SUOMALAINEN AVARUUSTUTKIMUS

Transkriptio

1 JULKAISUJA 2/2001 SUOMALAINEN AVARUUSTUTKIMUS Toimittanut Ulrica Gabrielsson

2 Vuosikokouksensa yhteydessä Tutkijoiden ja kansanedustajien seura - TUTKAS - järjesti keskustelutilaisuuden "Suomalainen avaruustutkimus". Tilaisuudessa alustajina toimivat professori Risto Pellinen Ilmatieteenlaitokselta, professori Tuija Pulkkinen Ilmatieteen laitokselta, professori Antti Räisänen Teknillisestä korkeakoulusta, professori Jarmo Torsti Turun yliopistolta, tutkimuspäällikkö Erkki Kyrölä Ilmatieteen laitokselta, professori Seppo Urpo Teknillisestä korkeakoulusta sekä professori Martti Hallikainen Teknillisestä korkeakoulusta. Tilaisuuteen osallistui noin 30 henkilöä. Tähän julkaisuun sisältyvät kaikki tilaisuudessa pidetyt alustukset.

3 SISÄLLYS Tilaisuuden avaus Kansanedustaja Martti Tiuri 1 Suomi avaruudessa Professori Risto Pellinen, Ilmatieteen laitos, geofysiikan tutkimus 2 Suomi avaruussään armoilla Professori Tuija Pulkkinen, Ilmatieteen laitos, geofysiikan tutkimus 7 Mikroaaltotekniikka, painopistealue suomalaisessa avaruusosaamisessa Professori Antti Räisänen, Teknillinen Korkeakoulu 10 ERNE, Suomen avaruustieteen lippulaiva avaruudessa Professori Jarmo Torsti, Turun yliopiston fysiikan laitos 14 Suomi otsoniaukon reunalla Tutkimuspäällikkö Erkki Kyrölä, Ilmatieteen laitos, geofysiikan tutkimus 16 Suomi avaruuden etäisimpiä kohteita kartoittamassa Professori Seppo Urpo, Teknillinen Korkeakoulu 21 Suomi kaukokartoituksen näkökeilassa Professori Martti Hallikainen, Teknillinen Korkeakoulu 24

4 1 Tutkaksen puheenjohtaja, kansanedustaja Martti Tiuri TILAISUUDEN AVAUS Kiitos vielä kerran luottamuksesta. Meillä on nyt edessä katsaus suomalaiseen avaruustutkimukseen. Kokous meni reippaan puheenjohtajan toimesta hieman arvioitua nopeammin, mutta koska alustajista ainakin Risto Pellinen on jo paikalla, voimme aloittaa seminaarin. Tässä on tarkoituksena antaa yleiskuva siitä, kuinka laajaa toimintaa Suomessa avaruustutkimuksessa harrastetaan. Suomessa käytetään nykyään jo kohtalaisia summia avaruustutkimukseen. Tänään huomasin aamutelevisiossakin mainostettavan maailmankaikkeuden syntyhistorian tutkimista satelliiteilla, joissa on suomalaisia laitteita mukana ja senkin ohjelman kustannus Suomen osalta on noin 50 miljoonaa markkaa. Monia muita ohjelmia on, mistä tänään saamme kuulla tarkemmin. Kiitän vielä tässä professori Risto Pellistä, joka on ohjelman koonnut kokoon ja annakin hänelle ensimmäisen puheenvuoron siitä, mitä Suomi avaruudessa nykyisin tekee.

