Auringon säteily ja kirkkausvaihtelut

Aurinko säteilee tuottamansa energian avaruuteen pääosin näkyvänä valona ja lämpö- eli infrapunasäteilynä. Maan etäisyydellä Auringon säteilyn teho (tarkemmin ilmaistuna vuontiheys) on noin 1366 wattia neliömetriä kohti. Tätä lukua kutsutaan aurinkovakioksi.

Nimestään huolimatta aurinkovakio vaihtelee vähäsen. Auringonpilkut ovat ympäristöään himmeämpiä, joten suurten pilkkuryhmien tummentaessa Auringon pintaa aurinkovakio voi pienentyä pari tuhannesosaa noin viikoksi eli siksi aikaa, kun pilkut vaeltavat Auringon meitä kohti olevan pinnan osan yli. Toisaalta pilkkujen ulkopuolinen osa Auringon pinnasta on hieman kirkkaampi silloin, kun Aurinko on aktiivisimmillaan. Tämän vuoksi Auringon keskimääräinen säteilyteho on 11-vuotisen pilkkujakson maksimin aikana suurempi kuin pilkkuminimin aikana. Ero on pieni, noin 1 W/m2 eli alle tuhannesosa koko säteilytehosta. 

Auringon säteilytehon vaihtelut 1976-2017

Aurinkovakion suuruus 1976–2017. Värikäs käyrä näyttää mittausten päivittäiset keskiarvot ja harmaa käyrä 81 vuorokauden liukuvan keskiarvon. Eri värit vastaavat eri satelliitteja, jotka aurinkovakiota ovat vuosikymmenten saatossa mitanneet. Säteilytehon pitkäaikaisvaihtelu noudattaa auringonpilkkujaksoa: Aurinko on keskimäärin kirkkaimmillaan, kun pilkkuja on eniten. Suuret pilkkuryhmät voivat kuitenkin hetkellisesti pienentää Maata kohti suuntautuvan säteilyn määrää: tämä näkyy kuvaajassa alaspäin suuntautuvina piikkeinä.

 

Aurinkovakio voidaan mitata tarkasti vain satelliitista, koska ilmakehä imee osan Auringon säteilystä. Siksi mittauksia on olemassa vasta 1970-luvun lopulta lähtien. Koska säteilyteho riippuu Auringon magneettisesta aktiivisuudesta, sen aiempia vaihteluita voidaan rekonstruoida auringonpilkkuluvun ja mallilaskelmien avulla. Tämä on kuitenkin varsin epävarma menetelmä, sillä kirkkausvaihteluiden syntymekanismeja ei täysin tunneta. Mallilaskelmien mukaan Aurinko oli Maunderin minimin aikaan noin 0,5 W/m2 himmeämpi kuin nykyisten tavallisten pilkkuminimien aikana.

Laskennallisesti 1 watin muutos aurinkovakiossa muuttaisi maapallon keskilämpötilaa noin 0,1 astetta. Tämän ennusteen mukainen auringonpilkkulukua seuraava pieni jaksollinen vaihtelu on juuri ja juuri kyetty havaitsemaan ilmastotilastoista. Auringon kirkkausvaihtelut ovat kuitenkin niin pieniä, että paljon suurempia muutoksia lämpötiloihin aiheuttavat ilmaston luonnollinen vaihtelu sekä kasvihuonekaasujen lisääntyminen. (Ilmasto-oppaassa kerrotaan lisää Auringon ilmastovaikutuksista.)

Kokonaiskirkkautta enemmän vaihtelee Auringon tuottaman ultraviolettisäteilyn määrä. Vaihtelu on suurinta pienimmillä aallonpituuksilla: alle 200 nanometrin UV-säteilyn määrä on pilkkumaksimin aikaan noin 30 % suurempi kuin minimin aikaan. Näin lyhytaaltoinen UV-säteily imeytyy ilmakehän yläosiin, missä sen määrän vaihtelu vaikuttaa stratosfäärin lämpötilaan ja kemiaan, muun muassa otsonin ja typen oksidien määriin. Auringonottajan ei tarvitse auringonpilkuista välittää, sillä UV-säteilyn määrään maanpinnalla vaikuttavat paljon voimakkaammin paikallinen säätila ja Auringon korkeus taivaalla.

Tässä kerrotut lyhyen ja keskipitkän aikavälin vaihtelut Auringon kirkkaudessa aiheutuvat muutoksista siinä, miten nopeasti energia pääsee siirtymään Auringon pintakerrosten läpi avaruuteen. Ytimen energiantuotanto ei vaihtele näin lyhyillä ajanjaksoilla. Se kasvaa miljardien vuosien saatossa, mutta tästä aiheutuva Auringon tasainen kirkastuminen ei ole ihmiskunnan iän puitteissa havaittavissa.

Säteilyn aallonpituusjakauma

Auringon säteilemän energian määrä aallonpituusväliä kohti on suurimmillaan näkyvän valon alueella. Näkyvä valo muodostaa kuitenkin vain kapeahkon kaistan koko sähkömagneettisesta spektristä. Auringon säteilemästä kokonaisenergiasta näkyvän valon alueelle mahtuu noin puolet; vajaa puolikas tulee infrapunasäteilynä ja pieni osa ultraviolettisäteilynä. Auringossa syntyy hieman myös lyhytaaltoista röntgen- ja gammasäteilyä sekä pitkäaaltoista radiosäteilyä, erityisesti roihupurkausten yhteydessä, mutta niiden osuus säteilyn kokonaisenergiamäärästä on mitätön.

Auringon säteilyspektri

Auringon spektri eli säteilytehon jaukauma eri aallonpituuksille. Musta käyrä on mittaustuloksiin perustuva todellinen tehojakauma avaruudessa. Punainen käyrä on teoreettinen nk. "mustan kappaleen" spektri 5600 celsiusasteen lämpöiselle kappaleelle. Aurinko noudattaa varsin tarkasti teoreettista mallia näkyvän valon ja infrapunan alueella, mutta ultraviolettialueella sen säteilyteho on "mustaa kappaletta" pienempi. Sininen katkoviiva on mitattu Auringon spektri maanpinnalla: ilmakehä on suodattanut pois suuren osan ultraviolettisäteilystä sekä joitakin aallonpituuskaistoja infrapuna-alueelta. Sininen käyrä oikealla näyttää vertailukohdaksi maapallon lämpöisen kappaleen teoreettisesti lasketun spektrin. Sen huippu on pitkäaaltoisen infrapunan alueella; Maa on aivan liian viileä säteilläkseen näkyvää valoa Auringon tapaan.
Kuva H. Nevanlinnan kirjasta Avaruussää – Auringosta tuulee (Ursa).