Ajelehtiva avaruusasema sai aikaan hämmennystä: "Menee liian nopeasti!"

Viikko sitten seurasimme kiinalaisen Tiangong-1 -avaruusaseman kohtaloa. Hylätty asema oli putoamassa alas kiertoradalta, koska lennonjohto oli menettänyt sen hallinnastaan eikä kyennyt enää pitämään sitä radallaan. Samaa voi sanoa tapauksen käsittelystä mediassa – paitsi että se lähti aivan omille teilleen.

Tapaus oli luonnollisesti huomion kohteena kaikkialla maailmassa, koska kukaan ei osannut sanoa tarkasti milloin ja minne kookas asema putoaa. Myös Suomessa aiheesta tehtiin paljon  juttuja, mutta niiden joukossa oli varsin paljon sellaisia, joita lukiessa saattoi vain miettiä mitä kirjoittajat olivat ajatelleet – vai olivatko mitään.

Osa jutuista meni jopa niin pieleen, että taannoinen Vastuullisen journalismin kampanja tuntui saman tien jääneen unohduksiin. Sen mukaanhan yleisölle tulee tarjota tosiasioihin perustuvia juttuja, eikä yleisöä saa johtaa harhaan. Kuten kollegani Markus Hotakainen totesi maanantaina julkaistussa Suomen Kuvalehden kolumnissaan, kävi juuri päinvastoin: "Joko kampanja oli unohdettu saman tien tai se ei koskenut lainkaan tiedejuttuja".

Todennäköisimmin juttuja Tiangongin putoamisesta kirjoittaneilla toimittajilla ei ollut hölkäsen pöläystä tietoa asiasta, eivätkä he vaivautuneet ottamaan asioista selvää. On sääli, että nykyisin kun kaikki maailman tieto on helposti ja nopeasti netissä tarkistettavissa, näin tehdään erittäin harvoin.

Kun jutuissa olleista päättömyyksiä sitten korjataan jälkikäteen, todetaan juttua hienotunteisesti "tarkennetuksi".

No, en ala moralisoimaan varmastikin parastaan yrittäneitä toimittakollegoita, vaan kertaan mielelläni muutamia olennaisia (mielestäni ihan perusmaailmankuvaan liittyviä) asioita avaruusaseman putoamiseen liittyen.

Jos muuten pitkä teksti pelottaa, niin kannattaa hypätä suoraan loppuun: siellä on kertaus.

Maapallo

Maa on todellakin pallomainen. Se on yksi Aurinkoa kiertävistä planeetoista, eikä mitenkään valtavan suuri. Sen halkaisija on vain 12 742 km, eli vain noin kymmenen kertaa matka Utsjoelta Hankoon.

Ilmakehä maapallon ympärillä on jotakuinkin yhtä paksu kuin on omenan kuori verrattuna omenan kokoon. Kuuden kilometrin koikeudessa jo puolet ilmakehän sisältämästä kaasusta on alapuolella ja  liikennelentokoneen matkalentokorkeudessa jo kolme neljäsosaa ilmakehästä alapuolella. Noin 30 kilometrissä olosuhteet ovat jo käytännössä kuin ulompana avaruudessa, eli ilmakehä on valtaosin alapuolella ja siksi esimerkiksi taivas on hyvin musta. 

Sadan kilometrin korkeudessa 99,9997 % ilmakehästä alapuolella; samalla kuitenkin 0,0003 % on yläpuolella ja ilmakehän erittäin ohuita rippeitä ylettyy korkeammallekin, useiden satojen kilometrien korkeuteen. Tähän palaamme myöhemmin.

Virallisesti avaruuden rajana pidetään sataa kilometriä. Se on jotakuinkin matka Helsingistä Hämeenlinnaan. Jos siis junarata pohjoiseen käännettäisiin suoran ylöspäin Helsingin rautatieasemalla, niin intercityn nopeudella avaruuteen pääseminen kestäisi vajaan tunnin. 

Avaruus ei ole siis kaukana.


Suuri osa satelliiteista ei kierrä Maata kovin kaukana. Kuva näyttää keltaisella Kansainvälisen avaruusaseman radan (noin 450 km korkeudessa) ja punaisella matalimman pysyvän radan (n. 180 km) korkeuden. Valkoinen pieni viiva osoittaa teoreettisen rajan 100 km korkeudessa, mistä avaruus "alkaa". 