5 2 Professori Risto Pellinen Ilmatieteen laitos, geofysiikan tutkimus SUOMI AVARUUDESSA Arvoisat kuulijat, myös omasta puolestani haluaisin toivottaa teidät tervetulleiksi tähän tilaisuuteen. Täällä on monta puhujaa. Kun professori Tiuri tarjosi tämän tilaisuuden järjestämisen mahdollisuutta minulle ja aloin ottaa yhteyksiä avainhenkilöihin, ei yksikään kieltäytynyt. Vastaukset tulivat muutamassa tunnissa, mikä selvästi osoittaa, että kiinnostus oli hyvin suuri. Uskon myös, että se aineisto, joka tänään esitellään, kuvaa keskeisesti suomalaisen avaruustoiminnan ydinosaamisalueita. Ennen kuin aletaan tarkastella Suomen tilannetta lähemmin, on syytä palauttaa mieliin muutaman numerotiedon avulla mitä avaruudessa on tähän mennessä tapahtunut. Ensi viikon torstaina tulee kuluneeksi 40 vuotta siitä, kun Juri Gagarin ensimmäisen kerran lensi miehitetyn avaruuslennon. Siitä hetkestä, jolloin Sputnik (pieni 90 sentin läpimittainen alumiinipallo) laukaistiin avaruuteen, on avaruuteen lähetetty keskimäärin kaksi satelliittia viikossa. Peräti 750 astro- tai kosmonauttia on käynyt avaruudessa. Tällä hetkellä puhutaan paljon ensimmäisestä avaruusturistista, jonka on lähiaikoina tarkoitus vierailla kansainvälisellä avaruusasemalla. 12 ihmistä on käynyt Kuussa avaruushistorian varhaisessa vaiheessa, eikä sen jälkeen Kuussa ole käytykään. Avaruudessa on oleskeltu tähän mennessä yhteensä vuorokautta, mikä käytännössä tarkoittaa, että ihminen on jo nyt siirtynyt avaruuden asukkaaksi. Venäläisillä avaruusasemilla on asuttu jatkuvasti 15 vuoden ajan ja hiljattain asukkaat siirtyivät uudelle avaruusasemalle. Venäläinen Mir oli ensimmäisen sukupolven todellinen avaruusasema. Sitä ennen oli rakennettu vain lyhytikäisiä avaruuslaboratorioita. Nyt ollaan toteuttamassa toisen sukupolven avaruusasemaa, jonka kokonaishinta on noin 50 miljardia dollaria. Sen oletetaan olevan täydessä käyttökunnossa vuonna Ainoa näköpiirissä oleva epävarmuustekijä on presidentti Bushin budjetti, joka julkaistaan ensi maanantaina. Ennakkotietojen mukaan se sisältää leikkauksia avaruusaseman osalta, mutta katsotaan, miten muut avaruusasemahankkeessa mukana olevat maat suhtautuvat asiaan. Avaruus on nousemassa merkittäväksi taloudelliseksi tekijäksi maailmassa. Tänä päivänä 1/250 maailman taloudesta liittyy tavalla tai toisella avaruustoimintaan ja hyvin voimakas kasvu on käynnissä. Tämän hetken ennusteet ovat sellaisia, että kun ensi ja seuraavan vuosikymmenen alussa on odotettavissa merkittäviä kriisejä mm. ympäristö- ja energia-asioissa, avaruustekniikalla pystytään tukemaan kestävän kehityksen tulevaisuutta. Tämä ei ole pelkästään nykyhetken käsitys, vaan aikoinaan myös Rooman klubin ennusteessa arvioitiin, että tulevaisuudessa kun ihmiskunnan määrä ylittää 10 miljardin rajan, sen on selviytyäkseen otettava käyttöön uusia teknisiä apuneuvoja, joista avaruustekniikka vaikuttaa lupaavimmalta.

