Nerokas fyysikko Werner Heisenberg esitti epätarkkuusperiaatteen, joka kuvaa matemaattisesti mikromaailman häilyvyyttä. Hiukkanen voi esimerkiksi olla yhtä aikaa täällä ja tuolla tai vaikka Kuussa. Se ei istu arkijärkeen, mutta silti epätarkkuus vaikuttaa elämään ja tekniikkaan. Ilman sitä ei Aurinkokaan loistaisi.

Teksti: Petri Forsell

Nerokas fyysikko Werner Heisenberg esitti epätarkkuusperiaatteen, joka kuvaa matemaattisesti mikromaailman häilyvyyttä. Hiukkanen voi esimerkiksi olla yhtä aikaa täällä ja tuolla tai vaikka Kuussa. Se ei istu arkijärkeen, mutta silti epätarkkuus vaikuttaa elämään ja tekniikkaan. Ilman sitä ei Aurinkokaan loistaisi.

Julkaistu Tiede -lehdessä 9/2010Kun näppää kitaran kieltä, menee hetki, ennen kuin sävel asettuu oikealle korkeudelle. Mitä matalampi ääni – eli mitä pidempi aalto – sitä kauemmin asettuminen kestää. Nopeasti peräkkäin soitetut matalat äänet puuroutuvat, kun taas korkeat äänet erottuvat paremmin toisistaan. Siksi rockbändeissä lurittelevat sooloja kitaristit eivätkä basistit.Aallonpituuden ja ajan välinen yhteys pätee myös muihin kuin ääniaaltoihin. Laboratoriossa voidaan luoda niin terävä ja lyhytkestoinen aalto, että kokonuottiin verrattuna se on kuin yksi sekunti sataan miljoonaan vuoteen verrattuna. Ja vieläkin paremmaksi voidaan panna: aallon pikkuruinen kesto voitaisiin jakaa vielä biljoonia kertoja – mutta ei loputtomasti. Lopulta on vastassa raja, jonka jälkeen puolituksen tulos on sattumanvarainen. Tuo raja on Heisenbergin epätarkkuusperiaate. Periaate ilmaistaan usein niin, että alkeishiukkasen paikkaa ja nopeutta (tai liikemäärää) ei voi mitata yhtä aikaa mielivaltaisen tarkasti. Muita mittaamattomia pareja ovat esimerkiksi aika ja energia (tai taajuus). Tarkkuus ei kasva mittalaitteita parantamallakaan. Sillä on määränsä, joka aiheutuu siitä, mitä hiukkaset ja aallot sekä kentät ovat – tai eivät ole. Hiukkaset ovat sekä hiukkasia että aaltoja, mutta kuten Werner Heisenberg itse totesi, molemmat olomuodot ovat vertauskuvallisia apukeinoja vajavaiselle ymmärryksellemme.

Hiukkanen häilyy ei missäänMaailmamme pienimmät rakenneosat ovat häkellyttäviä, täysin kuvittelukykymme ulkopuolella. Emme voi luoda mielessämme kuvaa esineestä, joka on yhtä aikaa jalkapallo ja valonsäde tai vasara ja c-sävel. On vain hyväksyttävä, että alkeishiukkaset ovat jotakin sellaista, millä on sekä hiukkasen että aallon ominaisuudet. Tämä kaksinaisuus on Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen ytimessä.Jos inhimillinen ymmärrys on tässä asiassa vajaa, luonto ei pärjää sen paremmin. Hiukkasen nopeutta ja paikkaa ei voi mitata täydellisesti, koska hiukkanen ei itsekään tunne ominaisuuksiaan: se on todennäköisemmin yhdessä paikassa kuin toisessa, mutta täysin varmasti ei missään.Tämäkin Tiede-lehti muodostuu joukosta todennäköisyysaaltoja. Jos pystyisi laskemaan jokaisen aallon todennäköisyyden ja yhdistämään ne graafisesti, kuvaus vastaisi suurin piirtein lehteä. Sen reunat olisivat kuitenkin häilyvät, ja siellä täällä jokin aalto erkanisi kokonaisuudesta, koska jokin hiukkasista on todennäköisemmin kahvikupissa, naapurin keittiössä tai Kuussa.Arkielämässä epätarkkuusperiaatteella ei ole paljon sijaa – ainakaan ensi katsomalla. Lehden osia ei tarvitse haalia ympäristöstään. Jos heittää palloa, sen sijainnin epätarkkuus on alle 10-30 millimetriä eli ei edes milllimetrin miljardisosan miljardisosan miljardisosaakaan. Ei voi syyttää Heisenbergia, jos ei saa koppia.Silti maailmamme olisi ikävällä tavalla toisenlainen, ellei alkeishiukkasten maailmassa ilmenisi epätarkkuutta.

