painovoima

Jamaikalainen vuoristorata, eli todella konkreettinen esimerkki painovoimakiihtyvyydestä

Julkaisimme jokin aika sitten huumorivideon kuvitteellisista vuoristoradoista, mutta nyt kyseessä on ihan oikea laite: Jamaikalla sademetsässä sijaitseva vuoristorata, joka on oikeasti vuoristossa ja missä pääsee kokemaan varsin hurjan pudotuksen noin kilometrin pitkällä radalla.

Vauhti on siis huima – mutta jos niin vain haluaa, sillä kelkoissa on jarrut. Ja aika moni käyttää jarrua varsin paljon, kuten videon kuvannut nysverö.

Jos siis kaipaat menoa ja meininkiä tai mikäli synkkä kesäsää harmittaa, niin yksi vaihtoehto korkea-adrenaliiniselle lomalle on Jamaika ja tämä siellä saaren pohjoispuolella Ocho Riosissa oleva Rainforest Bobsled Jamaica!

Maailman tarkin painovoimamittari Suomeen

Ma, 03/10/2014 - 16:36 Jari Mäkinen
Metsähovin gravimetri

Suomessa on otettu käyttöön maailman tarkin painovoiman muutoksia mittaava laite. Kyseessä on Geodeettisen laitoksen Metsähovin tutkimusasemalla Kirkkonummella sijaitseva suprajohtava gravimetri. Sillä voidaan havaita painovoiman vaihteluita, jotka ovat voimakkuudeltaan vain miljoonasosan miljoonasosa normaalista painovoimasta.

Maan painovoima muuttuu jatkuvasti. Tämä ei tunnu, mutta on huomattavissa jokapäiväisessä elämässä esimerkiksi Kuun ja Auringon synnyttämistä valtamerten vuorovesistä. Suprajohtavalla gravimetrillä havaittavat ilmiöt ovat miljoonia kertoja heikompia. Osa muutoksista johtuu esimerkiksi maanjäristysaaltojen tai ilmanpaineen vaihtelun synnyttämistä maankuoren pienistä korkeuden vaihteluista. Osa syntyy paikallisista massan muutoksista, kuten pohjaveden korkeuden tai lumipeitteen paksuuden muuttumisesta.

Uusi laite on niin herkkä, että se pystyy helposti havaitsemaan lähellä seisovan tutkijan vaikutuksen painovoimaan.  

Mikä ihmeen gravimetri?

Yksinkertaisin mahdollinen painovoimamittari on pieni punnus, joka päästetään putoamaan vapaasti tyhjässä tilassa. Kun sen putoamiskiihtyvyyttä mitataan tarkasti, saadaan selville painovoiman – siis putoamiskiihtyvyyden suuruus. Maan pinnalla se on keskimäärin 9,81 m/s², eli tämä on yksi g.

Käytännössä gravimetrit ovat erittäin tarkkoja vaakoja, joilla mitataan kierrejousen avulla metallisen punnuksen painoa.

Nykyaikaisessa suprajohtavassa gravimetrissä metallijousi on kuitenkin korvattu sähkömagneetilla ja mittauksen tarkkuus perustuu suprajohtavaan ilmiöön, jossa aineen sähkönvastus katoaa kokonaan. Tässä nyt käyttöön otetussa maailman tarkimmassa gravimetrissä on niobium-metallista tehdyt sähkökelat, jotka on jäähdytetty lähelle absoluuttista nollapistettä (-273,15 °C).

Vastuksetta kiertävä sähkövirta synnyttää kelan ympärille vakaan magneettikentän ja äärimmäisenkin pienet painovoiman muutokset pyrkivät muuttamaan magneettikentässä leijuvan niobiumpallon paikkaa, jolloin tätä seuraamalla voidaan määrittää painovoimamuutoksen suuruus. Kun yhden ilmaisimen sijaan laitteessa on kaksi samanlaista ilmaisinta, on se vielä aiempia malleja tarkempi.

Mitä gravimetrillä tehdään?

Maanjäristysaaltoja mittaavien seismometrien ohella suprajohtava gravimetri on ainoa laite, jolla pystytään tutkimaan Maan sisärakennetta ja siellä tapahtuvia ilmiöitä. Suuren herkkyyden ja pitkäaikaisen mittausvakauden ansiosta sillä voidaan seurata myös hitaita painovoiman muutoksia.