6 Suomi heräsi avaruustoimintaan melko myöhään. Vuonna 1985 käynnistettiin ensimmäiset konkreettiset avaruushankkeet. Vuonna 1987 liityimme Euroopan avaruusjärjestön (ESA) liitännäisjäseneksi ja solmimme samanaikaisesti valtiosopimuksen Neuvostoliiton kanssa avaruusyhteistyöstä. Tämä oli siinä mielessä onnekas ratkaisu, että kun kahteen eri suuntaan piti yhtä aikaa käynnistää toiminnat, niin budjettikin oli käytännössä kaksinkertainen. Suomalaiset saivat yllättävän nopean lähdön avaruustoiminnan käynnistämisessä. Olemme onnistuneet pääsemään mukaan lähes kaikkiin ESA:n tiedeohjelmiin, joista muutamasta annetaan tarkempi kuvaus myöhemmin tänään. Neuvostoliiton ohjelmassa aloitimme Mars-tutkimuksella ja tänään yhä pohdimme miten kaksi suurhanketta, Spectrum-X ja Radioastron, joissa on merkittävät suomalaisosuudet, saataisiin avaruuteen. Meillä on ollut laajempaa bilateraalista toimintaa lähinnä Ruotsin kanssa. Ruotsillahan on maan kokoon nähden huomattavan laaja avaruusohjelma. Myös Ranska on viime aikoina tullut merkittäväksi yhteistyökumppaniksi ja myös USAn kanssa meillä on erittäin hyvä yhteistyö, joka alkoi itse asiassa Venäjä-yhteistyön kautta, jossa presidenttien Bush ja Jeltsin välinen sopimus Marsyhteistyöstä käytännössä käynnistettiin Suomessa. Amerikkalaiset NASAn tutkijat tulivat Suomeen saamaan oppia, miten tämä yhteistyö voitaisiin toteuttaa käytännön tasolla. Myös Japanin kanssa on yhteistyötä, joka on selvässä kasvussa tällä hetkellä. Suomella on oma kansallinen avaruusohjelma. Käynnissä olevalla strategiakaudella on arvioitu julkisen avaruusrahoituksen suuruudeksi 40 miljoonaa euroa vuodessa. Toiminnalla on neljä painopistealuetta: tiede, kaukokartoitus, tietoliikenne ja paikannus. Tiede ja kaukokartoitus ovat hyvässä vauhdissa, mutta tietoliikenteen ja paikannuksen osalta suuret ohjelmat ovat vasta tulossa. Esimerkiksi Galileo-paikannusohjelmasta, joka on suunniteltu toteutettavaksi ESA:n ja EU:n välisenä hankkeena, tehdään lähipäivinä EU-maiden liikenneministerien kokouksessa päätös, joten tämä on hyvin ajankohtainen kysymys. Suomessa toimii tällä hetkellä yhteensä noin 90 tutkijaa seitsemässä yksikössä neljällä eri alueella. Näiden tutkijoiden yhteenlaskettu projektirahoitus on noin 9 miljoonaa euroa vuodessa. Tämä luku on sopusoinnussa kansakunnan kokoon nähden ja edustaa hyvää eurooppalaista keskitasoa. Tietysti tutkijoita voisi olla enemmänkin, mutta tämä alue vaatii jonkinlaista tasapainoa ainakin tällä hetkellä. Uusimman tieteen tila- ja tasotarkastelun perusteella suomalaiset avaruus- ja tähtitieteen tutkijat ovat menestyneet kilpailussa erinomaisesti. Viime vuonna kertyi ennätykselliset 22 tieteellistä julkaisua miljoonaa asukasta kohden, mikä edustaa noin 1,2 % maailman julkaisuista tällä alalla. Suomen alalle osoittama rahoitus on tuottanut tuloksia, jotka näkyvät, ja se tuntuu lisääntyvänä arvostuksena Suomea kohtaan myös muissa avaruusorganisaatioissa. Kaukokartoituspuolella suuret havainto-ohjelmat käynnistyvät lähitulevaisuudessa. ENVISATsatelliitti laukaistaan näillä näkymin tänä syksynä. Sitä on rakennettu 15 vuotta ja sen tutkimuksellinen potentiaali käyttäjien kannalta on suuri. On arvioitu, että Suomessa on noin 150 kaukokartoitustulosten käyttäjää, joiden yhteenlaskettu projektirahoitus on noin 17 miljoonaa euroa vuodessa. Suomessa on 33 yritystä, joilla on jonkinlainen avaruusosuus tuotanto-ohjelmassaan. Osa näistä on suuryrityksiä, ja työntekijöiden kokonaismäärä kaikissa yrityksissä on yhteensä noin 200. Uskotaan, että nämä luvut kasvavat lähitulevaisuudessa. 3