Kiertosadat ja satelliitit

Satelliitit – sellainen kuin Kuu tai Tiangong – kiertävät maapalloa kiertoradalla tarkasti ja orjallisesti taivaanmekaniikan peruslakien mukaisesti. Ne eivät poukkoile avaruudessa ympäriinsä, vaan ovat siellä omilla radoillaan.

Sana "rata" on itse asiassa oikein hyvä, koska satelliittien sysääminen sivuun radoiltaan vaatii voimaa ja tarkoituksellisen tempun. Sellainen voi olla esimerkiksi rakettimoottorin käyttäminen, jolloin rakettimoottorilla synnytetään voima, joka sysää satelliitin sivuun radaltaan.

Jos mikään ulkoinen voima ei vaikuta satelliittiin, se kiertää maapalloa radallaan yhtä tukevasti kuin juna liikkuu radallaan.

Kullakin kiertoradalla on ratanopeutensa; tämän nopeuden ansiosta satelliitti pysyy radallaan. Kun satelliitti lähetetään avaruuteen, on suurin temppu juuri tämän suuren nopeuden saavuttaminen. Satelliitti pitää ohjata raketilla ensin ilmakehän yläpuolelle ja siellä maapallon pinnan suuntaiseen (siis vaakatasossa olevaan) liikkeeseen, jolla satelliitti pysyy avaruudessa.

Avaruudessa pysyminen tarkoittaa puolestaan sitä, että kappale itse asiassa putoaa maapallon pinnan ohitse. Ilman ratanopeutta tuhansienkin kilometrien korkeudessa olevat satelliitit putoaisivat alas kuin vasara, joka putoaa pöydältä. Jos vasaralle annetaan hieman nopeutta myös lattian suuntaisesti, se ei enää putoa suoraan, vaan lentää hieman sivuun.

Jos vasaralle annettaisiin todella hyvä nopeus sivusuuntaan ja pöydän pinta olisi sen verran korkealla, että ilmakehä on alapuolella eikä siellä ole ilmanvastusta, voisi vasara pudota horisontin ohitse. Siis se putoaa koko ajan, mutta horisontin suuntaisen vauhdin vuoksi putoaa aina ohitse.

Alla on kuvassa klassinen esimerkki tykistä vuoren huipulla. Sillä ammuttu kuula alkaa kiertää Maata, kun kuulan nopeus on sama kuin ratanopeus (olettaen, että ilmanvastusta ei ole).

Matalalla kiertoradalla, eli muutaman sadan kilometrin korkeudessa, ratanopeus on noin 7,9 km/s, eli noin 28000 kilometriä tunnissa. Tällaisella radalla satelliitti kiertää Maan noin puolessatoista tunnissa. 

Kiertoradan voi kuvitella myös tasoksi, joka kulkee aina Maan keskipisteen läpi. Satelliitti ei siis voi pyöriä vain Suomen päällä, vaan se on aina radalla, joka vie sen ympäri maapallon.

Radalla on aina kaltevuuskulma päiväntasaajan suhteen: täsmälleen päivätasaajan yläpuolella kiertävällä satelliitilla se on 0° ja täsmälleen pohjois- ja etelänavan yli kulkevalla satelliitilla se on 90°. Monilla satelliiteilla se on jotain tältä väliltä, mikä tarkoittaa sitä, että satelliitti pyörii maapallon ympärillä siten, että sen sijainti muuttuu maapallon suhteen tuon kaltevuuskulman mukaisen leveyspiirien välillä.

Koska maapallo pyörii samalla kun satelliitti kiertää radallaan, on satelliitti joskus jokaisen maapallo paikan päällä kaltevuuskulman määrittämän ylä- ja alarajan välissä. 

Samoin se ei ole koskaan sen ulkopuolella: esimerkiksi Tiangong-1:n radan kaltevuuskulma oli noin 43°, joten se ei koskaan ollut edes näkyvissä Suomesta – saati että se olisi voinut pudota tänne.

Kiertorata voi olla myös soikio, ellipsin muotoinen, ja useimmiten se onkin sellainen – ainakin ihan vähän. Silloin ratanopeus muuttuu sen mukaan, missä kohtaa rataansa satelliitti on. Hyvin lähellä maapalloa nopeus on suurempi ja kauempana se on pienempi. 


Kansainvälisen avaruusaseman rata piirettynä tasokartalle tekee käyrää ylös ja alas. Kun maapallo pyörii koko ajan, siirtyy rata kartalla koko ajan eteenpäin. Radan kaltevuus on 52°, minkä näkee radan ylimmästä ja alimmasta kohdastakin.

