nature

Huima ehdotus: Tuhat mitta-asemaa tutkimaan maapallon kuntoa

Ma, 01/08/2018 - 10:43 Toimitus
Hyytialan asemaa (Kuva: Helsingin yliopisto, ATM)

Tunnettu aerosolitutkija, akateemikko Markku Kulmala ehdottaa Nature-lehdessä maailmanlaajuisen mittausverkoston rakentamista planeettamme tilan selvittämiseksi ja jatkuvaksi seuraamiseksi. Tuhat asemaa riittäisi – esimerkkinä suomalaisten SMEAR.

Hyytiälässä, Juupajoella, on Helsingin yliopiston SMEAR II -asema, missä mitataan jatkuvasti yli 1200 erilaista muuttujaa ilmassa ja ympäristössä.

Kasvihuonekaasujen pitoisuudet, pienhiukkasten pitoisuudet ja koostumus, otsoni, typen oksidit, rikki- ja typpihappo, sadat erilaiset hiilivedyt, molekyyliklusterit, maaperän ominaisuudet, fotosynteesi ja puiden kaasuaineenvaihdunta – nämä kaikki ja paljon muuta kirjautuvat tietokoneisiin ympäri vuorokauden.

Mittaustiedot näyttävät miten Hyytiälän metsämaasto hengittää ja elää, sekä kuinka muualta tulleet ilmavirtaukset tuovat sinne aineita ympäröivästä maailmasta.

Markku Kulmala ehdottaa viime torstaina, 4. tammikuuta Nature -lehdessä olleessa artikkelissa Build a global Earth Observatory SMEAR:in ottamista esimerkiksi hankkeessa, joka rakentaisi maailmanlaajuisen mittausverkoston maapallon tarkan tilan kartoittamiseen ja seuraamiseen.

Ympäri maailman tehdään koko ajan paljon mittauksia, joten niistä ei sinällään ole pulaa, mutta yhtenäinen, samalla tavalla samoja merkkikaasuja pitkäaikaisesti ja luotettavasti mittaava järjestelmä, jonka tuottamat havainnot olisivat vapaasti kaikkien maailman tutkijoiden käytössä, olisi huima askel eteenpäin.

Tiedot auttavat erilaisten luonnonilmiöiden takaisinkytkentöjen ja vuorovaikutusten selvittämisessä.

Kulmalan ehdottama maapallonlaajuinen uusi Global SMEAR (Stations for Measuring Earth Surface Atmosphere Relations) -verkko tarvitsee noin tuhat Hyytiälän kaltaista asemaa.

"Investointikustannukset asemaa kohden ovat 10 miljoonaa euroa, joten investoinnit Global SMEAR -verkkoon olisivat samaa suuruusluokkaan kuin Trumpin muuri Meksikon rajalle", akateemikko Kulmala sanoo.

Global Observatory (Global SMEAR) mittaisi kasvihuonekaasuja, pienhiukkasia, hivenkaasuja, oksidantteja, pilvien ominaisuuksia, sadetta, ekosysteeminen tilaa ja yleisesti ottaen ympäristön muutoksia, ihan niin kuin Hyytiälässä jo tehdään.

Lisäksi mukaan olisi hyvä ottaa myös uutta teknologiaa, kuten massaspektrometria, joka pystyy ilmakehässä mittaamaan erittäin pieniä hiukkaspitoisuuksia.

"Global SMEARin toteuttaminen vaatii laajaa kansainvälistä yhteistyötä, jota voisi pitkällä aikavälillä johtaa esimerkiksi meteorologian kansainvälinen järjestö WMO yhdessä suomalaisten toimijoiden kanssa", Kulmala arvelee viitaten Hyytiälän SMEAR-asemalta saatuun korkeatasoiseen aineistoon.

Hyytialan asemaa (Kuva: Helsingin yliopisto, ATM)
Hyytiälän SMEAR II -asema. Kuva: Helsingin yliopisto.

Kes­tä­viä pää­tök­siä teh­dään vain riit­tä­väl­lä ai­neis­tol­la

Helsingin yliopiston ilmakehätutkijat ovat kehittäneet SMEAR-konseptia vuodesta 1989, jolloin professori Pertti Hari ja Markku Kulmala aloittivat ensimmäisen SMEAR-aseman suunnittelun. Konseptin oleellisena osana on avoin data ja datavirrat.

