kosminen säteily

Kosmiset säteet auttavat pohjavesien suojelussa

La, 05/27/2017 - 20:36 Toimitus

Oulun yliopiston tutkijat ovat kehittäneet kosmista säteilyä hyödyntävän mittausmenetelmän, jonka avulla voidaan löytää ja suojella maapallon arvokkaita pohjavesivarantoja. Mittausteknologiaa kehitetään kovaa vauhtia kansainvälisten vesivoimaviranomaisten ja vesitoimijoiden käyttöön, sillä kuivuus ja puhtaan veden puute ovat suuri ongelma eri puolilla maapalloa.

Keksintö on peräisin Oulun yliopiston Kerttu Saalasti -instituutin maanalaisfysiikan tutkimusryhmän vuonna 2003 alkaneessa EMMA-kokeessa, jossa tutkitaan kosmisten säteiden ominaisuuksia ja toimintaa.

Ryhmä mittasi vaikeasti havaittavien myonihiukkasten kulkua kallioperässä ja oivalsi, että niiden avulla on mahdollista havaita tiheyden muutoksia maa- ja kallioperässä; mitä harvempaa ainesta, kuten vettä, sitä enemmän myoneja kulkee aineksen läpi.     

Myonihiukkasten dynamiikka ei ole uusi juttu, mutta kosmisten hiukkasten mittaus- ja laskentateknologian kehittäminen sekä sen soveltaminen geologisiin maa- ja kallioperätutkimuksiin on ainutlaatuinen askel.

Tutkijat innostuivat asiasta niin, että perustivat yhdessä eri alojen asiantuntijoiden kanssa Muon Solutions Oy:n, joka kehitti seuraavaksi monitorointilaitteiston prototyypin.

Laitteiston herkkä mittausanturi lasketaan maaperään kairanreiästä. Laitteisto keilaa ja mittaa laajalla alueella myonihiukkasten kulkua maa- ja kallioperässä kartiomaisesti alhaalta ylös jopa kilometrin syvyydestä saakka. Mittauksen tuloksena syntyy röntgenkuvamainen esitys maa- ja kallioperän laadusta ja rakenteista tiheyseroineen.

Enää ei siis tarvitse olla kairattujen maa- ja kallioperänäytteiden varassa.

Saa selville muitakin maaperän salaisuuksia

Maanalaisfysiikan tutkimusryhmän jäsen projektitutkija Jari Joutsenvaara kertoo, että mittausmenetelmää voidaan soveltaa monipuolisesti maa- ja kallioperän analysoinnissa.

"Myonimonitorilla voidaan kartoittaa tai tunnistaa myös kallioperän malmiaineksia. Menetelmä on tässä tarkoituksessa erittäin ekologinen ja taloudellinen", Joutsenvaara toteaa.

Mittausmenetelmän kehittämistä jatketaan innovaation pohjalta perustetun yrityksen toimesta. Yritysyhteistyö mahdollistaa kehitystyön pitkäjänteisyyden sekä tuotteen kaupallistamisen.

Kuin tilauksesta tutkijoille tuli samaan aikaan mahdollisuus osallistua valtakunnalliseen keksintökilpailuun Helsinki Challengeen 2017. Kilpailun kautta he ovat saaneet apua ja tukea eri alojen asiantuntijoilta.

"Olemme saaneet arvokasta ammattilaisten tukea menetelmän ja laitteiston liiketoiminnallistamiseksi, oikeiden kontaktien löytämiseksi ja ideoidemme testaamiseksi", kertoo Oulun yliopistossa tutkijana työskennellyt ja nykyisin Muon Solutions -yrityksen toimitusjohtajana toimiva Marko Aittola.

Helsinki Challenge -ideakilpailussa Myonit -nimellä esiintyvä tiimi täydensi kilpailua varten omaa osaamistaan Jyväskylän yliopistosta.

Kyseessä on on Suomen yliopistojen tiedepohjainen idea- ja kiihdyttämökilpailu, jossa haetaan ratkaisuja maailman suuriin haasteisiin ja tulevaisuuden hyvinvoinnin rakentamiseen.

Myonit -tiimiin kuuluu hiukkasfyysikkoja Oulun ja Jyväskylän yliopistosta sekä geologian, elektroniikan ja yritystoiminnan osaajia Muon Solutionsin puolelta. 

Vuonna 2003 alkanut EMMA-koe on antanut tietoa korkeaenergisten myonihiukkasten käyttäytymisestä ja kuinka niitä on mahdollista mitata. Koe piti tehdä 75 metriä paksun kalliokerroksen alla Pyhäsalmen kaivoksessa, jotta kaikki muut varatut hiukkaset voitiin suodattaa pois mittauksesta. 