Ilmakehä jarruttaa

Kun satelliitti on laukaistu tietylle radalle, niin sen kaltevuuskulman muuttaminen vaatii varsin paljon energiaa. Sen sijaan ratakorkeus muuttuu etenkin matalilla kiertoradoilla koko ajan: satelliitit putoavat alaspäin, vaikka mitään ei tehtäisi.

Syynä tähän on ilmanvastus. Kuten aiemmin kerroin, on useidenkin satojen kilometrien korkeudessa vielä kaasua. Se on hyvin, hyvin harvaa – ikään kuin ilmakehän rippeitä siellä – mutta kaasua on kuitenkin sen verran, että se saa aikaan ilmanvastusta. Siis voiman, joka hidastaa satelliitin ratanopeutta.

Kiertorataa pitää siis korjata aina välillä, jos satelliitin halutaan pysyvän radallaan. Niinpä esimerkiksi Kansainvälistä avaruusasemaa nostetaan ylemmäs aina silloin tällöin, koska se putoaa alaspäin itsekseen noin kaksi kilometriä kuukaudessa.

Mitä korkeammalla ollaan, sitä vähemmän kaasua ja siten ilmanvastusta on. Myös satelliitin pinta-ala "menosuunnassa" ja sen massa vaikuttavat siihen, kuinka paljon hyvin harva kaasu hidastaa menoa.

Esimerkiksi Tiangong-1:n tapauksessa putoaminen alas kesti noin kaksi vuotta siitä, kun lennonjohto ei enää voinut käyttää aseman rakettimoottoreita, joilla asemaa nostettiin silloin tällöin ylemmäksi. 

Kiertoradan kaltevuuteen ei ilmanvastus vaikuta, vaan ainoastaan ratakorkeuteen. Ja mitä alemmaksi asema tuli, sitä nopeammaksi vajoaminen muuttui. Noin 200 kilometrin korkeudesta alkaen putoaminen alas kesti vain noin viikon, kun sitä ennen aikaa 360 kilometristä kahteensataan kului liki puolitoista vuotta.

Noin 150 kilometrin korkeudessa ilmakehän hidastava vaikutus oli jo niin suuri, että asema tippui noin kilometrin vuorokaudessa. 130 kilometrissä jo lähes kilometrin tunnissa. 100 kilometristä alaspäin tultiin jo kovaa vauhtia (sen jälkeen asema ei enää kyennyt tekemään kokonaista kierrosta Maan ympäri) ja noin 80 kilometristä eteenpäin asema oli jo lähes vapaassa pudotuksessa.


Tiangong-1:n putaminen käyränä. Keltainen viiva osoittaa hieman soikean radan korkeimman kohdan ja sininen sen matalimman kohdan.

Vaikka nopeus oli pienentynyt, oli vauhtia vielä aika tavalla: lähes 28 000 kilometriä tunnissa. Kun kappale törmää tuolla vauhdilla ilmakehään, on tuloksena tähdenlento.

Ilmanvastus, eli kaasun kitkakuumennus lämmittää törmääjän pintaa kuumemmaksi kuin masuuni, joten se alkaa sulaa ja jopa höyrystyä. Se hohtaa valoa "palaessaan". Pienet törmääjät tuhoutuvat kokonaan ilmakehän tulisessa syleilyssä, etenkin kun aerodynaamiset voimat rikkovat ne lukemattomiksi osiksi, jotka tuhoutuvat puolestaan tehokkaammin kuin yksi iso möykky.

Isommissa kappaleissa, kuten juuri Tiangong-1:ssä, on paitsi paljon massaa, niin myös osia, jotka kestävät hyvin kuumennusta. Sellaisia ovat massiiviset metallikappaleet, kuten telakointiportit tai paineovet, kuumuutta kestämään suunnitellut osat, kuten rakettimoottorit, tai muuten vain lämpöä kestävät osat, kuten titaanista tehdyt polttoainesäiliöt. Ne selviävät aivan pinnalle saakka.

Tästä syystä suuret avaruusalukset ohjataan tietoisesti syöksymään alas Tyynen valtameren eteläosiin, mikä on maapallon autioin kolkka. Siellä osat putoavat vaaratta mereen. Sinne ohjattiin myös suurin koskaan avaruudesta alas pakotettu ihmisen tekemä rakennelma, venäläinen Mir-avaruusasema.

