Lasersäde tuottaa taivaalle molekyylejä, joiden ympärille vesipisarat voivat tiivistyä.

Teksti: Kalevi Rantanen

Lasersäde tuottaa taivaalle molekyylejä, joiden ympärille vesipisarat voivat tiivistyä.

Julkaistu Tiede -lehdessä 8/2011Tulevaisuuden maanviljelijä soittaa sadepalveluun: ”Tilaisin kastelun huomiseksi.” Seuraavana päivänä paikalle ajaa rekan kokoinen auto, joka alkaa pyyhkiä taivasta lasersäteellä. Kohta pisarat ropisevat.Sateen tekeminen laserilla voi olla todellisuutta 2020-luvulla. – Sanoisin, että aikatähtäin on kymmenen vuoden paikkeilla, arvioi fyysikko Jérôme Kasparian Geneven yliopistosta.Kasparian työskentelee sveitsiläis-ranskalais-saksalaisessa Teramobile-hankkeessa, joka on kerännyt perustietoa sään hallitsemiseksi laserilla. Teramobile tarkoittaa siirrettävää, teholtaan terawattitason laseria, jonka koko varustus mahtuu yhteen kuljetuskonttiin. Keski-Euroopan lasersadetushanke on ainutlaatuinen. Kasparianin mukaan vain Kanadassa ja Kiinassa on aloiteltu kilpailevaa tutkimusta.

Kuin keinotekoinen salamaKun laserin teho on tarpeeksi suuri eli yli kolme gigawattia 800 nanometrin aallonpituudella, syntyy purkauskanava, joka ulottuu kilometrien päähän. Peileillä suuntaamalla sillä voi pyyhkiä pilviä ja, jos kaikki menee nappiin, synnyttää sadetta. Purkauskanava muistuttaa salamaa, ja laitteella tutkitaankin myös salamointia. Parhaassa tapauksessa opitaan siis hallitsemaan ukkostakin. Kanavassa vaikuttaa optinen Kerr-ilmiö, joka tarkoittaa aineen taitekertoimen muuttumista valon vaikutuksesta. Ilmiö on erikoistapaus yleisestä Kerr-ilmiöstä, jossa sähkömagneettinen kenttä muuttaa aineen taitekerrointa. Kerr-ilmiön yksi seuraus on, että ilma keskittää lasersädettä linssin tavoin. Samalla säde iskee ilman molekyyleistä eroon ioneja, jotka heikentävät keskittymisilmiötä. Kahden vaikutuksen tasapainottaessa toisiaan syntyy purkauskanava, joka muistuttaa peräkkäisiä linssejä.

Muodostuu tiivistymisytimiäPurkauskanavassa muodostuu plasmaa, jossa on runsaasti vapaita elektroneja, biljoonia yhdessä kuutiosenttimetrissä. Elektronit tarttuvat happimolekyyleihin, jolloin syntyy negatiivisia happi-ioneja.Tiheät varaukset voivat synnyttää myös kolmen hapen muodostamia otsonimolekyylejä ja hapen ja vedyn muodostamia hydroksyyliradikaaleja. Radikaalit ovat sähköisesti varautuneita molekyylipalasia, jotka reagoivat ärhäkästi eri aineiden kanssa. Ilmassa hydroksyyliradikaalit hapettavat typpeä ja rikkidioksidia, jolloin syntyy typpi- ja rikkihappomolekyylejä. Happomolekyylit ovat hygroskooppisia eli vettä imeviä, ja toimivat siksi tiivistymisytiminä. Vesi tiivistyy niiden ympärille pisaroiksi ja jääkiteiksi, jotka lopulta putoavat vesipisaroina maahan.

Toimii sumukammiossaTutkijat testasivat tekniikkaa ensin keinotekoisessa pilvessä eli sumukammiossa. Siellä ilman suhteellinen kosteus on sata prosenttia tai enemmän.Ensimmäisen sumukammion rakensi jo 1890-luvulla skottifyysikko Charles Wilson. Vuonna 1896 hän havaitsi ”sateen kaltaista” pisarointia sumussa, jota läpivalaistiin hiljakkoin löydetyillä röntgensäteillä. Kaasu ionisoitui ja ionien ympärille syntyi pisaroita. Pienet pisarat voitiin valokuvata. Sumukammiosta tuli kätevä tutkimusväline, mutta pisaroiden synnyttämisestä taivaan pilvissä ei edes haaveiltu. Puuttui tarpeeksi tehokas säteilylähde. Laserinkin teho oli aluksi liian pieni. Tilanne muuttui, kun 1980-luvulla opittiin tuottamaan taajuusmoduloitu pulssi. Alkuperäistä pulssia ensin ”venytetään” ja ”madalletaan”. Sitten ”matala” pulssi vahvistetaan. Lopuksi pulssi taas puristetaan kasaan eli synnytetään korkea tehopiikki. Tekniikalla tavoitellaan uusia voimavaikutuksia. Kunnianhimoisin ajatus lienee lämpöydinreaktion toteuttaminen laserilla. Jos fuusiovoima on mahdollisuuksien rajoissa, niin kai sitten sadekin.