7 Meidän perinteinen alamme on avaruusfysiikka, johtuen lähinnä siitä, että Suomessa näkyvät revontulet, mikä on synnyttänyt kiinnostuksen niihin liittyvän fysiikan tutkimiseen. Mm. viime viikonloppuna Suomen yläpuolella oli revontuli-ilmiöihin liittyvä voimakas magneettinen myrsky, joka oli suurin 40 vuoteen. Me tunnemme Maata ympäröivän magnetosfäärin hyvin, osaamme mallintaa sen muutokset ja pystymme tekemään kolmiulotteisia mittauksia. Avaruudessa on tällä hetkellä neljä Maata kiertävää ESA:n Cluster-satelliittia, jotka tuottavat jatkuvasti mittaustuloksia tutkijoiden käyttöön. Suomi on vastuussa laajoista maanpintaverkoista, joissa kameroilla, magnetometreillä ja tutkilla seurataan ionosfäärin tilaa jatkuvasti. Nämä mittausjärjestelmät ovat tällä hetkellä parhaita maailmassa, ja ne tukevat tehokkaasti Cluster-satelliittien mittauksia. Aikaisemmin totesin venäläisyhteistyön alkaneen Mars-ohjelmasta ja se on johtanut meidät hyvin merkittävään aurinkokunnan tutkimusohjelmaan. Pääasiallisina tutkimuskohteina ovat taivaankappaleiden kaasukehät. Erityisen kiinnostavia ovat Marsin ja Saturnuksen Titan-kuun kaasukehät. Suomessa on rakenteilla useampia instrumentteja, jotka tulevat lentämään Marsiin lähivuosina, ja suomalaisilla tutkimusryhmillä on mittalaitteita ESA:n Huygens luotaimessa, joka laskeutuu Titankuun kaasukehään vuoden 2005 tammikuussa. Suomessa tutkitaan myös komeettojen vesi- ja pöly-ympäristöjä. Päämääränä on ymmärtää, mm. mistä maapallon vesivarat ovat peräisin. Oletetaan, että vesi on siirtynyt komeettojen törmäyksien myötä maapallolle, koska nykyhavaintojen mukaan suuremmat komeetat saattavat kantaa valtavan määrän vettä mukanaan. Me haluamme ymmärtää näiden tutkimusten kautta myös miten planeettojen ilmakehät ovat syntyneet ja kehittyneet. Lähivuosikymmeninä ollaan siirtymässä uusiin tutkimusohjelmiin, joissa yhä enenevässä määrin robottikeinoilla tutkitaan planeettoja ja muita kiinteitä taivaankappaleita. Suomalaisilla on periaatteessa hyvät valmiudet osallistua näihin hankkeisiin, koska venäläisyhteistyön kautta olemme jo käytännössä toteuttaneet kahden pienen Mars-laskeutujan suunnittelemisen ja rakentamisen. Valitettavasti nämä eivät koskaan laskeutuneet Marsiin, koska venäläisen Proton-kantoraketin viimeinen osa ei toiminut suunnitetulla tavalla ja laskeutumisalukset yhdessä pääluotaimen kanssa syöksyivät takaisin Maan ilmakehään. Tämä on osa avaruustoiminnan luonnetta, aina ei voi onnistua ja erikoisesti laukaisuissa piilee yhä suurin riski. Nykypäivänä laukaisut onnistuvat kuitenkin paljon useammin kuin avaruushistorian alkuaikoina. Suomella on merkittäviä osuuksia ESA:n Rosetta-komeettaohjelmassa. Siinä on tarkoitus mm. laskeutua komeetta Wirtasen pinnalle. Wirtanen on suomalaisten kannalta siinä mielessä mukava valinta, että nimi on helppo ääntää ja sen löytäjän sukujuuret ovat suomalaisperäisiä. Tämä lisää Suomessa kiinnostusta hanketta kohtaan. Komeetan