Eräs parhaiten tutkittuja maahanpaluita on eurooppalaisen ATV-rahtialuksen hallittu tuhoutuminen vuonna 2008. Lähes Tiangong-1:n kokoinen alus hajosi osiin, jotka putosivat alas viuhkamaisesti suurelta osin tuhoutuen.

Miksi putoaminen on vaikea ennustettava?

Muutamia kertoja on käynyt niin, että isohko avaruusalus on törmännyt Maahan ilman aktiivista ohjausta. Lennonjohto ei ole siis voinut suunnata sitä hautausmaa-alueelle, vaan se on pudonnut alas omin nokkinensa.

Silloin on tärkeää tietää paikka, minne kappale putoaa. Vaikka suurin osa Maan pinnasta on merta ja mantereistakin suurin osa on hyvin harvaan asuttua, on kuitenkin teoriassa mahdollista, että putoamisesta olisi vaaraa ihmisille.

Ennen paikan tietämistä on kuitenkin pakko tietää aika, jolloin kappale putoaa. Kappale nimittäin kiertää maapalloa tiukasti omalla radallaan koko ajan spiraalimaisesti alaspäin vajoten, ja tätä rataa voidaan laskea helposti eteenpäin. Jos putoamisaika tiedettäisiin hyvin, voitaisiin paikkakin osoittaa nopeasti.

Paikka olisi yksinkertaisesti alue kappaleen kiertoradan alapuolella, ja kun rata voidaan piirtää kartalle (tavallisessa tasokartassa se on ylös ja alas mutkitteleva käyrä), voidaan etukäteen katsoa missä tuo paikka on.

Ongelmana on kuitenkin se, että ilmakehän hidastava vaikutus ei ole koko ajan sama. Se vaihtelee monista tekijöistä johtuen. Suurin on Aurinko, jonka säteilytaso muuttuu koko ajan. Vaihtelu on hyvin pientä, mutta se vaikuttaa yläilmakehän harvan kaasun tiheyteen. Aktiivinen Aurinko saa ilmakehän "paisumaan" ja tavanomaista rauhallisempi aktiivisuus vaikuttaa päinvastoin.

Tarkalleen ottaen vaikutus on kahdenlaista. Ensimmäinen on suora Auringon paiste, siis valo ja muu sähkömagneettinen säteily, joka lähtee Auringosta ja osuu maapalloon. Se vaikuttaa maapalloon monin tavoin, ja myös yläilmakehään. Koska Aurinko paistaa vain yhdelle puolelle palloamme kerrallaan, on päivä- ja yöpuolella tilanne erilainen. 

Toinen vaikutus on Auringosta tuleva hiukkasvuo, niin sanottu aurinkotuuli. Se osuu maapallon magneettikenttään ja osa siitä johtuu monimutkaista tietä pitkin ihan maapallon lähellekin.

Aurinkotuulessa on muutoksia, mikä saa aikaan vaihtelua ns. avaruussäässä, maapallon lähitienoiden sähkömagneettisessa tilanteessa. Välillä siinä on myrskyjä, kun esimerkiksi Aurinkoa ympäröivässä kuuman kaasun kehässä, koronassa, on aukkoja, joista pääsee puhaltamaan avaruuteen tavallista enemmän kaasua. Kun tämä hiukkasvirta osuu maapalloon, saa se aikaan myös yläilmakehän tiheyden kasvua, ja siten suurempaa hidastusta Maata kiertäville satelliiteille.


Aurinko vaikuttaa maapalloon ja ilmakehään suoran säteilyn sekä Auringosta poispäin sinkoutuvien hiukkasten välityksellä.

Tiangongin tapauksessa putoamista odotettiin jo vuodenvaihteessa, mutta tavallista rauhallisemman avaruussään vuoksi ratakorkeus putosi odotettua hitaammin. Tilanne muuttui maaliskuun puolivälissä, jolloin Suomessakin näkyi komeita revontulia. Samasta hiukkasvirrasta johtuen ilmakehän hidastuttava vaikutus kasvoi ja Tiangong alkoi pudota nopeammin.

Aivan viime päivinä ennen putoamista Auringon vaikutus putoamiseen alkoi taas vähentyä, ja siksi ratakorkeus putosi vähän aiempaan hitaammin.