Ei elämää ilman tunneloitumistaKoska hiukkasella ei ole täsmällistä paikkaa, se voi tietyllä todennäköisyydellä sijaita myös kohdassa, josta sitä ei odottaisi löytävänsä. Tällä tunneloitumiseksi sanotulla ilmiöllä on suuri merkitys maapallon elämälle. Ilman paikan epätarkkuutta Auringon vetyatomien ytimet eivät nimittäin pääsisi niin lähelle toisiaan, että pystyvät yhdistymään heliumiksi ja samalla tuottamaan meille välttämätöntä lämpöä.Heisenberg esitti periaatteensa 1927. Kaksi vuotta myöhemmin saksalainen fyysikko Fritz Houtermans osoitti laskelmillaan, että tunnelointi selittää täsmälleen Auringon ja tähtien loisteen salaisuuden. Hän pani keksintönsä käyttöön jo samana iltana kehaisemalla Charlotte Riefenstahl -nimiselle naiselle olevansa ainoa ihminen, joka tietää, miksi tähdet loistavat. Charlotten ja Fritzin häitä juhlittiin kaksi vuotta myöhemmin.Tunneloitumista tapahtuu lähempänäkin. Kutakuinkin kaikki sähkökatkaisimet toimivat sen varassa. Niiden kytkimet on joko suojattu silikoniöljykerroksella hapettumista vastaan tai ne ovat hapettuneet. Metallipintojen välissä on siis joko öljy- tai oksidimolekyylejä, ja ilman tunneloitumista elektronit eivät pääsisi etenemään pinnasta toiseen.Vieläkin likeisempi tunneloitumispaikka on meissä itsessämme. Ellei protoni (eli vetyatomin ydin) tunneloituisi soluissamme, vitamiinit eivät pääsisi vaikuttamaan juuri niihin biologisiin prosesseihin, jotka ovat välttämättömiä terveydelle ja hyvinvoinnille.

Tarkin kello käy epätarkkuudellaEpätarkkuusperiaate voi hämätä ajattelemaan, että fysiikassa asiat saavat olla vähän rempallaan: eihän sen nyt niin jämptiä tarvitse olla. Tosiasiassa kyseessä on pikemmin tarkkuusperiaate, sillä tarkkuuden raja-arvo on hämmästyttävän pieni. Esimerkiksi kvanttisähködynamiikka, joka ponnistaa epätarkkuusperiaatteen pohjalta, on kaikkein täsmällisimmin testattu teoria. Se on niin tarkka, että jos vaikka Kiina tunnettaisiin vain teoriassa, teoria ennustaisi Kiinan muurin pituuden millimetrin kymmenesosan tarkkuudella.Tarkkuutta hyödynnetään ajan mittaamisessa. Maailman tarkimmat kellot ovat epätarkkuuskelloja – joskin niitä nimitetään yleensä kvanttikelloiksi. Kvanttikellon toiminta perustuu siihen, ettei energiaa ja aikaa voi mitata yhtä aikaa täysin tarkasti.Kvanttikellossa alumiini- ja magnesiumatomeille annetaan pieni annos lisäpuhtia laserilla, jolloin atomi virittyy korkeampaan energiatilaan. Virittynyt atomi on kuin pintaan painettu imukuppi: ennemmin tai myöhemmin se poksahtaa takaisin. Mitä pidempään virittynyt tila säilyy, sitä suurempi on energian epätarkkuus. Vastaavasti ajan epätarkkuus pienenee.Kvanttikelloissa virittynyttä tilaa pitää yllä mutkikas atomien ja lasereiden verkosto. Tällä tavoin on rakennettu kelloja, jotka noin neljässä miljardissa vuodessa erehtyvät sekunnin.