"Kun on riittävästi avointa dataa maapallon tilasta, se mahdollistaa riittävän monipuolisen analyysin. Näin saadaan tietoa esimerkiksi siitä, mitkä alueet maapallolla voivat vahvistaa hiilinieluja ja lisätä ilmakehää viilentävien pienhiukkasten syntyä."

Kulmala uskoo myös, että uusia ilmastonmuutosta hillitseviä takaisinkytkentöjä voi löytyä.

"Vain riittävällä datalla ja monipuolisella analyysillä päästään tekemään kestäviä päätöksiä, hän sanoo.

Se jo tiedetään kipeän hyvin, että ilmaston muuttuessa kaupungistuminen lisääntyy, ruoka ei riitä, ja puhdas vesi muuttuu yhä vaikeammin saatavaksi; ilma saastuu, biodiversiteetti kärsii, ympäristö kemikalisoituu, epidemiat globaalistuvat ja energia on käymässä niukaksi – kaikki ovat ilmiöitä, jotka liittyvät oleellisesti toisiinsa eikä niitä voi ratkaista yksitellen.

*

Juttu perustuu Helsingin yliopiston viestinnän tiedoteeseen.

Rosettan komeetta uusin silmin

Pe, 01/23/2015 - 13:42 Jari Mäkinen

Jo puolen vuoden ajan olemme odottaneet tarkkoja kuvia ja yksityiskohtaisia tietoja komeetta 67P/Churyumov-Gerasimenkosta, jota Rosetta-luotain on kiertänyt elokuun alusta alkaen. Luotain toki aloitti komeetan tutkimisen jo aikaisemmin lähestyessään tätä omituista kaksijakoista komeettaydintä.

Odotuksen aika oli ohitse eilen torstaina illalla, kun ensimmäiset tutkimustulosten perusteella tehdyt artikkelit julkaistiin tänään Science-lehden erikoisnumerossa. Niissä on jo huimaavia kuvia ja erittäin kiinnostavia tietoja, mutta kyseessä on vasta maistiainen: nämä artikkelit perustuvat Rosettan 11 eri instrumentin komeetan luokse saapumisen aikana ja vain vähän aikaa sen jälkeen keräämistä tiedoista. Tarkimmat kuvat ja Philae-laskeutujan tulokset ovat tulossa vasta myöhemmin.

Lisää tuloksia julkaistaan Nature-lehdessä ensi viikolla.

Samalla on julkaistu myös pitkään vain tutkijoiden käytössä olleita OSIRIS-kameran kuvia. Näistä on erimomainen galleria ESAn sivuilla.

Vaikka Rosetta ei ole ollut nyt uutisotsikoissa niin paljon kuin marraskuussa, kun sen laskeutuja Philae pomppi komeettaytimen pinnalle, on lento itse asiassa nyt erittäin jännittävässä vaiheessa.

“Rosetta elää käytännössä komeetan kanssa ja lähestyy sen mukana  Aurinkoa”, selittää lennon tieteellinen johtaja Matt Taylor. 

“Opimme koko ajan lisää komeetan käyttäytymisestä niin pitkän ajan kuluessa, kuin myös päivittäin – miten sen aktiivisuus kasvaa, kuinka sen pinta muuttuu ja millä tavalla se vuorovaikuttaa aurinkotuulen kanssa.”

“Jo nyt näiden muutaman kuukauden aikana olemme tulleet tutuiksi komeetan kanssa, mutta mitä enemmän ja enemmän saamme tietoja ja  tutkimme komeettaa läheltä, sitä paremmin voimme selvittää sitä mistä se on peräisin ja kuinka komeetta oikeastaan toimii.”

“Chury” ja sen pinnanmuodot

Jo aiemmin julkaistut navigointikameran ottamat kuvat ovat näyttäneet komeettaytimen pinnan olevan täynnä jännittäviä yksityiskohtia, ja luotaimen tehokkaan OSIRIS-kameralaitteiston ottamat kuvat vain vahvistavat tätä ennakkokäsitystä. Pinta on erittäin monimuotoinen ja siellä oli jo puoli vuotta sitten käynnissä monia aktiivisia ilmiöitä.