Monitoroinnilla seurataan, ettei pohjavesivarantoja kuluteta liikaa

Puhtaan veden puute on globaaliongelma, joka pahenee ilmastonmuutoksen edetessä. Kuivuudesta kärsivät ennen kaikkea köyhien maiden sadat miljoonat ihmiset, mutta myös teollisuusmaat ovat riippuvaisia pohjavesistään ja niiden kestävästä käytöstä.

Myonit -tiimi on mukana Helsinki ratkaisumalli maailman pohjavesivarantojen kartoittamisesta ja suojelemisesta sopii erinomaisesti kilpailun tavoitteisiin.

"Myonimonitorilla on mahdollista paitsi löytää uusia vesivarantoja myös seurata, ettei vettä kuluteta liikaa, vaan että varantojen uusiutuminen on kestävällä pohjalla. Uudella tekniikalla monitorointi on kokonaisvaltaisempaa ja tehokkaampaa kuin koskaan aikaisemmin", toteaa Joutsenvaara.

 

Juttu perustuu Oulun yliopiston tiedotteeseen, jonka on kirjoittanut Tapio Mäkinen.

 

Kosmiset säteet paransivat ilmastomalleja roimasti

To, 07/09/2015 - 19:19 Jarmo Korteniemi
Kuva: Richard Masoner / Cyclelicious / Flick

Suuret tulivuorenpurkaukset viilentävät Maan ilmastoa jopa kymmeneksi vuodeksi, selvittivät tutkijat. Tutkimuksessa selvitettiin purkausten vaikutukset ennennäkemättömällä tarkkuudella viimeisen 2500 vuoden ajalta. Tutkimus julkaistiin heinäkuun alussa tiedelehti Naturessa.

Kosmisten säteiden vaikutusta hyödyntäneen tutkimuksen anti oli, että purkausten ja ilmaston lämpötilavaihtelun aikaskaalat kyettiin sitomaan toisiinsa paljon tarkemmin kuin ennen.

Samalla päästiin eroon tähän asti ilmastotulkintoja vaivanneista turhauttavista oletuksista. Tulokset tarkentavat roimasti muunmuassa IPCC:n malleja tulevaisuuden lämpötiloista.

Jäätä, puuta, tulivuoria ja kosmisia säteitä

Tutkijat käyttivät apunaan maanulkoisia tapahtumia. Alkuvuonna 775 sekä vuonna 994 planeetan ilmakehän koostumus muuttui hyvin äkisti - tosin vain vähän. Tämä tiedetään siitä, että hiilen raskaan 14C-isotoopin suhteellinen määrä kasvoi tuolloin ympäri maailmaa eläneiden puiden vuosirenkaissa. Vastaavasti sekä Gröönlannin että Antarktiksen jääkairauksista erottuu selvä berylliumin 10Be -isotoopin piikki. Syynä kumpaiseenkin oli luultavasti kosmisten säteiden aalto, joka muutti ilmakehän isotooppijakaumaa hetkellisesti. Kumpikin havainto on ainutlaatuinen, ja sopii hyvin oletukseen. Aikojen saatossa anomaliat jäivät puiden renkaiden sisään ja tuoreempien jäämassojen alle.

Sekä jääkairauksia että puiden vuosirenkaita on jo pitkään käytetty ilmastohistorian tulkinnassa. Kun jäästä löydetään merkittäviä vulkaanisen tuhkan jäämiä, tiedetään, että jossain tapahtui suuri purkaus. Pohjoisella pallonpuoliskolla sattunut purkaus erottuu lähinnä Gröönlannin jäässä, eteläiset taas Antarktiksella. Päiväntasaajalla alkunsa saava tuhkapilvi näkyy kummassakin. Useimmiten purkauksen aikaan eläneiden puiden vuosirenkaat ovat tuolloin myös normaalia ohuempia. Tästä sitten päätellään, että ilmasto viileni purkauksen aikoihin, koska ilmaan tupsahtaneet rikkiyhdisteet ja muut aerosolit heijastavat auringon säteilyä.

Vaikka puiden ja jään tarjoamat aikasarjat täsmäävätkin erittäin hyvin suuressa mittakaavassa, niissä on kuitenkin tarkemmin katsottuna pientä, 10 - 15 vuoden heittoa. Syy- ja seuraussuhteita on vaikea todeta pitävästi, ja päättelyssä joudutaan luottamaan malleihin ja moniin oletuksiin. Tuollaiset selitykset ovat aina avoimia tulkinnoille ja kritiikille.

Yllä: Näkymä USA:n tukikohdasta Pinatubon suuren 1991 purkauksen aikaan. Kuva: R.S. Culbreth U.S.A.F. / Kentucky National Guard Public Affairs office / Flickr

 

Nyt ongelma on korjattu. Synkronoimalla samaan aikaan syntyneet isotooppianomaliat toisiinsa tutkijat sitoivat puurenkaat ja jääkairaukset entistä tiiviimmin yhteen. Ja vieläpä kahdesta kohdasta. Parasta on, että sitomiseen käytettiin keinoa, joka on täysin ilmastomalleista riippumaton.

