Euroopan avaruusjärjestön haastavin hanke on toteutumassa, kun Planck- ja Herschel-satelliitit laukaistaan avaruuteen tänä keväänä. Suomalaistutkijatkin odottavat uutta satelliittiparia vesi kielellä.



Euroopan avaruusjärjestön haastavin hanke on toteutumassa, kun Planck- ja Herschel-satelliitit laukaistaan avaruuteen tänä keväänä. Suomalaistutkijatkin odottavat uutta satelliittiparia vesi kielellä.


Julkaistu Tiede-lehdessä 4/2009



Planck-satelliitti ja Herschel, josta tulee maailman suurin avaruuskaukoputki, laukaistaan avaruuteen samalla Ariane 5 -kantoraketilla.

Herschel on yleiskaukoputki, joka havainnoi infrapuna-aaltoja ja kaikkein lyhyimpiä radioaaltoja. Hieman pidempiä radioaaltoja rekisteröivä Planck on puolestaan rakennettu yhtä tarkoitusta varten: sillä mitataan alkuräjähdyksen jälkihehkua eli kosmista taustasäteilyä.

Miksi meidän eurooppalaistenkin piti rakentaa kosmista taustasäteilyä havainnoiva satelliitti, vaikka yhdysvaltalaisten WMAP-satelliitti on kartoittanut sitä erittäin tarkasti jo vuodesta 2001? Ovatko tähtitieteilijät sortuneet Euroopan ja Yhdysvaltojen väliseen kilpavarusteluun?


Katsotaan kaukaisinta

Kosmiseen taustasäteilyyn tallentuivat pikkuriikkiset tiheyserot, jotka vallitsivat universumissa noin 380 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Myöhemmin hieman tihemmistä kohdista kasvoi galakseja.

- Kosminen taustasäteily on kaukaisinta säteilyä, jota pystymme havaitsemaan. Laskemalla taustasäteilymittauksista taaksepäin nähdään universumin alkuun, Hannu Kurki-Suonio selittää. Hän on Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen kosmologian lehtori.

Sittemmin maailmankaikkeus on laajentunut tuhatkertaiseksi. Taustasäteily on levinnyt kaikkialle - se ympäröi meitäkin - ja jäähtynyt noin kolmeen asteeseen. Radiosäteilyn aallonpituutena tämä vastaa 1-10 millimetriä.

Planck-satelliittiin onkin pakattu radioantenni useine erilaisine vastaanottimineen. Yksi tärkeimmistä on rakennettu Suomessa; se mittaa 70 gigahetrsin eli 4,3 millimetrin aaltoja. Vastaanottimen suunnittelusta ja valmistuksesta vastasi Valtion teknillisen tutkimuskeskuksen teknologiajohtaja Jussi Tuovinen.


Planck erottaa siemenet

Taustasäteilyä mittaamalla voidaan periaatteessa määrittää kaikki maailmankaikkeuden keskeiset ominaisuudet.
WMAP-satelliitti onkin jo ehtinyt tiedottaa avaruuden muodon (laakea), iän (13,73 miljardia vuotta) ja massan eli keskimääräisen energiatiheyden. Se on myös kuuluttanut, mistä massa koostuu: tavallista ainetta on 5 prosenttia, pimeää ainetta 23 ja pimeää energiaa 72.

- WMAP ei ole kuitenkaan saanut kovin tarkkoja mittauksia tiheysvaihteluiden luonteesta. Planck erottaa kolme kertaa pienempiä yksityiskohtia, Kurki-Suonio sanoo. - Itse asiassa Planckin kartoituksen jälkeen lämpötilaerot tunnetaan käytännöllisesti katsoen niin hyvin kuin on mahdollista.

Tiheysvaihtelut ovat siis galaksien siemeniä. - Niiden alkuperä on nykykosmologian keskeisiä kysymyksiä. Tutkimusryhmämme tarkoitus on päätellä Planckin havainnoista, mikä fysikaalinen prosessi ne on synnyttänyt, Kurki-Suonio kertoo.


Valttina herkkyys

Nykyään lupaavimpana pidetään ajatusta, jonka mukaan maailmankaikkeuden alussa tapahtunut supernopea laajeneminen, niin sanottu inflaatio, tuotti tiheyserot. Tähän ideaan perustuvia selityksiä on kuitenkin lukuisia, ja tutkijat haluavat karsia niitä.

Planck voi auttaa, sillä se on herkempi kuin WMAP mitattaessa taustasäteilyn polarisaatiota. Polarisaatio on vielä heikompi ilmiö kuin tiheysvaihteluista kertovat säteilyerot.

- Informaatio varhaisen maailmankaikkeuden tiheyseroista sekoittuu siihen rakenteeseen, jonka läpi taustasäteily kulkee tänne meille. Siksi on mitattava myös säteilyn polarisaatio, sillä siihen myöhempi rakenne ei vaikuta, Hannu Kurki-Suonio selittää.