Pieni pujahtaa, iso laahaaAlusta saakka kvanttimekaanikkoja on kiinnostanut, miten suurissa mitoissa kvantti-ilmiöitä voi esiintyä. Yhden alkeishiukkasen saa helposti kahteen paikkaan tai tunneloitumaan seinän läpi. Atomi tai pieni molekyyli voi myös kulkea kahdesta aukosta yhtä aikaa. Mitään periaatteellista estettä ei ole, ettei suurikin kappale voisi otollisissa oloissa säilyttää epätarkkaa kvanttitilaa.Ihminen voisi mennä kahdesta ovesta yhtä aikaa, kunhan hänen aallonpituutensa saataisiin tarpeeksi hitaaksi. Tähän kyllä tarvitaan aikaa: meidän kokoisemme kappaleen hidastamiseen ei riitä edes maailmankaikkeuden ikä. Yhtä kauan meiltä kestäisi tunneloitua seinän läpi. Mahtava taikatemppu, jos yleisö vain malttaa odottaa.Pienillä kappaleilla epätarkkuusperiaate saadaan esiin tutkijan työpäivän aikaskaalassa. Laboratorioissa voidaan esimerkiksi pieni metallinpala pakottaa paikalleen äärimmäisen tarkasti, jolloin liikemäärästä tulee epätarkka ja metalli alkaa värähdellä.Nanotekniikan tutkimuskohteet vaikuttavat joskus miltei eläviltä epätarkkuusperiaatteen vuoksi. Alumiinilastut kylmenevät, kun niitä mitataan, ja nanoputket heiluvat, koska eivät tiedä paikkaansa painovoimakentässä.

Tekniikka kohtaa rajansaTekniikan kehittyessä kvantti-ilmiöt tunkeutuvat arkipäiväämme. Tietokoneiden laskentateho on kasvanut tasaista vauhtia, mutta tien pää häämöttää jo. Nykytekniikalla prosessorit saavuttavat jo noin kymmenen vuoden kuluttua rajan, jossa erityyppiset puolijohdekerrokset ovat vain noin viiden elektronin etäisyydellä toisistaan.Viisi sopuisaa ihmistä voi olla viiden ihmisen kokoisessa tilassa, mutta elektroni tarvitsee enemmän omaa tilaa. Jos sen ahtaa liian pieneen koloon, se lisää nopeuttaan kuin kiukkuinen ampiainen tulitikkurasiassa. Viiden elektronin mitta alittaa Heisenbergin määrittelemän vähimmäistilan. Nopeuden kasvaessa elektronin paikka muuttuu tuntemattomaksi, ja prosessori menee oikosulkuun.Onneksi epätarkkuusperiaate saattaa myös selvittää aiheuttamansa sotkun. Tulevaisuudessa siirryttäneen piisirupohjaisista tietokoneista kvanttitietokoneisiin, joiden teho perustuu niin sanottuun superpositioon. Se tarkoittaa, että kvanttibitti ei ole joko nolla tai ykkönen vaan se voi olla samalla kertaa molempia. Kvanttikoneen rinnakkaislaskenta olisi huipputehokasta, mutta ongelmana on saada tulos koneesta ulos – silloin bittien monikasvoisuus katoaa.Tekniset ongelmat on tehty ratkaistaviksi, ja viidenkymmenen vuoden päästä tietokoneiden arvellaan saavuttavan ihmisaivojen tehon. Mutta taas epätarkkuus saattaa puuttua peliin. Ainakin matemaatikko Roger Penrose uskoo, että nopeinkaan tietokone ei kehitä tietoisuutta, koska epätarkkuusperiaate estää sen. Penrosen mukaan aito tietoisuus syntyisi sattumanvaraisista kvantti-ilmiöistä, jotka ovat tietokoneohjelmien algoritmeille myrkkyä. Terminaattoreita vastaan kvanttimekaniikka on siis parempi kuin pyssyt ja pommit.