Pienten yksityiskohtien lisäksi komeetan perusolemus tunnetaan nyt paremmin. Kaksiosaisen ytimen pienempi osa on kooltaan 2,6 × 2,3 × 1,8 km ja suurempi 4,1 × 3,3 × 1,8 km. Komeetan kokonaistilavuus on 21,4 kuutiokilometriä ja sen massa on 10 miljardia tonnia. Tästä voi laskea tiheydeksi 470 kg/m3.

Koska suurin osa komeetasta lienee hiekkaa, kiveä ja jäätä, joiden keskimääräinen tiheys lienee välillä 1500–2000 kg/m3, on varsin selvää, että ydin on rakenteeltaan varsin huokoisa. Sen sisällä on suuria höttöisiä alueita ja on mahdollista, että se ei koostu vain kahdesta selvästi erillisestä osasta, vaan nekin koostuvat itse asiassa vain klimpissä olevista palasista, joiden   ulkopinta on tasoittunut ajan kuluessa.

Noin 70% pinnasta on kartoitettu tähän mennessä tarkasti ja vain ns. eteläisellä pallonpuolella olevat, toistaiseksi huonosti päivänvalossa näkyneet alueet ovat tuntemattomia.

Kuvista on voitu erottaa tähän mennessä 19 toisistaan poikkeavaa aluetta, joiden keskinäiset visuaaliset eroavaisuudet ovat selviä. Näille on annettu lennon perinteiden mukaisesti egyptiläiset nimet.

Nämä alueet koostuvat viidestä eri tyyppisestä pintatyypistä: pölypintaisesta, kirkkaasta kuoppia ja pyöreitä muotoja sisältävästä, laajoja painautumia sisältävästä, tasaisesta ja kivenkaltaisesta ikään kuin alta pilkottavasta “peruskalliosta”.

Alueet pohjoisella pallonpuolella ovat pääosin pölyn peitossa, koska muualtakin ytimeltä ylös nouseva kevyt aine näyttää putoavan pääasiassa sinne. Kun Aurinko lämmittää komeettaa, jää muuttuu vesihöyryksi, joka pakenee nopeasti ydintä ympäröivään ohueen kaasukehään, niin sanottuun komaan, sekä sieltä ulos avaruuteen. Tähän virtaan tarttuu mukaan myös kiviperäistä pölyä, mutta suurin osa siitä ei liiku niin nopeasti, että se karkaisi avaruuteen, vaan putoaa takaisin pinnalle. Ja nähtävästi tätä pudonnutta pölyä on enemmän juuri pohjoisessa.

Kuvissa näkyy myös halkeamia ja kuoppia, joista virtaa kaasua ja pölyä avaruuteen. Kaikkein aktiivisin alue pinnalla on kuitenkin  kahden osan välissä oleva “kaula”, jonka tasaiselta pinnalta virtaa koko ajan ainetta ylöspäin. On vielä epäselvää onko kaula muodostunut siksi, että siitä on virrannut aikanaan paljon ainetta pois, vai onko kaula vain paljastanut alla olevia kerroksia, mistä lämpö irrottaa helpommin ainetta.

Pinnalta nouseva kaasuvirta on selvästi myös synnytänyt erikoisen näköisiä pinnanmuotoja. Jo aiemminkin ihmetystä herättäneet dyynit ja muut tuulen aiheuttamilta näyttävät piirteet johtunevat juuri tästä pölyä mukanaan kuljettavasta kaasuvirrasta. 

Pölyä on pinnalla paikoitellen jopa metrien paksuudelta, ja nähtävästi se toimii myös eristeenä. Paikoissa, missä pölyä on selvästi enemmän, on alla oleva jää selvästi viileämpää, koska pöly estää Aurinkon lämmön tunkeutumista syvemmälle.

Siinä missä navigointikameran kuvista ei voinut nähdä paljasta jääpintaa lainkaan, on sitä selvästi havaittavissa VIRTIS-instrumentin ottamissa kuvissa. Nyt tutkimuksissa olevien kuvien resoluution on parhaimmillaan 15 metriä. VIRTIS on näkyvän valon ja infrapunaisen alueella toimiva kuvantava spektrometri, joka pystyy havaitsemään juuri jäätä erittäin hyvin. Sen havaintojen mukaan suurin osa pinnasta on pölyn peittämää, mutta siellä täällä on myös runsaammin jäätä sisältäviä alueita. Nämä ovat tyypillisesti tuoreita halkeamia tai rikkoontumia pinnalla, jolloin alla oleva materiaali on paljastunut. 