- Planckin polarisaatiohavaintojen perusteella odotetaan lisäksi vastausta esimerkiksi kysymykseen, syntyikö alkuräjähdyksessä gravitaatioaaltoja.


Kvasaarit osuvat kuvaan

Planck kartoittaa koko taivaan taustasäteilyn. Aivan ensimmäiseksi sen havainnoista on siivottava pois taustasäteilyn mittausta sotkeva muiden taivaankappaleiden säteily.

Teknillisen korkeakoulun Metsähovin radiotutkimusaseman johtaja Merja Tornikoski kollegoineen on kiinnostunut muun muassa taustasäteilymittauksiin sattuvista kvasaareista. Ne ovat galakseja, joiden ytimessä on supermassiivinen musta aukko.

- Planckin havaintojen avulla saamme entistä paremman kokonaiskuvan tutkittavissa kvasaareissa tapahtuvista säteilypurkauksista, Tornikoski selittää.

- Samalla kun Planck kerää tuloksiaan, me hankimme lisätietoa Metsähovin radioteleskoopilla ja muilla maanpäällisillä kaukoputkilla. Toivon mukaan meillä on parin vuoden päästä paljon lisäpaloja palapelissämme, jolla selvitämme kvasaarien rakennetta ja fysiikkaa.

Tornikoski odottaa Planckin löytävän myös kokonaan uusia kiinnostavia kvasaareita. Samaa odottavat innokkaasti Turun yliopiston tutkijat. Planckin löytämiä kohteita, niin kvasaareita kuin muitakin, tutkitaan myös Herschel-avaruuskaukoputkella.


Herschel näkee pölyn läpi

Herschelillä ratkotaan tähtien ja galaksien syntyyn ja kehitykseen liittyviä arvoituksia.

- Sen ja aiempien avaruuskaukoputkien ero on paremmassa erotuskyvyssä, jonka tuottaa suuri peili. Mutta havaintoja voi myös tehdä monella uudella aallonpituudella, Helsingin yliopiston observatorion tutkija Mika Juvela kertoo.

Euroopan avaruusjärjestö myönsi jo vuosi sitten Juvelan johtamalle kansainväliselle tutkijaryhmälle havaintoaikaa Herschelille. Ryhmä tutkii Linnunradan kaasu- ja pölypilviä, joissa syntyy tähtiä.

Herschelin 3,5-metrisen peilin hiomisesta on vastannut Tapio Korhonen Opteon Oy:stä. On helppo arvata, mitä hän toivoo:

- Odotan, että peili selviää laukaisun kiihtyvyyksistä ja tärinöistä, onhan se aika ohutrakenteinen ja varsin herkkää materiaalia. Onneksi Ariane 5 -raketit ovat olleet viime vuosina luotettavia.
Peukut pystyyn!


Leena Tähtinen on tähtitieteen dosentti, vapaa tiedetoimittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.


Planck ja Herschel lähtökuopissa


Satelliitit laukaistaan samalla Ariane 5 -kantoraketilla Ranskan Guyanassa sijaitsevasta Kouroun avaruuskeskuksesta. Niiden tiet eroavat noin 2,5 tuntia laukaisun jälkeen.

Päämäärä on kuitenkin yhteinen: vakaaksi havaintopaikaksi tiedetty toinen Lagrangen piste noin 1,5 miljoonan kilometrin päässä Maasta. Kummankin satelliitin matka sinne vie alle puoli vuotta.






























 Planck Herschel
Havaintolaitteet  Havaintolaitteet 1,5-metrinen radioantenni, johon on liitetty pitkiä aaltoja rekisteröiviä vastaanottimia ja lyhyitä aaltoja mittaavia bolometrejä. 3,5-metrinen kaukoputki, johon on liitetty erilaisia huipputarkkoja spektrometrejä ja kuvia ottavia fotometrejä.
Rekisteröitävät aallonpituudet Radioaallot (0,3-10 mm)  Infrapunasäteilystä radioaaltoihin (0,060-0,670 mm)
Havaintolaitteiden jäähdytys (herkkyyden lisäämiseksi) Kestää noin 1,5 kuukautta Tehdään matkalla
Testaaminen, kalibrointi ja toiminnan varmistaminen  Kestää noin 1,5 kuukautta Tehdään matkalla
Ensimmäiset tieteelliset tulokset  2012 Kartoittaa taivaan 7 kuukaudessa; tarkkoihin tuloksiin tarvitaan vähintään kaksi kartoitusta. Etualan kohteista voi tulla tuloksia aiemminkin 2010 Eri hankkeista tuloksia eri aikaan
Toiminta-aika (kestää niin kauan kuin nestemäistä heliumia riittää jäähdytykseen) Kaksi-kolme vuotta   Kaksi-kolme vuotta 

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.