Taivaskin kumartaa HeisenbergiaVaikka epätarkkuusperiaatteen mittakaava on pieni, ilmiöllä on mahtava vaikutus myös universumin massiivisimmissa kappaleissa.Mustat aukot tekevät tapahtumahorisonttinsa kätköissä fysiikan laeille ties mitä temppuja, mutta epätarkkuusperiaatteelle nekään eivät mahda mitään. Periaate nimittäin saa mustan aukon menettämään massaansa niin sanottuna Hawkingin säteilynä. Aukko hupenee hiukkanen kerrallaan, ja lopulta se ikään kuin kiehuu olemattomiin. Suuren mustan aukon tyhjeneminen tosin kestäisi niin kauan, että käytännössä sellainen tuskin häviää.Kosmologian ja epätarkkuusperiaatteen yhteiselo ei muutenkaan ole auvoista. Maailmankaikkeuden ja epätarkkuuden sovittamisessa yhteen on paljon ongelmia.Oliko maailmankaikkeudella tietty alkuhetki vai syntyikö se pienimpänä epätarkkuuden sallimana aikayksikkönä, niin sanotun Planckin ajan rajoissa? Epätarkkuusperiaatteen valossa maailmankaikkeutemme saattaa myös elää yhtä monista peräkkäisistä sykleistään. Aikanaan se puristuu taas kokoon ja alkaa sitten uudestaan laajeta. Tai kenties koko universumimme on vain tyhjiöenergian kvanttiheilahdus?

Dinosaurus olohuoneessa?Epätarkkuusperiaate on synnyttänyt kvanttikosmologian tutkimushaaran. Koska näyttää siltä, että koko universumi on joskus ollut alkeishiukkasta pienempi, se on kaiken järjen mukaan ollut myös hiukkasille ominaisessa määrittelemättömässä kvanttitilassa. Tämä selittäisi esimerkiksi sen, miksi aika kulkee vain yhteen suuntaan.Mutta miksi tuo kvanttitila on hävinnyt, niin että tähdet ja planeetat nyt ovat vain yhdessä paikassa kerrallaan? Kvanttitilan tiedetään romahtavan vain, kun siihen vaikutetaan ulkopuolelta – mutta eihän mikään voi vaikuttaa ulkopuolelta koko maailmankaikkeuteen?Entä jos universumin kvanttitila ei olekaan romahtanut, vaan kaikki vaihtoehdot ovat yhä voimassa? Me vain näemme yhden ainoan, oman todellisuutemme. Tässä tapauksessa olohuoneissamme kulkisi näkymättömiä dinosauruksia lomittuneista todellisuuksista, kuten amerikkalaisprofessori Michio Kaku asian ilmaisee.Niin tai näin, ensin on kuitenkin löydettävä vastaus siihen, miten epätarkkuusperiaate liittyy painovoimaan. Painovoimakentän tulisi noudattaa Heisenbergin periaatetta, eli käytännössä avaruuden kaarevuus väreilisi koko ajan hieman. Herkimmilläkään mittalaitteilla ei ole löydetty kiistattomia merkkejä tällaisesta.Ja ehkä hyvä näin. Runsas vuosisata sitten oli vaikea hyväksyä, että aine muodostuu atomeista ja kentät kvanteista. Olisiko meidän helppo myöntää, että itse aika ja avaruus – olemassaolomme perusteet – eivät ole jatkuvia vaan muodostuvat pienistä häilyvistä yksiköistä.