VIRTIS on havainnut myös runsaasti hiilipitoisia molekyylejä.

Pinnalla voi nähdä myös runsaasti ytimen lämpenemiseen ja viilenemiseen liittyviä rakenteita. Kun komeetta kiertää Aurinkoa radallaan, jonka yksi kierros kestää 6,5 vuotta, ja kun se pyörii akselinsa ympäri kerran 12,4 tunnissa, se kokee lyhyen- ja pitkän ajanjakson lämpösyklejä, jotka saavat aikaan halkeamia. Suurin tällainen todennäköisimmin lämpösykleistä johtuva halkeama on 500 metriä pitkä, ja se sijaitsee pitkittäin kahta ytimen osaa kiinni pitävässä kaulassa. 

Paikoitellen komeetan pinta on myös kananlihalla; joissain jyrkkäreunaisissa halkeamissa on seinämissä noin kolme metriä halkaisijaltaan olevia muodostelmia, jotka saavat pinnan näyttämään hieman samalta kuin ns. kananlihalla oleva iho. Näiden syntyä ei ole vielä osattu selittää.

Samoin komeetan kaksiosainen olemus on toistaiseksi vielä suuri kysymysmerkki. Osat ovat hyvin samankaltaisia ja teoria siitä, että yksi suurempi komeettaydin olisi ajan kuluessa vain muotoutunut tällaiseksi, on kenties hieman todennäköisempi tähän saakka saatujen tietojen perusteella. Mutta voi yhtä hyvin olla niin, että Chury olisi syntynyt kahden komeetan ajautuessa hiljakseen yhteen ja muodostettua siten yhden, suuremman kappaleen.

Kuva: Churyn ytimen "mantereet" ja niiden nimet

Kaasua ja pyrstö

Chury tulee olemaan lähimpänä Aurinkoa 13. elokuuta 2015, jolloin sen ja Auringon välinen etäisyys on 186 miljoonaa kilometriä. Se on siis kauempana kuin Maa, mutta lähempänä kuin Mars.

Sitä mukaa kun komeetta tulee lähemmäs Aurinkoa, sen lämpötila nousee ja pinnalta alkaa virrata yhä enemmän kaasua ja pölyä avaruuteen. Siksi Rosetta-lennon päähuomio tähän saakka on ollut  komeettaytimen pinnan kartoittamisessa mahdollisimman tarkasti, ennen kuin kasvava aktiivisuus tekee havaintojen tekoa hankalammaksi. Samalla pääkiinnostus on nyt suuntautumassa komeetasta irtoavan kaasun, pölyn ja hitusten tutkimiseen.

Irtoavan aineen ja kaasun määrä on ollut kasvussa jo koko sen ajan kun Rosetta on ollut komeetan luona. Esimerkiksi irtoavan vesihöyryn määrä oli viime heinäkuussa 0,3 litraa sekunnissa, mutta jo elokuun lopussa se oli 1,2 litraa sekunnissa. Suurin osa tästä näytti tulevan kaulan alueelta. Mukana kaasuvirrassa on myös mm. hiidimonoksidia ja hiilidioksidia. Hetkittäin näitä on ollut jopa enemmän kuin vettä.

Kun mitataan ulosvirtauksen massaa, niin eniten ainetta pakenee komeettaytimestä pienten pölyhiukkasten muodossa. Pölyä on noin neljä kertaa enemmän kuin kaasua, kun siis lasketaan massan mukaan. Sitä mukaa kun Chury tulee lähemmäksi Aurinkoa, kasvaa todennäköisesti myös jäähitusten osuus – nyt niitä on ollut erittäin vähän.

