Hyvää kannattaa odottaa! Euroopan avaruusjärjestön Aeolus -satelliittia on tehty 16 vuoden ajan ja sen piti alun perin lentää jo vuonna 2007, mutta se pääsee vasta ensi elokuussa avaruuteen. Laite tulee havaitsemaan avaruudesta maapallon tuulia ennen näkemättömällä tarkkuudella.
Jos kysyt säätieteilijältä, mikä on suurin yksittäinen hankaluus sään ennustamisessa, niin vastaus on tuuli.
Tuulta mitataan toki avaruudesta ja maanpäälisin laittein koko ajan, mutta tiedot ovat hyvin paikallisia ja yleensä kertovat tilanteesta vain lähellä pintaa. Jos sääennustusmalleihin saataisiin edes karkeita tietoja tuulitilanteesta laajoilta alueilta pinnasta aina stratosfääriin saakka, niin ennusteet muuttuisivat paljon tarkemmiksi.
Ongelmana on kuitenkin se, että tällaisten tuulihavaintojen tekeminen on hyvin hankalaa. Laajoja alueita voidaan havaita vain avaruudesta, mutta miten havaita tuulta, joka on käytännössä näkymätöntä? Ja kuinka havaintoja voisi tehdä kätevästi eri korkeuksilla?
Vastaus on lidar, eli kuin tutka, joka käyttää radioaaltojen sijaan valoa. Lidar-tekniikkaa on kehitetty pitkään ja sen avulla pystytäänkin tekemään tehokkaasti havaintoja paikallaan olevista havaintoasemista sekä lentokoneista, mutta lidarin asentaminen satelliittiin on osoittautunut todella vaikeaksi. Nasa on heittänyt pyyhkeen kehään jo useampaan kertaan, kun koelaitteet eivät ole toimineet, mutta nyt nähtävästi Euroopan avaruusjärjestö on onnistunut tekemään ensimmäisen, kunnollisen avaruudessa toimivan lidarin.
Se on Aeolus-satelliitin hyötykuorma, joka tunnetaan nimellä Aladin, eli Atmospheric LAser Doppler INstrument. Kyseessä on ultraviolettivalon alueella toimiva laser (itse asiassa kaksi sellaista), joka ammutaan alas kohti Maata. Osa valosta heijastuu ja siroaa takaisin tulosuuntaan (tutkasignaalin tapaan), jolloin se voidaan ottaa vastaan suuren teleskoopin avulla. Kun signaalia analysoidaan, voidaan siitä saada selville tuulen voimakkuus ja suunta eri korkeuksilla.
Täsmälleen ottaen valon aallonpituus on 355 nm, ja laser suunnataan 35° kulmassa alaspäin, jolloin ilmakehästä saadaan sopiva pystyleikkaus.
Valoa otetaan vastaan kahdella vastaanottimella, jotka näkevät ns. Mie- ja Rayleigh-sirontaa. Taivaan sininen väri johtuu niin sanotusta Rayleigh'n sironnasta, jonka keksi John William Strutt, joka tunnetaan paremmin aatelisnimeltään lordi Rayleigh. Hänen nimeään kantana sironta tulee valon osuessa ilmassa oleviin happi- ja typpimolekyyleihin. Saksalaisen fyysikon Gustav Mien mukaan nimensä saanut sironta tulee puolestaan valon osuessa ilmassa oleviin aerosoleihin, pienhiukkasiin ja pilvien yläosiin.
Aeolus siis "näkee" ilmassa tuulen mukana liikkuvia molekyyjejä ja hiukkasia. Apuna tässä on vielä niin sanottu doppler-ilmiö, eli se, kun valon aallonpituus muuttuu pienemmäksi kun kohde liikkuu kohti havaitsijaa ja pitemmäksi etääntyessään. Kyse on samasta asiasta kuin junan pillin äänen muuttumisessa junan mennessä ohitse: kohti tulevan junan pilli kuulostaa korkeammalta ja pois menevän junan pillin ääni on matalampi.
Jos tämä kaikki tuntuu hankalalta, laitteen saaminen avaruudessa toimivaksi oli hyvin haastavaa. Laserit ja valoa ohjaavat linssit ja peilit on kiinnitetty optiseen penkkiin, jonka täytyy kestää laukaisun tärinän ja avaruuden olosuhteet, ja samoin laserien pitää sinällään olla erittäin toimintavarmoja.
Eräs olennaisimmista hankaluuksista liittyi peilien ja linssien pinnoituksiin, sillä käytettävien lasereiden teho on sen verran suuri, että yllättäen laserit höyrystivät käytettyjen nämä pinnoitukset – tätä ei oltu yksinkertaisesti ajateltu kunnolla, koska pinnoitukset eivät olleet koskaan ongelmana maanpäällisissa lidareissa. Uusien pinnoitteiden kehittäminen ja testaaminen vei paljon aikaa.
Aeoluksen peili Tuorlassa. Kuva: Tuorlan observatorio
"Suomalainen" peili
Laser ammutaan ilmakehään ja takaisin tuleva valo kerätään havaintolaitteseen suuren peilin avulla. 1,5 metriä halkaisijaltaan oleva peili on tehty piikarbidista ja se on olemukseltaan hyvin pitkälti samanlainen kuin oli Herchel-avaruusteleskoopissa.