Petri Forsell on vapaa toimittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Poliisi pysäyttää ylinopeutta ajaneen auton. Kuljettaja on itse Werner Heisenberg.– Tiedättekö, kuinka lujaa ajoitte? poliisi kysyy. Mihin Heisenberg:– En tiedä, mutta tiedän täsmälleen, missä olin!

Fyysikko menee joka ilta baariin ja tilaa kaksi juomaa. Toisen hän juo, toisen asettaa viereensä baaritiskille. Lopulta baarimikko kysyy, mikä on toisen juoman tarkoitus.– Epätarkkuusperiaatteen mukaan atomit voivat järjestyä niin, että tähän ilmaantuu kuin tyhjästä kaunis nainen, fyysikko selittää.– Mutta täällähän on talo täynnä kauniita naisia. Joku heistä voisi tulla seuraasi.– Just joo, kuinkahan todennäköistä sekin olisi, fyysikko tuhahtaa.

Heisenbergin rakkauselämä kärsi, koska jos oli aikaa, ei ollut energiaa ja päinvastoin.

Heisenbergin koira on onneton, koska se ei muista, mihin on haudannut mehukkaan luun.Heisenberg lohduttaa lemmikkiään:– Emme ehkä tiedä luusi sijaintia, mutta sen nopeuden tiedämme tarkasti!

Fysiikan huiput taistelivat

Kun Werner Heisenberg keväällä 1927 muotoili epätarkkuusperiaatteen, hän aloitti tiedesodan, joka ei vieläkään ole täysin ohi. Rintamalinjoja vetivät Albert Einstein ja Niels Bohr.

Epätarkkuusperiaatteesta käydyn väittelyn keskiössä oli atomi. Toisella puolella olivat fyysikot, joiden mielestä atomi oli  todellinen, rajallinen kappale. Atomilla oli määritettäviä ominaisuuksia, kuten paikka ja nopeus. Vastapuolen tutkijat pitivät atomia todennäköisyysaaltona, jolla ei ole ominaisuuksia, ellei sitä mittauksilla pakoteta sellaisia omaksumaan.Koska käytössä ei ollut laitteita, joilla kvanttiteorian merkillisyyksiä olisi voinut testata, fyysikot turvautuivat ajatuskokeisiin. Tämä tarkoitti, että toinen tiedesodan kenraaleista, Albert Einstein, kehitti ajatusketjun epätarkkuusperiaatetta vastaan ja vastapuolen Niels Bohr pyrki osoittamaan, missä kohtaa Einsteinin päättelyssä oli virhe.

Einstein iskeeBohr onnistui hyvin, kunnes lokakuussa 1930 magnetismia käsittelevän kokouksen avajaisiltana Einstein esitti seuraavan mallin: Kuvitellaan laite, joka voi säteillä yhden fotonin kerrallaan. Laite on laatikossa, jossa on myös kello. Koko laitteisto on ripustettu herkkään vaakaan. Kun fotoni poistuu laatikosta, pysäytetään kello ja katsotaan vaa’asta, paljonko laatikko keveni. Silloin saadaan tietää, paljonko energian määrä muuttui ja missä ajassa. Tämä selviää, koska fotonin massa vastaa tiettyä määrää energiaa.Läsnäolijoiden mukaan Bohr järkyttyi silmin nähden. Hän ei osannut vastata Einsteinille heti mitään. Koko illan hän kyseli kollegoilta neuvoa, mutta he tarjosivat enintään rohkaisua.Vielä aamuyöstä Bohr etsi vastausta hotellihuoneessaan. Lopulta hän otti paperiarkin ja alkoi hahmotella Einsteinin kuvaamaa valolaatikkoa kuin se olisi todellinen laite. Silloin Bohr oivalsi.