Taivaalla vielä turhan heikkoTeramobile-tutkijat veivät laitteensa Berliinin taivaan alle ja suuntasivat säteen suoraan ylös. Laser tuotti ultralyhyitä, 60 femtosekunnin eli 60 sekunnin miljardisosan miljoonasosan pulsseja. Kun energia keskitetään näin pieneen ajanjaksoon, teho nousee suureksi. Tässä tapauksessa pulssin teho oli kolme ja puoli terawattia eli enemmän kuin maailman kaikkien sähkögeneraattorien keskiteho yhteensä.Optisella tutkalla tutkijat havaitsivat, että tiivistymisytimiä syntyi. Sateen aikaansaamiseksi ytimet olivat kuitenkin vielä liian pieniä. – Suurin haaste on saada mikrometrikoon hiukkaset kasvamaan oikeiksi pisaroiksi, jotka voivat tulla sateena alas, sanoo professori Kasparian. – Toinen haaste on aktivoida suuri tila ilmassa, ei vain vähäinen purkauskanava lasersäteen ympärillä. – Kumpikin tehtävä on mahdollista toteuttaa noin kymmenessä vuodessa sekä meidän tutkimuksemme edistymisen että lasertekniikan paranemisen ansiosta, Kasparian arvioi. – Saataville tulee enemmän tehoa pienemmissä ja helpommin liikuteltavissa laitteissa.

Molekyyleistä pisaroiksi

1. Ilmassa on kaasumolekyylien seassa aina vesimolekyylejä ja erilaisia epäpuhtauksia, esimerkiksi rikkiä.2. Laserpulssi synnyttää ilmaan purkauskanavan ja ionisoi sisään jäävän ilman plasmaksi. Ionit takertuvat sopiviin molekyyleihin, jolloin syntyy uusia, isompia molekyylejä. 3. Uudet molekyylit kykenevät imemään vettä ja toimivat tiivistymisytiminä, joiden ympärille ilman kosteus alkaa kerääntyä. 4. Kun vesimolekyylejä on koossa riittävästi, syntyy pisaroita, jotka putoavat sateena maahan.

Hiilihaposta laseriin

Teramobile-hanke on katkaissut pitkän hiljaisuuden sateentekoalalla. Vuonna 1946 yhdysvaltalaiset kemistit Irving Langmuir ja Vincent Schaefer kylvivät pilveen hienonnettua hiilihappojäätä vesipisaroiden tiivistymisytimiksi. Myöhemmin kokeita on toistettu eri aineilla, kuten hopeajodidilla. Kylvömenetelmä on osoittautunut epäluotettavaksi. Välillä on satanut, välillä ei. Jos on satanut, on ollut epäselvää, tuliko vettä sateenteon ansiosta vai siitä huolimatta. Laser on periaatteellisesti uusi ratkaisu. Kemikaaleja ei tarvita. Laser voi myös toimia jatkuvasti, kun taas kemikaaleja pilviin kylvävien rakettien ja lentokoneiden toiminta-aika on rajallinen.

Suomalaistutkija havaitsi, että maaseudun monimuotoinen luonto saattaa suojata koiria allergialta. Se antaa tukea biodiversiteettihypoteesille.

Kaupunkilaiskoirilla on enemmän allergioita kuin maaseudulla asuvilla. Vähiten allergioita on koirilla, jotka elävät maalla maalaismaiseen tapaan monilapsisessa, muitakin eläimiä omistavassa perheessä ja saavat ulkoilla vapaasti kotipihalla.

Tällaisia asioita koirista Jenni Lehtimäki sai selville väitöstutkimuksessaan, josta Helsingin Sanomat kertoo jutussaan.

Ihmisistä tosin ei samanlaista yhteyttä löytynyt allergioiden ja asuinpaikan väliltä.

Lehtimäki testasi biodiversiteettihypoteesia. Sen mukaan immuunijärjestelmämme häiriintyy ja allergian tapaiset tulehdusperäiset sairaudet lisääntyvät, kun ympäristön monimuotoisuus hupenee ja me altistumme entistä vähemmille luonnon mikrobeille.

Väitöskirja koostui neljästä tutkimuksesta, joista kaksi käsitteli lapsia ja kaksi lemmikkikoiria.

Kummassakaan lapsitutkimuksessa ei löytynyt merkittävää yhteyttä allergioiden ja ihon mikrobien tai luonnon monimuotoisuuden välillä.

Toisin oli lemmikkien laita. Koiranomistajille suunnatun kyslytutkimusken mukaan sairaimpia olivat kaupunkilaiskoirat, joista noin 17 prosentilla oli allergiaa. Maalla osuus oli viitisen prosenttia.