Itse asiassa peilejä tehtiin samanaikaisesti, ja samaan tapaan kuin Herchelin suuri peili hiottiin tarkasti oikeaan muotoonsa Suomessa Tuorlan observatoriolla, sai myös Aeoluksen peili saman puunauksen Turun kupeessa. Hionnan teki Opteon Oy. Peilit tuotiin näyttävästi Airbus Beluga -rahtilentokoneella.
Peilin pinta on vain 2,5 mm paksu ja sen tuorlalaiset hioivat aikanaan niin tarkasti, että peili oli eräs parhaita maailmassa. Nyt yli vuosikymmentä myöhemmin peili ei ole enää ennätyksellinen, mutta erittäin hyvä.
Itse asiassa Aeolusta varten peilin ei olisi tarvinnutkaan olla parempi, sillä muutoin satelliitin alas lähettämä lasersäde voisi olla haitallinen: satelliitista 1,5 metriä leveänä lähtevä säde on nyt Maan pinnalle saapuessaan noin seitsenmetrinen ja voimakkuudeltaan sopiva havaintoihin, mutta samalla tarpeeksi heikko, ettei se aihauta vahingossakaan silmävaurioita. Suunnittelussa on otettu huomioon se mahdollisuus, että joku katsoisi juuri satelliitin suuntaan kiikarilla samaan aikaan kun laserilla sondataan alaspäin.
Suomalainen "sähkökaappi"
Satelliitin aurinkopaneeleista eri systeemeille jakavan laitteiston on tehnyt RUAG Space Finland Oy Tampereella; yhtiö valmisti myös signaalikäsittely-yksikön laserlaitteistoon.
Tutkimuslaite, josta on hyötyä sääennustajille
Aeolus on ennen kaikkea tutkimuslaite, jonka tehtävänä on paitsi testata satelliitissa olevan lidarin toimintaa, niin myös tutkia miten käyttökelpoista tietoa sillä saadaan aikaan. Ainakin periaatteessa se pystyy tuottamaan juuri sellaista tietoa, mitä sääennustajat kaipaavat: kattavan tuulikartoituksen.
Etenkin useamman päivän päähän ulottuvissa sääennusteissa suurin epävarmuus tulee siitä, että suuri osa tuulitiedoista täytyy arvioida varsin harvan havaintoverkoston perusteella. Jos ja kun tietokoneilla tehtäviin mallinnuksiin voidaan pian laittaa tuulitietoja koko maapallon alueelta merenpinnan tasolta aina 30 kilometrin korkeuteen, tulee tuloksista todennäköisesti paljon parempia.
Aeolus tulee kiertämään Maan 15 kertaa vuorokaudessa ja se pystyy kartoittamaan koko maapallon noin viikon kuluessa. Kaikki tuulitiedot eivät ole siis aivan tuoreita, mutta parannus nykyiseen on huomattava.
Tietoa saadaan alas satelliitista kuitenkin nopeammin kuin tutkimussatelliiteista yleensä. Signaali otetaan vastaan Huippuvuorilla, mistä tieto siirtyy Trimsøssä olevaan käsittelykeskukseen, joka jakaa tiedot ympäri Eurooppaa – myös Suomeen Ilmatieteen laitokselle. Tuulitiedot voivat olla parhaimmillaan noin kolmen ikäisiä, eli hyvin tuoreita.
Euroopan avaruusjärjestö ja sääsatelliittijärjestö Eumetsat ovatkin jo eräällä tapaa huolestuneita siitä, että kenties vastaavanlaisia satelliitteja halutaan vastaisuudessa lisää. Jos tuulitiedot tuottavat hyviä kokemuksia, halutaan tietoja luonnollisesti rutiininomaisesti. Sitä varten pitäisi taivaalle lähettää ainakin kaksi uudenlaista sääsatelliittia, jotka olisivat Aeoluksen kokoisia.
Niiden tekemiseen ei kuitenkaan mene 16 vuotta, koska oppirahat on nyt maksettu. Lisäksi hankkeessa jo nyt saatuja teknisiä tietoja voidaan käyttää hyväksi maanpäällisissä lidareissa sekä laseroptiilassa yleisesti.
Laukaisu elokuussa
Aeolus pakataan nyt kuljetuskonttiin ja lähetetään laivalla laukaisupaikalle Ranskan Guyanaan. Sitä ei siis lähetetä sinne rahtilentokoneella, kuten yleensä satelliitteja kuljetetaan, koska laserien kanssa halutaan ottaa varman päälle; suuret, yllättävät paineenvaihtelut voivat olla niille haitallisia. Jos lento menee hyvin, ei ongelmia olisi, mutta lennolla täytyy varautua hätätilanteisiin ja sellainen on esimerkiksi paineen nopea putoaminen koneen sisällä. Siksi merikuljetus on katsottu nyt paremmaksi.
Kouroussa satelliitti testataan perustoimiltaan uudelleen, asennetaan Vega-kantoraketin nokkaan ja laukaistaan avaruuteen näillä näkymin 21. elokuuta. Avaruudessa laitteiden käynnistäminen tapahtuu rauhallisesti, mutta tutkijoille on luvattu ensimmäisiä tietoja lokakuussa – jos kaikki siis tästä eteenpäin menee hyvin.
