J.J. Nervanderin tieteellisistä saavutuksista

Transkriptio

1 Heikki Nevanlinna J.J. Nervanderin tieteellisistä saavutuksista Ilmatieteen laitos on J.J. Nervanderin perustaman magneettinen observatorion jälkeläinen, missä geomagneettinen ja meteorologinen havaintoja tutkimusperinne jatkuu edelleen. Nervanderin vuonna 1844 aloittamilla magneettisilla ja meteorologisilla mittauksilla on edelleenkin arvokasta tieteellistä käyttöä kuten tässä kirjoituksessa osoitetaan. Fysiikkaa, meteorologiaa ja geofysiikkaa Nervanderin tieteellinen aktiviteetti kohdistui kokeelliseen fysiikkaan - lähinnä sähkömagnetismiin -, geomagneettisen kentän aikavaihteluihin, meteorologisiin ilmiöihin ja maapallon ilmastollisiin muutoksiin. Nervanderin kokeellisesta fysiikasta tunnetuin saavutuksensa oli jo hänen elinaikanaan huomiota osaksi saanut galvanometri, jota silloin kutsuttiin tangenttibussoliksi. Kyseisestä laitteesta on säilynyt mallikappale, joka on näytteillä Helsingin yliopiston museossa. Tangenttibussoliaan Nervander esitteli matkoillaan ( ) aikansa tärkeissä fysiikan tutkimuslaitoksissa Kööpenhaminassa, Pariisissa, Göttingenissä ja Wienissä. Laitteesta on julkaistu kuvaus Ranskan Tiedeakatemian annaaleissa (1833). Meteorologissa tutkimuksissaan Nervanderin etsi yhteyksiä auringon säteilytoiminnan (oletettujen) vaihteluiden ja maapallon ilmakehän lämpötilamuutosten välille. Hän löysi tutkimuksissaan lämpötilasta 27.2 vrk jaksollisuuden, joka sopi hyvin yhteen auringon pyörähdysajan kanssa. Johtopäätös oli, että auringon säteilyn jaksollisuus vaikuttaa maapallon ilmastoon ja että aurinko on itse asiassa ns. muuttuva tähti. Tulos herätti aikanaan suurta huomiota, mutta myöhemmät tutkimukset ovat osoittaneet, että Nervanderin johtopäätökset perustuvat varsin puutteelliseen aineistoon ja hätäisiin johtopäätöksiin. Tutkimusalue on edelleen ajankohtainen, ehkä enemmän kuin ennen, koska aivan viime aikoina uusia mielenkiintoisia tuloksia on saatu auringon säteilytoiminnan tunnettujen muutossyklien ja maapallon ilmakehän lämpötilavaihtelujen välille. Aihepiiri liittyy läheisesti nykyään suurta tutkimusaktiviteettia saavaan avaruussään ja - ilmaston tutkimukseen, jossa laajasti tutkitaan aurinko-maa - systeemin vuorovaikutuksia.