Rosetta on tutkinut näitä hiukkasia, ja havainnut, että komeetan lähiympäristössä on itse asiassa pölyä kahdessa paikassa: virtaamassa ulospäin ytimestä sekä kiertämässä sitä ikään kuin ohuena pilvenä komeetan ympärillä noin 130 kilometrin etäisyydellä. On mahdollista, että tämä “pilvi” on jäänne komeetan edelliseltä kierrokselta Auringon lähellä, ikään kuin sen lähelle jääneet pyrstön rippeet, ja se mahdollisesti katoaa kun aktiivisuus taas lisääntyy.

Rosetta tosin ei pysty havaitsemaan nyt tätä 130 km:n päässä olevaa pilveä, koska se itse kiertää ydintä noin 30 kilometrin etäisyydellä.

Sitä mukaa kun ydintä ympäröivä kaasun ja pölyn alue, koma, sekä siitä irtoava pyrstö kasvavat, muodostuu komeetalle myös ionosfääri ja magnetosfääri. Rosetta tutkii myös näitä, mutta näistä ei vielä ole juurikaan tuloksia.

Kuva: Pinnalta eri alueilta nousevan kaasun keskimääräinen koostumus.

Suomalaiset mukana tutkimuksissa

Nyt julkaistuissa artikkeleissa on mukana havaintoja myös tutkimuslaitteista, joiden työhön Ilmatieteen laitos osallistuu. Näitä ovat esimerkiksi pölyhiukkasten koostumusta analysoiva COSIMA ja varattuja hiukkasia tutkiva laite ICA.

"Tällä hetkellä uutta tietoa komeetasta on jo tullut paljon ja osa saaduista tiedoista on yllättänyt tutkijat", kertoo IL:n Rosetta-vastaava, tutkimuspäällikkö Walter Schmidt.

“Jo saatujen tietojen pohjalta on esimerkiksi selvinnyt, että komeetan pölykerros on paksumpi kuin oli arvioitu. Pölyä on saatu analysoitavaksi useammasta paikasta Philaen tekemien laskeutumispomppujen ansiosta.”

Laskeutuja Philaen keräämiä tietoja ei vielä ole nyt julkaistuissa artikkeleissa, mutta ennen kaikkea laskeutujan kanssa työskennellut Schmidt ei malta olla kertaamatta sen saavutuksia. 

Esimerkiksi se, että Philaen ankkurointi pintaa ei onnistunut toivotusta ja se, että Philaen mukana oleva MUPUS-vasara ole päässyt läpi muusta kuin pölykerroksesta, viestii selvästi siitä, että komeetan pinta on paljon kovempi kuin aikaisemmin oli kuviteltu.

"Näin kova materiaali voi sisältää muutakin kuin aikaisemmin oletettua vesijäätä. Komeetan pinnalla on tehty havaintoja orgaanisista aineista, joka voi olla yksi selitys pinnan kovuudelle”.

Lisäksi veden isotooppianalyyseissä on selvinnyt, että veden koostumus on erilainen kuin maassa, joten Maahan vesi ei luultavasti ole tullut komeettojen vaan asteroidien mukana.

Myös professorit Esa Kallio Aalto-yliopistosta ja Hannu Koskinen Helsingin yliopistosta ovat analysoineet Rosetta-luotaimen mittauksia komeetta 67P/Churyumov-Gerasimenkosta elokuusta 2014 alkaen. Ensimmäiset komeetasta lähtevät vesisuihkut havaittiin jo syyskuussa 2014, eli hyvin varhaisessa vaiheessa komeetan syntyvaihetta.

"Olimme hämmästyneitä siitä, että komeetasta suihkunnut vesihöyry pystyi häiritsemään aurinkotuulta merkittävästi, vaikka komeetta on vielä kaukana Auringon lämmöstä", kertoo Esa Kallio. "Komeetan etäisyys Auringosta oli mittausten alkuaikana yli kolme kertaa Maan ja Auringon välinen etäisyys".

Suomalaisryhmä pystyi myös arvioimaan mittausten perusteella, että komeetalta karkasi vettä noin kilogramma sekunnissa. Kallion ja Koskisen tulokset ovat mukana tänään julkaistussa Science-lehdessä.