Bohr torjuuAamiaispöydässä tyytyväisyyttä säteilevä Bohr esitteli vastauksensa.Kun fotoni sinkoutuu ulos laatikosta, se aiheuttaa vastaavan potkun, rekyylin, taaksepäin. Tämä siirtää laitteistoa painovoimakentässä, ja – nyt oli Einsteinin vuoro järkyttyä – tekee ajan mittaamisesta merkityksetöntä. Eri kohdissa painovoimakenttää kellot nimittäin ovat keskenään eri ajassa Einsteinin oman suhteellisuusteorian mukaan.Tämä oli Einsteinin viimeinen julkinen hyökkäys epätarkkuusperiaatetta vastaan. Hän ei kuitenkaan hyväksynyt sitä koskaan, kuten ei muitakaan kvanttiteorian niin sanottuja ei-deterministisiä puolia. Monet fyysikot pitivät Einsteinia pahasti ajastaan jääneenä, mutta hänen kritiikkinsä auttoi kvanttimekaniikan kehitystä.

Kumpi voitti?Voi myös kysyä, kuinka varma Bohr oli tulkintansa oikeudesta, sillä hän käsitteli aihetta vuosikymmenien aikana usein.Kuolemaansa edeltävänä päivänä 17. marraskuuta 1962 hän teki viimeisen tieteellisen muistiinpanonsa: piirsi liitutaulun reunaan muutamalla vedolla Einsteinin valolaatikon.

Kätevä sana on valunut moneen käyttöön.

Makea vesi kuuluu elämän perusedellytyksiin. Siksi tuntuu itsestään selvältä, että vesi-sana kuuluu suomen kielen vanhimpiin sanastokerroksiin.

Se ei kuitenkaan ole alun perin oma sana, vaan hyvin vanha laina indoeurooppalaisista kielistä, samaa juurta kuin saksan Wasser ja englannin water.

Suomensukuisissa kielissä on toinenkin vettä merkitsevä sana, jota edustaa esimerkiksi saamen čáhci, mutta sen vastine ei syystä tai toisesta ole säilynyt suomessa. Ehkäpä indoeurooppalainen tuontivesi on tuntunut muodikkaammalta ja käyttökelpoisemmalta.

Tarkemmin ajatellen vesi-sana on monimerkityksinen. Luonnon tavallisimman nesteen lisäksi se voi tarkoittaa muunkinlaisia nesteitä, kuten yhdyssanoissa hajuvesi, hiusvesi tai menovesi.

Vesiä voi erotella käsittelyn tai käyttötarkoituksen mukaan, vaikka Suomen oloissa juomavesi, kasteluvesi ja sammutusvesi ovatkin usein samaa tavaraa. Sade- ja sulamisvesistä tulee varsinkin asutuskeskuksissa viemäröitävää hulevettä. Murteissa hulevesi tarkoittaa tulvaa tai muuta väljää vettä, esimerkiksi sellaista, jota nousee sopivilla säillä jään päälle.

Luonnon osana vesi voi viitata erilaisiin vedenkokoumiin, etenkin järviin. Suomen peruskartasta löytyy satoja vesi-loppuisia paikannimiä, joista useimmat ovat vesistönnimiä, kuten Haukivesi, Hiidenvesi tai Puulavesi.

Useat vesien rannalla olevat asutuskeskukset ovat saaneet nimensä vesistön mukaan. Vesi-sana ei enää suoranaisesti viittaa veteen, kun puhutaan vaikkapa Petäjäveden kirkosta tai Ruoveden pappilasta.

Vesi-sanasta on aikojen kuluessa muodostettu valtava määrä johdoksia ja yhdyssanoja. Näistä suuri osa on vanhoja kansanomaisia murresanoja, kuten vetelä, vetinen, vetistää ja vettyä.

Vesikosta on muistona enää nimi, sillä tämä vesien äärellä ja vedessä viihtyvä näätäeläin on hävinnyt Suomesta 1900-luvun kuluessa. Myyttisiä veden asukkaita ovat olleet vetehinen ja vesu eli vesikyy, jotka mainitaan myös Kalevalassa.