2 Geomagnetismin alalla Nervander julkaisi muutamia tutkimuksia magneettikentän vuorokausivaihtelun jaksollisuudesta, jonka hän pystyi selittämään neljän Fourier-aallon summana. Tulos pätee edelleenkin. Geomagneettinen observatorio Nervanderin tärkein saavutus oli Helsingin yliopiston magneettisen observatorion toiminnan käynnistäminen, sen instrumentoinnin ja mittausrutiinien suunnittelu. Havainto-ohjelmaan kuuluivat myös meteorologiset havainnot, mistä syystä observatoriota kutsuttiinkin magneettis-meteorologiseksi observatorioksi. Nervanderin aikaansaannoksiin kuuluu myös ilmastollisten ja fenologisten havaintojen käynnistäminen koko Suomessa. Magnetismin ja meteorologian yhdistäminen toisiinsa perustui 1800-luvun alussa vallassa olleeseen luonnontieteellisen tutkimuksen paradigmaan, jonka mukaan auringon lämpö ilmakehän kautta synnyttää maahan sähkövirtoja. Nämä puolestaan aiheuttavat magneettikentän tunnetun säännöllisen vuorokausivaihtelun. Sähkövirtojen ja magnetismin välinen yhteys oli aivan uusi ja mullistava havainto. Sen oli tehnyt laboratoriokokeissa tanskalainen Hans Christian Örsted ( ) vuonna Maan magneettikentässä havaittavat transienttimuutokset eli ns. magneettiset myrskyt eivät kuitenkaan selittyneet tämän yksinkertaisen sähkövirta-magnetismi - konseptin avulla, koska niiden esiintyminen oli satunnaista. Toisaalta oli havaittu, että magneettiset myrskyt esiintyvät samanaikaisesti globaalisesti laajoilla alueilla ja että erityisesti pohjoisilla leveysasteilla myrskyt ovat olennaisesti voimakkaampia kuin muualla. Magneettisten myrskyjen aika-paikkavaihtelujen morfologian ymmärtämiseksi organisoitiin koordinoituja geomagneettisia havaintoja eri puolilla maapalloa. Hankkeisiin osallistuivat erityisesti Saksan, Ranskan, Englannin ja Venäjän tiedemiehet. Magneettisten observatorioiden esikuvaksi nousi Gaussin ja Weberin Göttingeniin perustama Der magnetische Verein (Magneettinen yhdistys) vuonna Sen toimesta luotiin geomagneettisen observatorion peruslaitteet ja havaintorutiinit, jotka omaksuttiin nopeassa tahdissa useisssa maissa. Nervanderin Helsingin yliopistoon perustama magneettinen observatorio oli yksi näistä. Maapallolla nykyään toiminnassa olevien noin 150 magneettisen observatorion rekisteröinnit jatkavat itse asiassa vieläkin Gaussin luomia havaintoperiaatteita moderneilla instrumenteilla. Gaussin aikana kaikki havainnot tehtiin visuaalisesti, mitään havaintoautomatiikkaa ei ollut vielä käytössä. Parhaimmillaan magneettien liikkeitä seurattiin 5-6 kertaa tunnissa tehtävillä havainnoilla. Nykyään vastaava automaattinen rekisteröinti tapah-

3 tuu jopa sekunnin välein ja tiedot magneettikentän vaihteluista ovat saatavilla useilta asemilta reaaliaikaisesti haluttuun paikkaan. Magneettikentän transienttivaihtelujen seuraaminen ja rekisteröinti liittyy maapallon lähiavaruuden plasmailmiöiden (esim. revontulet ) tutkimukseen. Viime kädessä se on aurinko-maa - systeemin vuorovaikutuksien tutkimista. Siinä pätevät edelleenkin Gaussin luomat perinteet koordinoiduista havainnoista, joita tänäpäivänä tehdään sekä maanpinnalta että avaruudessa satelliiteilla ja muilla avaruusluotaimilla. Tyypillisiä maanpinnalta havaittavia kohteita ovat, magneettikenttätietojen lisäksi, radioaaltoihin perustuvat tutkat ja optiset instrumentit revontulivalon kuvaamiseksi. Observatorion mittalaitteet Kuvassa 1 on esitetty Helsingin magneettisen observatorion havaintosalissa olleiden kolmen magneettisen mittalaitteen (variometrin) asettelu Gaussin Göttingenin malliobservatorio esikuvan mukaisesti [1]. Havaittavana oli magneettikenttävektorin kolme kohtisuoraa komponenttia: deklinaatio (D), horisontaali (H)- ja vertikaalikomponentti (Z). D on magneettisen pohjoissuunnan (kompassineulan suunta) ja todellisen pohjoissuunnan välinen kulma. H on magneettikenttävektorin vaakasuora komponentti ja Z sen pystysuora projektio. Havainnoissa käytetyt magneetit olivat massiivisia ja kookkaita kuten Kuvan 1 tiedoista nähdään. Havaintoja varten magneetit sijoitettiin vaakatasoon siten, että magneetin akseli oli kohtisuorassa mitattavan vektorikomponentin suhteen. Magneettien liikkeitä seurattiin havaintosalin keskelle pystytetyn kaukoputken avulla useiden metrien etäisyydeltä (kts. Kuva 1 ja 2). Kaukoputken päälle oli asetettu mitta-asteikko (S kuvassa 2), josta kaukoputken (T) avulla luettiin magneettiin kiinnitetyn peilin kautta magneetin suunnanmuutokset millimetreinä. Esim. H-variometrissa 10 mm muutos asteikolla vastasi 10 nt heilahdusta kenttävoimakkuudessa. Ylläkuvatulla laitekokonaisuudella tehtiin magneettikentän mittauksia yhtäjaksoisesti kellon ympäri 66 vuoden ajan vuodesta 1844 lähtien. Mittaustiheys oli aluksi 6 havaintoa tunnissa, mutta myöhemmin (vuodesta 1857) kerran tunnissa. Vuonna 1901 alkanut sähköraitiotieliikenne häiritsi observatorion magneettisia mittauksia. Lähes mahdottomaksi magneettisten havaintojen suorittaminen tuli vuonna 1908, jolloin raitiolinja kulki aivan observatorion läheltä. Tästä syystä ne lopetettiin vuonna 1910.