Kallion ryhmän tutkimus keskittyy luotaimen ICA (Ion Composition Analyzer)-hiukkasinstrumentin antaman aineiston tulkintaan. ICA-hiukkasmittalaite on yksi RPC-instrumentin (Rosetta Plasma Consortium) viidestä anturista ja se mittaa, milloin komeetassa syntyy vesihöyrysuihkuja ja niistä syntyneitä kevyitä sähköisesti varattuja hiukkasia. Ilmatieteen laitos on osallistunut ICA-laitteiston rakentamiseen jo 1990-luvun puolivälistä alkaen Walter Schmidtin johdolla.

ICA-hiukkasmittalaite oli todistamassa Auringon aiheuttamaa jäisen komeetan heräämistä ja höyrystymistä jo ennen Philaen irtautumista ja välitti uutta tietoa komeetan pinnan eroosiosta.

"Pyrstöstä lähtevät hiukkaset kertovat komeetan avaruussäästä eli komeetan avaruusympäristöstä, jossa Auringon valon aikaansaama lämpö ja aurinkotuuli yhdessä saavat aikaan komeetan pinnan eroosion", selventää Kallio, joka analysoi tutkimusryhmineen luotaimen mittauksia kolmiulotteisilla tietokonesimulaatioilla.

"Käyttämämme mallinnus syventää saamamme mittausaineiston ymmärtämistä merkittävästi. Kokonaiskuvaa komeetan tapahtumista ei saada pelkillä yksittäisissä paikoissa tehdyillä mittauksilla eikä myöskään yhdestä mittalaitteesta, vaan analysoimalla ja yhdistelemällä mittaustuloksia ja tekemällä niistä mallinnuksia."

Seuraavaksi Kallio tutkimusryhmineen toivoo saavansa tutkittavaksi raskaita pölyhiukkasia, jotka olisivat peräisin komeetan ytimestä. Tutkimustyön seuraava vaihe on verrata tuloksia muiden mittalaitteiden kanssa.

"Tutkimme erityisesti eroosion voimakkuuden vaihteluja komeetan elinkaaren aikana. Eroosion uskotaan vahvistuvan komeetan lähestyessä Aurinkoa ja aktiivisimmillaan sen oletetaan olevan elokuussa 2015. Siksi odotammekin vesisuihkujen lisääntyvän kesää lähestyttäessä."

Alla on Kallion tutkimusryhmän tekemä animaatio Churyn lähiavaruuden varatuista hiukkasista ja niiden vuorovaikutuksesta aurinkotuulen kanssa. Kuvassa näytetään komeetan ytimestä purkautuvan, Auringon UV-säteilyn ionisoimien vesi-ionien pilvi, jota aurinkotuulen virtaus puhaltaa pois komeetalta. Aurinkotuuli esitetään värillisillä nuolilla, joiden väri kuvaa aurinkotuulen tiheyttä: valkoinen väri kuvaa matalaa, punainen suurta tiheyttä. Osuessaan komeetan ionipilveen aurinkotuulen virtaus kääntyy alaspäin sekä hidastuu lähellä komeetan ydintä.

Herääkö Philae?

Tällä hetkellä Rosetta-lennon johtajat ja tutkijat ovat toiveikkaita sen suhteen, että laskeutuja voisi herätä keväällä uudelleen toimintaan. Se hiipui marraskuussa parin päivän toiminnan jälkeen, kun sen akuissa olleen varauksen taso putosi liian alas, mutta se todennäköisesti kykenee parhaillaan keräämään aurinkopaneeleillaan sen verran energiaa, että se paitsi pysyy toimintakunnossa, niin myös voi herätä uudelleen henkiin, kun auringonpaisteen määrä lisääntyy vähitelleen.

Ensimmäisenä komeetan pinnalle tömähtänyt Ilmatieteen laitoksen valmistama PP-mittalaite, joka mittaa komeetan vesipitoisuutta, sai tehtyä mittauksia. Ilmatieteen laitoksen PP-mittarit ovat optimaalisessa tilassa, joten tarvittava mittaussarja voidaan viedä läpi heti herätyksen jälkeen, sillä PP-mittaukset eivät liikuta Philaeta ja tehtävät mittaukset eivät vie paljon energiaa. Mittausmenetelmää joudutaan kuitenkin muuttamaan, sillä mittaukset oli suunniteltu tehtäväksi eri tavalla alkuperäisessä sijaintipaikassa.

Lisää aiheesta Ilmatieteen laitoksen tiedotteessa ja ESAn artikkelissa.