Antiikista 1700-luvun loppupuolelle asti uskottiin veden olevan yksi maailman alkuaineista. Sitten selvisi, että se onkin vedyn ja hapen yhdiste. Oppitekoinen uudissana vety tuli suomen kielessä tarpeelliseksi kuitenkin vasta 1800-luvun puolimaissa, kun luonnontieteistä alettiin puhua ja kirjoittaa suomeksi.

Kaisa Häkkinen on suomen kielen emeritaprofessori Turun yliopistossa.

Julkaistu Tiede-lehden numerossa 11/2018

Hirmun anatomia on selvinnyt sääsatelliittien mikroaaltoluotaimilla. Ne näkevät pilvien läpi myrskyn ytimeen ja paljastavat ukkospatsaat, joista myrsky saa vauhtinsa. Kuva: Nasa/Trimm

Pyörivät tuulet imevät energiansa veden lämmöstä.

Trooppiset rajuilmat tappoivat vuosina 1995–2016 lähes 244 000 ihmistä, koettelivat muuten 750 miljoonaa ihmistä ja tuhosivat omaisuutta runsaan 1 000 miljardin dollarin arvosta, enemmän kuin mitkään muut mullistukset, esimerkiksi tulvat tai maanjäristykset.

Näin arvioi maailman luonnonkatastrofeja tilastoiva belgialainen Cred-tutkimuslaitos raporteissaan, joissa se laskee katastrofien pitkän aikavälin inhimillistä hintaa.

Myrskytuhot ovat panneet myrskytutkijat ahtaalle. Kaikki tahtovat tietää, mistä näitä rajuilmoja tulee. Lietsooko niitä ilmastonmuutos?

Lämpö alkaa tuntua

Näihin asti tutkijapiireissä on ollut vallalla käsitys, jonka mukaan hirmuista ei voi syyttää ilmastonmuutosta vielä kotvaan. Se alkaa voimistaa myrskyjä vasta pitkällä aikajänteellä.

Nyt hurjimpia myrskyjä on kuitenkin alettu kytkeä ilmaston lämpenemiseen. Esimerkiksi alkusyksystä 2017 Maailman ilmatieteen järjestö WMO arvioi, että lämpeneminen todennäköisesti rankensi elokuussa Houstonin hukuttaneen Harvey-myrskyn sateita.

Jotkut tutkijat ovat puhuneet kytköksistä jo vuosia.

Esimerkiksi Kerry Emanuel, Massachusettsin teknisen yliopiston myrskyspesialisti, laski 2005, Katrinan runnottua New Orleansia, että Atlantin ja Tyynenmeren myrskyt ovat nykyään 60 prosenttia voimakkaampia kuin 1970-luvulla.

Keväällä 2013 Nils Bohr -instituutin Aslak Grinsted raportoi, että lämpenemiskehitys vaikuttaa myrskyissä syntyviin tulva-aaltoihin.

Kun maapallon keskilämpötila nousee 0,4 astetta, myrskytulvien määrä tuplaantuu. Tämä rajapyykki on jo ohitettu. Kun lämpötila nousee kaksi astetta, tulvat kymmenkertaistuvat. Silloin superrajuja myrskyjä hyökyy Atlantilta joka toinen vuosi. Tähän asti niitä on nähty kerran 20 vuodessa.

Meri lämpenee otollisesti

Tärkein myrskyjä ruokkiva muutosvoima löytyy sieltä, mistä myrskyt ammentavat energiansa ja mihin ilmastonmuutoksen nähdään vaikuttavan: meriveden lämpötilasta. Se kehittyy myrskyille otolliseen suuntaan.

Esimerkiksi Meksikonlahdella, hurrikaanien voimanpesässä, on mitattu jopa pari astetta tavallista korkeampia meriveden lämpötiloja.

Kun Haiyan, yksi kaikkien aikojen kovimmista taifuuneista, marraskuussa 2013 jätti kaksi miljoonaa filippiiniläistä kodittomiksi, meri oli myrskyn syntyalueella vielä sadan metrin syvyydessä kolme astetta normaalia lämpimämpi.