4 Nervanderin perustaman observatorion magneettisten mittausten tulokset julkaistiin ensimmäisten neljän vuoden ( ) ajalta painetussa muodossa Nervanderin kuoleman jälkeen Sen jälkeen tehtyjä mittauksia ei ole aikaisemmin käsitelty lainkaan, mutta kaikki pari miljoonaa havaintoa on säilynyt alkuperäisissä käsinkirjoitetuissa havaintovihoissa. Havaintojen lähempi tarkastelu osoitti, että ne ovat erittäin huolellisesti tehtyjä ja antavat arvokasta tietoa magneettikentän vaihteluista ajalta, jolta magneettikentän havaintoja on säilynyt vain vähän muualta. Usean vuoden työn jälkeen vanhat magneettiset havainnot on tallennettu levykkeille. Työ tehtiin Ilmatieteen laitoksen geofysiikan osastolla, jota tavallaan voidaan pitää Nervanderin observatorion seuraajana. Helsingin magneettisen observatorion havaintosarjoja on käytetty lukuisissa geofysiikan julkaisuissa tutkittaessa auringon aktiivisuuden vaikutuksia maan magneettikentän vaihteluihin. Tällaisia kansainvälisiä julkaisuja on viiden viime vuoden ajalta 26 kappaletta. Näin Nervanderin yli 150 vuotta sitten aloittamat mittaukset antavat relevanttia tietoa tänäpäivänäkin tehtäviin geomagneettisiin tutkimuksiin. Nervanderin käynnistämien mittausten tulokset yhdistettynä myöhemmin muissa observatorioissa tehtyihin magneettikentän mittauksiin antavat yhtenäisen 155 vuotta pitkän aikasarjan, joka kuvaa maapallon lähiavaruuden aiheuttamia magneettisia häiriöitä maanpinnalla eli ns. avaruusilmastoa. Siinä havaittavat hitaat muutokset kertovat auringon hiukkasemission dekadaalisista ja vielä pitempikestoisista muutoksista. Itse asiassa viime vuosisadan puolivälisistä tunnetaan vain Helsingin lisäksi kaksi muuta magneettista observatoriota, joiden havaintosarjat ovat yhtä täydellisiä ja korkeatasoisia. Ajanjaksolla ei ole julkistettu yhdenkään muun observatorion havaintoaineistoa, joten siinä suhteessa Helsingin observatorion mittaukset ovat ainutlaatuisia. Jälkimaailmalle arvokkain Nervanderin tieteellinen saavutus oli magneettis-meteorologisen observatorion perustaminen ja geomagneettisten sekä meteorologisten havaintorutiinien korkeatasoinen toteuttaminen Suomen olosuhteissa, perinne, joka on jatkunut näihin päiviin asti. [1]. Nevanlinna, H., New geomagnetic activity index series for EOS - Trans. Amer. Geophys. Union, 76, [2]. Nevanlinna, H., Gauss H-Variometer at the Helsinki Magnetic Observatory J. Geomagn. Geoelectr., 49,

5

6 Kuva 1. Kaavakuva Helsingin magneettisen observatorion magnetometrien sijoittelusta observatoriosalissa.

7 GAUSSIN H-VARIOMETRI H-variometri ylhäältä W Kaukoputki (T) magneetin (M) muutoskulmien (Dj)havaitsemiseksi M T R = 7.3 m N Dj E S Kaksi hopeista ripustuslankaa (2.75 m) Magneetin kiinnityskappale, jonka keskellä on peili, josta havaitsija näkee asteikon (S) T W M E Magneetti (M) edestä Pilarin päälle pystetty havainto-kaukoputki (T) ja siihen liittyvä mitta-asteikko (S) Kuva 2. Kaavakuva Helsingin magneettisen observatorion horisontaalikentän vaihteluja mittaavasta laitteesta (Gaussin H-variometri). Ylemmässä kuvassa oikealla on magneetti, joka on itä-länsi asennossa. Vasemmalla on kaukoputki (T), jolla havaittiin magneetin kääntymiskulman muutokset. Ne luettiin asteikolta (S alemmassa kuvassa), joka heijastui kaukoputkeen magneettiin kiinnitetystä peilistä. Laite oli jatkuvassa käytössä Helsingin magneettis-meteorologisessa observatoriossa vuosina