”Kysely osoittaa ensimmäistä kertaa urbaanin ympäristön ja muun nisäkkään kuin ihmisen allergian välisen yhteyden”, Lehtimäki kertoo.

Vielä selvemmän näytön tarjoaa neljäs tutkimus, johon osallistui yhteensä 170 labradorinnoutajaa ja suomenlapinkoiraa.

Se paljasti, että eniten allergioista kärsivät kaupungissa esimerkiksi kerrostalossa asuvat koirat, joilla on ”urbaani elämäntyyli”. Niiden hoidosta vastaa yksi ihminen, joka harrastaa monenlaista ja lenkkeilee paljon koiran kanssa.

Harvinaisimpia allergiat ovat maalaiseen tapaan maalla elävillä koirilla. Niiden iholla on viljalti ympäristöstä peräisin olevia bakteereja.

Lehtimäki ihmettelee, miksi ympäristön ja allergian yhteys tuli ilmi koirilla muttei lapsilla.

”Allergia on monimutkainen sairaus ja ihmiselämä on monimutkaista, mikä saattaa piilottaa ympäristön vaikutuksen”, hän miettii.

Täysin piiloon ihminen ei kuitenkaan jäänyt. Kyselytutkimuksessa paljastui, että jos allergia vaivaa koiraa, omistajakin on todennäköisesti allergikko. Tämä johtuu epäilemättä jostain yhteisestä tekijästä koiran ja omistajan elämäntavoissa tai ympäristössä.

”Maaseutumaisessa ympäristössä koiran ja ihmisen elimistö altistuu mikrobeille, jotka jollakin tavalla tukevat immuunijärjestelmän toimintaa”, Lehtimäki toteaa.

Kysely

Uskotko biodiversiteettihypoteesiin?

Tutustu sisältöön ja lue uusi lehti digilehdet.fi:ssä.

 

Tieteessä 2/2018 

 

PÄÄKIRJOITUS

Kun viha vie

Vihapuhuja ratsastaa alkukantaisella reaktiolla.

 

PÄÄUUTISET

Unissa puhutaan rumia

Myöntisen päiväminän takaa kurkkii
kielteinen yöminä – hyvästä syystä.

Alienkivi on yksi miljoonista

Tähtienvälisiä asteroideja syöksyy
aurinkokunnan läpi jatkuvasti.

Nykyihminen seikkaili
ulos Afrikasta useita kertoja

Yhden ulostulon malli ei enää mitenkään
istu Aasian löytöihin.

Korallit kalpenevat kiihtyvää tahtia

Lämpenevät vedet riistävät
polyypilta elintärkeän kumppanin.

 

ARTIKKELIT

Migreeni vyöryy aivorungosta

Kun sähköt sekoavat hermokeskuksessa,
kipuviestit kiihdyttävät aivot hälytystilaan.

Esinisäkkäät
Maailman valtiaat ennen dinosauruksia

Kehitys kohti meitä käynnistyi jo silloin,
kun maapallon mantereet olivat vielä yhtä.

Siittiöt hukassa

Enää hälytyskellot eivät kilise van kumisevat.
Miesten siittiömäärät ovat romahtaneet.

James Bond
Harmaa agentti hurmasi maailman

Vastoin odotuksia huomaamaton vakooja sai
valtavan huomion. Kohu teki fiktiosta faktaa.

Liikenne jättää tiet

Visio on villi muttei utopiaa. Jokainen sopiva
maapala tarvitaan luonnolle ja ruoalle.

Ennen paras mies oli poikamies

Naiset ja seksi eivät ole aina olleet miehen mitta.
Elämän tärkeät asiat löytyivät pitkään toisaalta.

 

TIEDE VASTAA

Voiko pissa jäätyä kaarelle?

Haudataanko vainajat ilmansuuntien mukaan?

Mikä on puujalkavitsi?

Miksi kuusi kestää lumen painon?

Miten norppa löytää takaisin avannolle?

Voiko avaruusaseman palauttaa Maahan?

 

KIRJAT

Oma dna kantaa suvun historiaa

Marja Pirttivaara teki suomalaisille sukututkijoille uudenlaisen kätevän oppaan.

 

KUVA-ARVOITUS

Klassikkopalsta

kutsuu lukijoita tulkitsemaan kuvia lehden Facebook-sivustolle: facebook.com/tiede.fi

 

OMAT SANAT

Valoa kohti

Entisinä aikoina kantasana tarjosi myös lämpöä.

 

Jos olet Sanoman jonkin aikakauslehden tilaaja, voit lukea uusimman numeron jutut Sanoman Digilehdet-palvelussa.

Ellet vielä ole ottanut tilaukseesi kuuluvaa digiominaisuutta käyttöön, tee se osoitteessa https://oma.sanoma.fi/aktivoi/digilehdet. Aktivoinnin jälkeen pääset kirjautumaan suoraan digilehdet.fi-palveluun.