ydin on noin 600 metrin läpimittainen kiven ja jään muodostama kappale, jonka pinnalla 80 kilon painoinen laskeutuja painaa alle gramman. Kun laskeutuja irroitetaan luotaimesta vuonna 2012, täytyy sen osua komeetan pintaan suoraan kuin tikka. Uskotaan, että tässä onnistutaan, mutta se edellyttää uusia huomattavia teknologisia oivalluksia. Suomi rakentaa tällä hetkellä yhdessä Ranskan ja Saksan kanssa neljää NetLander laskeutumisalusta, jotka on tarkoitus laukaista vuonna 2007 kohti Marsia. Näiden laskeutumisalusten avulla perustetaan Marsin pinnalle meteorologinen mittausverkko ja seismisten asemien järjestelmä, jolla tutkitaan Marsin sisärakennetta. Suomi on perinteisesti ollut varsin aktiivinen tähtitieteessä. Maassamme on hyvin toimivia tutkimusryhmiä, joiden kiinnostus kattaa tähtitieteen spektrin lähes kaikki aallonpituudet. Tähän mennessä ESA:n avaruusohjelmat ovatkin aika pitkälti palvelleet juuri tähtitieteilijöiden tarpeita. 4

8 Kuvassa on esitetty vain muutamia painopistealueita tähtitieteilijöidemme kiinnostuksen kohteista. Merkittävimmän alueen muodostaa korkean energian astrofysiikka, jossa tänä päivänä on useita mittalaitteita tekeillä eri ohjelmiin. Avaruudessa on jo toiminnassa ESA:n XMM Newton teleskooppi, joka laukaistiin äskettäin, ja se on alkanut tuottaa röntgentähtitieteen alaan kuuluvia kuvia tutkijoiden käyttöön. Toinen kiinnostuksen kohde on tähtien välinen aine ja tähtien synty. Havainnot perustuvat tyypillisesti mikroaaltotekniikkaan tai infrapunatekniikkaan. Kuvassa oikealla näkyvä teleskooppi on nimeltään ISO, joka oli Euroopan avaruusjärjestön suuri menestys 90-luvun jälkipuoliskolla, jolloin se toimi noin hieman yli kaksi vuotta mitaten avaruuden infrapunakohteita. Suomalaiset tutkijat ovat olleet mukana ISO:n ohjelmistojen kehittämisessä ja saavuttaneet merkittäviä tieteellisiä läpimurtoja tulosten tulkinnassa. Vasemmassa yläkulmassa kuvattu ruotsalainen Odin-luotain on juuri äskettäin laukaistu avaruuteen. Se on merkittävä piensatelliitti sekä teknologisesti että suorituskyvyltään. Siinä on useampia mikroaaltoteleskooppeja 119 GHz:sta aina yli 500 GHz:iin ja erillinen optinen mittalaite, jolla tutkitaan Maan ilmakehän otsonikerroksen rakennetta. Suomalaiset tutkijat ja insinöörit ovat olleet tämän satelliitin kehittämisessä mukana. Juuri nyt voidaan todeta, että vaikka sen jäähdytysjärjestelmässä näytti aluksi olevan ongelmia, ovat ongelmat ratkenneet eli toukokuussa on odotettavissa uusia mielenkiintoisia mittaustuloksia suomalaisten tutkijoiden käyttöön. Yksi alue, joka on viimeisen 15 vuoden aikana noussut hyvin merkittäväksi tutkimuskohteeksi ja jolla alkaa olla jo poliittistakin merkitystä, on Maan stratosfäärin otsoniongelma. Aluksi havaintoja tehtiin Etelämantereen yläpuolella Maan pinnalta käsin. Englantilaiset tiedemiehet Halley Bayssa havaitsivat otsonikerroksen yllättävän ohenemisen kevätkuukausina, jota ei satelliittitekniikalla kuitenkaan pystytty varmentamaan. Kun he olivat nähneet kahtena peräkkäisen keväänä saman ilmiön, ruvettiin satelliittitietojen käsittelyohjelmia tarkistamaan ja todettiin, että niissä oli rajoitus, että jos otsonikerros menee kovin ohueksi, tuloksia ei lähetetä, koska niiden luultiin olevan virheellisiä ja siis