Tiangong myös pyöri avaruudessa, koska sen asennonsäätölaitteet eivät enää toimineet. Kun se oli poikittain menosuuntaan, oli ilmakehän jarrutus suurempaa kuin muutoin, ja koska eri puolilla maapalloa eri aikaan ilmakehän tiheys oli erilainen, ja asema oli eri puolilla eri asennoissa, ei putoamisnopeutta voitu kuin arvioida karkeasti.

Lopulta Tiangongin putoaminen alas ja sen ennustaminen oli kuin suoraan oppikirjoista: mitä alemmaksi asema tuli, sitä paremmin putoamisaika voitiin arvioida. Kun aikaa sitten laskettiin radalla eteenpäin, voitiin jo puolta päivää ennen putoamista todeta alueita, joihin ainakaan asema ei putoa. Mitä lähemmäksi putoaminen tuli, sitä pienemmälle alueelle radan alla putoaminen voitiin rajata. 

Ja lopulta paikka oli Tyyni valtameri – vain hieman sivussa hautausmaa-alueesta, eli erittäin hyvä ja vaaraton paikka putoamiseen. Tässä kyllä kiinalaisilla oli todellakin onnea!

Kertaus

Selitys oli pitkä, mutta asia on periaatteessa hyvin yksinkertainen: avaruusalusten putoamisessa oikeastaan kaikki muu tiedetään ja voidaan laskea oikein hyvin, paitsi se voima, millä ilmakehä hidastaa aluksen ratanopeutta. 

Varmasti joskus tulevaisuudessa yläilmakehän tiheyttä ja siten hidastuvuusvaikutusta voidaan ennustaa paremmin, mutta silti Auringon toimintaa on vaikea ennustaa etukäteen. Siksi vastaavissa tapauksissa myöhemmin tulee olemaan varmasti epävarmuutta.

Kuten luonnontieteissä yleisesti, on olemassa asioita, jotka tunnetaan hyvin, ja asioita, jotka kyllä tunnetaan ja niiden vaikutukset tiedetään, mutta joita ei voida ennustaa hyvin. Kuten englanniksi usein sanotaan, on "known facts", "unknown facts" and "known unknown facts", ja tämä pätee avaruusaseman putoamiseenkin hyvin.  

Tiangongin tapauksessa esimeriksi siten oli väärin sanoa, että "aseman ei oleteta putoavan Suomeen", sillä oli satavarmaa, ettei se voi pudota Suomeen – ellei joku UFO kaappaa asemaa ja viskaa sitä toiselle radalle tai jotain muuta aika epätodennäköistä tapahdu. 

Samoin oli täysin väärin sanoa, että asema olisi "ajelehtinut" avaruudessa, sillä Newtonin mekaniikka piti sitä tarkalleen oikealla radallaan. Kun aseman sijaintia voitiin havaita, voitiin radan muutokset nähdä ja siten arviota siitä, millainen on aseman tuleva rata, tarkentaa koko ajan. 

Siten myös väite, että aseman "suuri nopeus" olisi ollut syy ennustamisen vaikeuteen, oli täysi väärinymmärrys. Nopeampienkin kappaleiden liikkeitä on hyvin helppo laskea.

Ainoa epävarma tekijä oli koko ajan muuttunut ilmakehän jarruttava vaikutus ja sen kautta nopeus, jolla asema vajosi alaspäin. Kun asema oli tarpeeksi alhaalla, oli ennustaminen hyvin suoraviivaista ja tarkkaa. 

Kuten Markus blogissaan totesi osuvasti, tämä toki on rakettitiedettä, mutta ei sinänsä mitenkään vaikeaa – kunhan vain ymmärtää millainen maapallo on, miten satelliitit liikkuvat  sen ympärillä ja mitkä tekijät (mm. ilmanvastus, aseman asento ja Auringon aktiivisuus) vaikuttavat asiaan.

Ja mitä tulee avaruudessa olevien tavaroiden hallitsemattomiin putoamisiin taivaalta, niin niitä tapahtuu koko ajan: 3. huhtikuuta syöksyi ilmakehään osia kahdesta kantoraketista. Nämä tuhoutuivat kokonaan ilmakehässä.  7. huhtikuuta törmää Maahan Iridium-19 -tietoliikennesatelliitti, eikä siitäkään ole mitään haittaa. Satelliitin putoamista voi seurata mm. täällä.

*

Tämä pitkä selitys on julkaistu myös Ursan Avaruustuubi -blogina.


Juttuja samasta aiheesta