Kun aikasarjojen linkitys oli tehty, alkoi jää- ja puunäytteistä näkyvien tapahtumien vertailu. Niiden havaittiin täsmäävän erittäin tarkasti, käytännössä vuodelleen, ainakin muutama sata vuotta kumpaankin suuntaan isotooppi-anomalioista. Kauempanakin tarkkuus on paljon aiempaa parempi: Vuoden 500 eaa. tienoillakin heitto on enimmillään vain viisi vuotta. Virheraja tippui siis reippaasti alle puoleen.

Bonuksena tutkijat vielä löysivät kahden, toistaiseksi tuntemattoman erittäin suuren purkauksen vaikutukset. Ne sattuivat vuosina 536 ja 540, jossain päin päiväntasaajan seutua. Niiden tuottamat aerosolimäärät olivat suurempia kuin Tamboran, historiallisen ajan ylivoimaisesti suurimman purkauksen. Lämpötila laski tuntemattomien purkausten ansiosta ainakin Euroopassa 1,4 - 2,7 asteella - kymmeneksi vuodeksi. Euroopassa ja ehkä myös Kiinassa riehui nohin aikoihin sekä nälänhätä että Justinianuksen ruttona tunnettu tautiepidemia. Noin puolet maanosamme väestöstä kuoli.

Parantaa ilmastonmuutoksen ennusteita

Tiedeyhteisö on lähes yksimielinen siitä, että ihmiskunnan kasvihuonekaasupäästöt lämmittävät ilmastoa. Tulkinnoissa on eroja, sillä eri tutkijat painottavat eri mekanismeja eri tavoin. Tämän vuoksi lämpenemisen nopeusarvioissa on suuriakin eroja. IPCC:n kokoamien arvioiden mukaan hiilidioksiditason kaksinkertaistaminen lämmittää planeettaa 2 - 4,5 asteella. Vaihteluväli on suuri, ja yhtenä muuttujana - epävarmuustekijänä - on ollut vulkanismin syöttämien aerosolien merkittävyys.

Nyt julkaistu tutkimus pienentää virherajoja ja auttaa siis ennusteiden tarkentamisessa.

 

Päivitys klo 21.00: Kirjoitusvirheitä korjattu.

Jutun lähteenä on käytetty Scientific Americanin uutista sekä mainittua Naturen tiedeartikkelia.

Otsikkokuva: 2200-vuotiaan punapuun vuosirenkaat. Kuva: Richard Masoner / Cyclelicious / Flickr

Mikä Marsissa välkkyy?

Ke, 04/09/2014 - 16:54 Markus Hotakainen

Huhtikuun alussa Marsin pinnalla vaeltava Curiosity-kulkija otti kuvia, joissa kaukaisuudessa näkyy kirkas valopiste. Kulkijan mastossa olevan navigointikameran oikean "silmän" kuvassa se näkyy selvästi, mutta vasen "silmä" ei sitä nähnyt. Valopiste näkyi kahtena peräkkäisenä päivänä lähes samalla kellonlyömällä samassa kohdassa ja kummallakin kerralla ainoastaan kameran toisessa kuvassa.

Ennen kuin kenenkään päässä alkaa muotoutua villejä salaliittoteorioita, kannattaa kuunnella, mitä kulkijan pääkameroista vastaava Justin Maki Nasan Jet Propulsion Laboratorysta sanoo: "Curiosityn lähettämien tuhansien otosten joukossa tulee liki viikoittain kuvia, joissa on kirkkaita pisteitä."

Todennäköisiä selityksiä valopisteille on kaksi. Ne voivat olla auringonvalon heijastuksia sileiksi hioutuneiden kivien pinnasta. Huhtikuun alun kuvissa Aurinko on taivaalla valopisteen suunnassa jokseenkin suoraan sen yläpuolella.

 

Toinen vaihtoehto on kosminen säteily, jonka energiset hiukkaset aiheuttavat kameroiden ccd-ilmaisimissa valonvälkähdyksiä. Ne näkyvät kuvissa joko pisteinä tai viiruina riippuen siitä, missä kulmassa hiukkanen sattuu ilmaisimeen osumaan.

Mikäli oheisissa kuvissa näkyvät valopisteet ovat heijastuksia, kiiltävä kivi on harjanteen rinteellä arviolta 160 metrin etäisyydellä kulkijasta. Mikäli ne näkyisivät kummassakin kuvassa, olisi etäisyyden määrittäminen helpompaa ja tarkempaa.

Lisää kuvia löytyy JPL:n sivuilta.

Kuvat NASA / JPL-Caltech