tieteellisesti merkityksettömiä. Kun rajoitus poistettiin, pystyttiin 80-luvun lopussa toteamaan, että otsonikerros todella ohenee hälyyttävästi kevätkuukausina, ja kun tutkimusta laajennettiin, todettiin, että myös pohjoisella pallonpuoliskolla on sama ongelma, joka ulottuu myös Suomen yläpuolelle. Juuri tällä hetkellä on yläpuolellamme erittäin ohut otsonikerros, josta seuraa kaunis rusketus, mutta sillä on myös omat vaaransa. Otsonikerroksen jatkuvaa monitorointia varten ryhdyttiin kehittämään uutta satelliittitekniikkaa, missä Suomella on ollut avainasema. Instrumentti nimeltä GOMOS lentää ensi syksynä Maata kiertävälle radalle ENVISAT-satelliitissa. Laite on maksanut noin 700 miljoonaa markkaa ja sen rahoittamisesta on vastannut ESA. Se painaa 120 kiloa ja sitä on kehitetty lähes 15 vuotta. Laitteen suunnittelu on perustunut suomalaisten tutkijoiden kehittämiin ratkaisuihin ja Suomen teollisuus on ollut kehitystyössä ja rakentamisessa vankasti mukana. Se on erittäin merkittävä kansallinen hanke, Suomen lippulaiva ilmakehätutkimuksen alalla. Perustuen vankkaan suomalaisosaamiseen olemme pystyneet neuvottelemaan Euroopan avaruusjärjestön kustantaman tulostenkäsittelykeskuksen Sodankylään, mikä osaltaan myös parantaa Lapin työllisyyskysymyksiä pitemmällä tähtäyksellä. Odin-satelliitissa on samantyyppinen optinen mittalaite, josta saatavilla mittaustuloksilla testataan jo nyt GOMOS-tulosten käsittelyvalmiuksia Sodankylässä. Suomessa on rakenteilla OMI-otsonimittalaite NASAn Aura-ympäristösatelliittiin, joka laukaistaan vuonna OMI katsoo suoraan alas, kun taas GOMOSin teleskooppi on suunnattu ultraviolettitähteen, jonka valo absorboituu osittain otsonikerroksessa, valon kulkiessa ilmakehän läpi. 5

9 NASAn Aura-satelliitin vastaanottamista varten on suunniteltu rakentaa vastaanottoasema Sodankylään, ja mikäli tässä onnistutaan, on jatkossa mahdollista ottaa Suomessa vastaan mittaustuloksia useammista NASAn ympäristösatelliiteista. Tämä mahdollistaisi tutkijoillemme ainutlaatuisen, reaaliaikaisen ympäristön tilan seurantamahdollisuuden. Viimeisellä kalvolla tarkastellaan hieman tulevaisuutta. Voimassa oleva avaruusstrategiakausi on juuri päättymässä. Uusi avaruusasiain neuvottelukunta on asetettu Kokoonpano ei ole vielä tiedossa, mutta toivottavasti siihen on nimitetty päteviä henkilöitä, jotka pystyvät laatimaan ainakin nykyisen tasoisen avaruusstrategian seuraavaksi kolmeksi vuodeksi. Vuosien strategiassa, jonka lopputulosta voidaan jo tänään tarkastella, oli esitetty alalle lisää tutkijoita, avaruustutkimuskeskuksen perustamisen selvittämistä sekä kansallisen avaruustutkimusohjelman käynnistämistä. Kansallinen Antares- tutkimusohjelma on käynnistynyt yhdessä Suomen Akatemian ja Tekesin kanssa. Se on kolmivuotinen ja laajuudeltaan 50 miljoonaa markkaa. Avaruustutkimuskeskus on ongelmallisempi asia, koska mikään ministeriö ei suoranaisesti tunnusta sitä omakseen, mutta Liikenne- ja viestintäministeriö on ajanut asiaa ja haluaisi sen sijoittuvan Ilmatieteen laitokseen. Näinä päivinä käydään budjettiraamikeskusteluja, jossa myös tämä hanke on esillä. Vaikka kyseessä on valtakunnan budjetin kannalta pieni asia, päätöksellä saattaa olla laajempi merkitys jatkossa. Toivon mukaan asiassa saadaan