta, mutta yöt ovat pimeitä.
Talven edetessä pilvisyys lisääntyy niin, että marras-helmikuussa tähtikirkkaita öitä on hyvin vähän. Tällä jaksolla täyspilvisellä (8/8) säällä saavutetaan useasti säkkipimeys, mag. 22-24.
Talviaikaan jääkidepilvet heijastavat valosaastetta voimakkaasti, niin että joulukuussa taivaan ollessa pilvetön pimeää taivasta ei monin paikoin saavuteta. Kaupunkien ja taajamien lähellä on erityisen valoisaa. Kirkastuma on puolitoista- kaksinkertainen. Pimeät paikat ovat huomattavan kaukana taajamista.
Kun lämpötila helmikuun lopulla kääntyy jälleen lämpimän suuntaan, yöt alkavat pimenemään. Sään lämpenemisen ja kosteuden vähenemisen myötä taivas pimenee ja selkenee kohti maaliskuuta ja vuoden pimeimpiä öitä.
Lähteet
1 Light Pollution Map 2024. Interactive world light pollution map. https//www.lightpollutionmap.info/
2 Karttunen, H. 2024. Graphic Almanac for Joensuu. https://www.astro.utu.fi/zubi/ga/joensuu.htm
3 Auroras Now 2024. Aurora Alerts. https://aurorasnow.fmi.fi/public_service/
4 Suomen ilmatieteen laitos 2024. Weather data. https://www.ilmatieteenlaitos.fi/havaintojen-lataus
5 Suomen ilmatieteen laitos 2024. Weather data. https://www.ilmatieteenlaitos.fi/havaintojen-lataus
6 Karttunen, H. 2024. The Troposphere. https://www.astro.utu.fi/zubi/atmosph/tropo.htm
7 Timmermans, R. 2014. Studies of Atmospheric Dynamics from Space. ISBN 90-386-2191-4.
8 Karttunen, H. 2024. Atmospheric structure and composition. https://www.astro.utu.fi/zubi/atmosph/struct.htm
9 Haapanala 2017. On the solar radiative effects of athmospheric ice and dust. Report series in aerosol science N:o 198, p 21.