Metsähovissa tutkitaan paikallisen hydrologian, kuten pohjaveden ja lumipeitteen massanmuutosten aiheuttamia painovoiman muutoksia, ja Itämeren vedenkorkeuden vaihtelun vaikutusta. Suomessa tehtyjä havaintoja on yhdistetty koko maapallon painovoimamuutoksia mittaavien satelliittien havaintoihin, jolloin voidaan selvittää eri ilmiöiden vaikutusta. Näin saadaan entistä tarkempia tietoja esimerkiksi jäätiköiden sulamisesta ja merenpinnan noususta.

Metsähovin suprajohtava gravimetri on osa maailmanlaajuista verkkoa, johon kuuluu 32 asemaa. Havainnot kootaan kansainväliseen datapankkiin, jossa ne ovat tutkijoiden vapaasti käytettävissä.

Uusi gravimetri korvaa vuodesta 1994 toimineen laitteen, joka on maailman vanhin yhtäjaksoisesti toiminnassa oleva suprajohtava gravimetri.

Kuvassa erikoistutkija Heikki Virtanen ja Richard Warburton ovat siirtämässä nesteheliumia uuteen gravimetriin (sininen laite oikealla).

Teksti perustuu Geodeettisen laitoksen tiedotteeseen. Kuvat: Jyri Näränen / Geodeettinen laitos

Painovoimatutkija putoaa pian alas

.
Maapallon painovoimakenttää maaliskuusta 2009 mitannut ESAn GOCE-satelliitti on päättämässä toimintaansa avaruudessa. Se suunniteltiin toimimaan alun perin vain 20 kuukauden ajan, mikä olisi riittänyt hienosti siihen, että GOCE olisi voinut mitata erittäin tarkasti painovoimakiihtyvyyden joka puolella planeettaamme.

Koska niin satelliitti itse kuin sen mittalaitekin, niin sanottu gravimetri, toimivat moitteetta, annettiin GOCEn hyrrätä niin kauan kuin mahdollista.

Syy, miksi GOCE joutuu nyt lopettamaan toimintansa, on hyvin yksinkertainen: siltä loppuu polttoaine.

Satelliitti on kiertänyt Maata hyvin matalalla kiertoradalla, noin 225 kilometrin korkeudella, jotta sen mittaukset olisivat mahdollisimman hyviä. Tuolla korkeudella ilmakehä on jo kaukana alapuolella, mutta siellä on silti hyvin ohutta kaasua, mikä hidastaa koko ajan satelliitin kiertoratanopeutta. Jotta se pysyisi oikealla radallaan, tulee vauhtia pitää yllä pienellä rakettimoottorilla, joka puskee satelliitille lisää nopeutta saman verran kuin ilmanvastus sitä vähentää.

Jotta ilmakehän ripeiden aiheuttama ilmanvastus olisi mahdollisimman pieni, muotoiltiin GOCE myös pitkäksi, aerodynaamiseksi puikulaksi. Se näyttää lähes yliäänilentokoneelta siipimäisine aurinkopaneeleineen ja pienine peräsimineen. Rakettimoottorina GOCEssa oli erittäin polttoainetaloudellinen ionimoottori, eli sähköinen työntövoimalaite, joka kiihdyttää aurinkopaneeleista tulevalla virralla xenon-kaasua hyvin suureen nopeuteen.

Mukaan oli pakattu 40 kiloa xenonia, joka onnistuneen lennonsuunnittelun ja pihin ajotavan ansiosta on riittänyt paljon kaavailtua pitempään. Mutta nyt xenon-tankki alkaa olla siis tyhjä, ja lokakuun puolivälissä löpö loppuu. Niinpä GOCE ei enää pysty pitämään yllä tarvittavaa ratanopeutta. Se alkaa vajota radaltaan alaspäin, ja mitä alemmas se tulee, sitä voimakkaammin ilmakehä ottaa siitä otettaan, kunnes lopulta se putoaa maahan.

GOCE on noin 5,3 metriä pitkä ja metrin halkaisijaltaan oleva putkilo, mihin on kiinnitetty pitkittäin rungon suuntaan olevat aurinkopaneelit molemmin puolin. Massaa satelliitilla on hieman yli tonnin verran.

Näin pieni satelliitti tulee tuhoutumaan lähes kokonaan ilmakehän kitkakuumennuksessa, mutta on mahdollista, että muutamat kestävimmät kappaleet selviytyvät osittain tulipätsistä ja putoavat pinnalle saakka.

Näin tapahtuu arvioiden mukaan noin kolmen viikon kuluttua polttoaineen loppumisesta, eli marraskuun alkupuolella. Tarkkaa aikaa ei voi laskea, koska putoaminen riippuu monesta eri tekijästä: tärkein vaikuttava asia on yläilmakehän kaasuntiheys, joka vaihtelee esimerkiksi Auringon aktiivisuuden mukaan. Kun Aurinko on aktiivinen, "nousee" ilmakehä korkeammalle.