Meressä tapahtuu muutakin epäedullista: pinta nousee. Se kasvattaa myrskyjen nostattamia tulva-aaltoja, jotka usein saavat aikaan pahinta tuhoa.

 

Näin hirmumyrsky kehittyy

Hirmun syntymekanismi on sama kaikkialla, vaikka nimitykset vaihtelevat. Atlantilla ja Amerikan puoleisella Tyynellämerellä puhutaan hurrikaaneista, Aasian puolella taifuuneista ja Intian valtamerellä ja Oseaniassa sykloneista. Grafiikka: Mikko Väyrynen

 

Trooppisia hirmumyrskyjä syntyy päiväntasaajan molemmin puolin 5. ja 25. leveyspiirin välillä. Päiväntasaajalla niitä ei muodostu, sillä sieltä puuttuu coriolisvoima, jota myrsky tarvitsee pyörimiseensä

Kehittyäkseen myrsky vaatii tietynlaiset olot. Suursäätilan pitää olla laajalla alueella epävakaa ja ukkossateinen ja meriveden vähintään 26 asteista 50 metrin syvyydeltä. Lisäksi tuulien pitää puhaltaa heikosti 12 kilometrin korkeuteen asti. Voimakkaissa virtauksissa myrskynpoikanen hajoaa.

1. Merestä nousee lämmintä, kosteaa ilmaa. Se kohoaa nopeas­ti ja tiivistyy ukkospilviksi, jotka kohoavat 10–15 kilometrin korkeuteen. Samalla vapautuu lämpöä, mikä ruokkii matalapainetta.

2. Fysiikan säilymislakien mukaan ylös kohoavan ilman tilalle virtaa ympäriltä korvausilmaa, jolloin ilmanpaine alueella laskee.

3. Lämpöä kohoaa ylös yhä laajemmalti, ukkospilvien jono venyy, ja ilman virtausliikkeet voimistuvat. Ilmanpaine laskee lisää, ja alueelle syntyy liikkuva matalapaineen keskus.

4. Paine-ero tuottaa voiman, joka alkaa pyörittää tuulia kiihtyvää vauhtia. Maan pyörimisliikkeestä aiheutuva coriolisvoima kiertää niitä spiraalin lailla vastapäivään kohti matalan keskusta. Kun tuulen sekuntinopeus nousee yli 33 metrin, on syntynyt trooppinen hirmumyrsky.

Hurjimmissa myrskyissä tuulen nopeus nousee 70–90 metriin sekunnissa. Pyörteen halkaisija vaihtelee puolestaan 400 kilometristä 1 000 kilometriin.

5. Myrskyn voimistuessa sen ylle muodostuu korkeapaine, joka pyörii tuulia vastaan. Laskeva ilmavirtaus kuivattaa ja lämmittää keskusta, ja se seestyy myrskynsilmäksi.

6. Silmää kiertävät tuulet sekoittavat tehokkaasti meren pintaa 50–100 metrin syvyydeltä. Kun lämmintä vettä painuu syvyyksiin ja viileää kohoaa pintaan, ”lämpövoimala” jäähtyy ja hitaasti liikkuva myrsky voi heikentyä. Nopeaan myrskyyn jarru ei ehdi vaikuttaa, ja silloin kumpuava vesi voi loppumatkasta muuttua vaaralliseksi.

7. Kun ranta lähestyy ja meri madaltuu, tuulet pakkaavat vettä myrskyn tielle tulva-aalloksi, joka syöksyy myrskyn mukana maalle tuhoisin seurauksin.

Maalle saavuttuaan myrsky laantuu, kun se ei enää saa käyttövoimaa meren lämmöstä.

 

Tuula Kinnarinen on Tiede-lehden toimitussihteeri.

Julkaistu Tiede-lehdessä 1/2014. Päivitetty 12.9.2018.