GOCE kiertää maapalloa napojen kautta kulkevalla radalla, joten se voi periaatteessa syöksyä alas missäpäin tahansa Maata – myös Suomen yläpuolella. Kun putoamisen ajankohtaa ei voi vielä ennustaa, ei paikkaa, missä GOCE radallaan silloin on, pysty edes arvaamaan.

Se kuitenkin tiedetään, että on erittäin epätodennäköistä, että GOCEn putoava palanen vahingoittaisi ihmisiä, eläimiä tai rakennuksia. Kaksi kolmasosaa maapallon pinnasta on meriä ja maa-alueestakin suurin osa on hyvin harvaan asuttua.

Maahan putoaa joka vuosi noin 40 tonnia ihmisten avaruuteen lähettämiä satelliitteja, laitteita tai muita kappaleita, eikä niistä ole ollut haittaa. Tämä on lisäksi hyvin vähän verrattuna planeettaamme avaruudesta törmäävien luontaisten kappaleiden massaan. On todennäköisempää saada meteoriitti päähänsä kuin joutua GOCEn palasen runtelemaksi!

Vaikka riski onkin häviävän pieni, GOCEn rataa seurataan nyt hyvin tarkasti, ja kun se alkaa vajota alaspäin, tehdään putoamispaikasta jatkuvasti tarkentuvia arvioita. Ja jos on tarpeen, niin vaara-alueelta hätistetään lentokoneet sivummalle ja pelastusviranomaiset nostavat valmiuttaan.

Maapallo on päärynä

GOCEn itsensä keräämät tiedot auttavat myös sen putoamisen arvioinnissa, sillä yli neljä vuotta kestäneen mittausrupeaman tärkein tulos on ollut maapallon erinomaisen tarkka painovoimakartta. Nyt tiedämme paremmin kuin koskaan kuinka suuri on painovoiman veto eri puolilla planeettaamme ja minkä muotoinen täsmälleen ottaen Maa on.

Yksi konkreettinen tulos on Maan ns. geoidi, eli maapallon laskennallinen pinta, missä vesi ei voi virrata paikasta toiseen, vaan pysyisi täsmälleen paikallaan. Mikäli maapallon pinnalla olisi vain vettä, yksi maailmanlaajuinen valtameri, niin se ottaisi geoidin muodon, mikäli vuorovesiä ja merivirtoja ei olisi olemassa.

Nimi GOCE tuleekin sanoista "Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer", ja sen keräämien tietojen perusteella voidaan esimerkiksi ymmärtää paremmin merivirtoja, meriveden korkeutta ja jäädynamiikkaa sekä havaittuja, painovoiman vaihtelusta aiheutuvia omalaatuisia vääristymiä satelliittien radoissa.

Koko GOCE-lento, siis satelliitin tekeminen, laukaisu ja operointi, ovat tulleet maksamaan noin 350 miljoonaa euroa. Tuotoksiin verrattuna se on eräs kustannustehokkaimmista tutkimuslennoista.

GOCEn tietoja hyödynnetään myös Suomessa

Geodeettisella laitoksella on sovellettu GOCEn mittaamaa aineistoa korkeusjärjestelmien perustaksi sekä eri maiden korkeusjärjestelmien liittämiseen toisiinsa. Geoidin tarkka määritys auttaa esimerkiksi GPS-mittauksista saatujen korkeuksien muuntamista.

Painovoiman mittaaminen perinteiseen tapaan maan pinnalla vie paljon aikaa, eivätkä havainnot ole kattavia. Kiertoradalta sen sijaan saadaan mittauksia tasaisesti kaikkialta, myös merialueilta, ja tulokset ovat samanlaisia.

Suomalaiset ovat olleet aktiivisesti myös GOCEn teknisellä puolella: Space Systems Finland -yhtiö on ollut päävastuussa satelliitin keskustietokoneen ohjelmistosta. Kyseessä on ikään kuin satelliitin käyttöjärjestelmä, joka pitää satelliitin halutussa asennossa, kerää instrumenttien tuottamat havaintotiedot talteen ja välittää sekä välittömät maakomennot että muistiin ennalta syötetyt ja ajastetut toimintakäskyt tietokoneelle. Ohjelmisto myös raportoi laitteiston tilasta.

Ja aivan pian ohjelmisto tulee myös hallitsemaan GOCEn loppua: viimeiset siitä saatavat radiopiipahdukset ovat suomalaisohjelmiston lähettämiä.

Lue lisää GOCE:sta: GOCE, ESA's Gravity Mission