aikaan viisas ja oikea ratkaisu. Meillä on ollut periaatteena lähteä mukaan kaikkiin ESA:n tiedeohjelmiin ja olemme aika hyvin onnistuneet ja jatkossa ehkä onnistumme vieläkin paremmin. Olemme mukana kaikissa merkittävissä maailman ilmakehän kaukokartoitusohjelmissa. Tähän on tarjoutunut mahdollisuus koska meillä on omaa osaamista, jonka olemme voineet tarjota muille käyttöön. Suomessa on laajat maanpintamittausjärjestelmät, ionosfäärin mittausjärjestelmä MIRACLE, joka on kuten aikaisemmin sanoin, ainutlaatuinen maailmassa. Suomi on mukana EISCAT-ionosfääritutkajärjestelmässä, joka aina vaan kasvaa ja kehittyy. Huippuvuorilla on kaksi uutta tutkaa ja tällä hetkellä käydään keskustelua toiminnan jatkamisesta ja laajentamisesta vuoden 2006 jälkeen. Tutkijoiden käytössä on Kanarian saarilla optinen teleskooppi (NOT), jonka omistamme yhdessä yhdessä Pohjoismaiden kanssa. Se on mahdollistanut suomalaisille tähtitieteilijöille erinomaisen osaamistason. NOT:n päämaja sijaitsee Turussa. Suomessa käydään parhaillaan keskustelua mahdollisesta liittymisestä Euroopan eteläiseen observatorioon eli ESOon. Tämän pitäisi olla Tiede- ja teknologianeuvostossa tänä keväänä esillä oleva asia. Kun hiljattain valtion yhtiöitä ruvettiin myymään, ensimmäisestä erästä ohjattiin viisaasti yli 30 miljoonaa markkaa avaruusalalle, jolloin saatettiin kirjata noin 70 % rahoitustason nousu vuosille Tämä on pantu hämmästyksellä merkille muissa ESA:n jäsenvaltioissa, koska missään muualla tällaista hyppäyksenomaista rahoitustason muutosta ei ole tapahtunut. Nyt päättyvään strategiaan on kirjattu, että nykytasosta rahoitus nousee noin 30 % vuoteen 2005 mennessä. Kiitoksia. 6

10 7 Professori Tuija Pulkkinen Ilmatieteen laitos, geofysiikan tutkimus SUOMI AVARUUSSÄÄN ARMOILLA Hyvää iltapäivää kaikille, puhuessani maan lähiavaruuden tutkimuksesta valitsin avaruussään näkökulman kahdesta syystä: ensinnäkin siksi, että avaruussää on hyvin laaja alue, joka kattaa melkein kaikki ne aspektit maan lähiavaruuden tutkimuksesta, mitä Suomessa ja maailmalla tehdään. Toinen syy on se, että avaruussää koskettaa meitä kaikkia, olimmepa avaruudesta erityisen kiinnostuneita tai emme. Avaruussäällä tarkoitetaan niitä avaruuden olosuhteita, jotka vaikuttavat teknologisiin systeemeihin tai ihmisiin, joko avaruudessa, yläilmakehässä tai maan pinnalla. Mitä tämä tutkimus sitten on? Avaruussään ilmiöt saavat alkunsa auringon purkauksista, jotka etenevät auringosta planeettainvälisen avaruuden halki maan etäisyydelle. Tutkimme aurinkoa, auringosta lähteviä purkauksia, niiden etenemistä planeettainvälisen avaruuden läpi sekä sitä, miten nämä purkaukset näkyvät ja vaikuttavat maan lähiavaruudessa, erityisesti alueessa, jossa geostationaariset satelliitit sijaitsevat, yläilmakehässä noin 100 kilometrin korkeudella, ja lopuksi maan pinnalla. Mitä nämä vaikutukset sitten ovat? Avaruussääilmiöt aiheuttavat häiriöitä satelliittitoiminnassa, maanpinnalla nähdään muun muassa häiriöitä voimansiirtoverkoissa. Koska kyse on auringosta tulevista korkeaenergisistä hiukkasista, avaruussäähän liittyy säteilyriskejä, jotka ovat merkittäviä silloin, kun lennetään korkealla ilmakehässä tai avaruudessa. Ehkä kauneimmat avaruussääilmiöt liittyvät noin 100 km korkeudella syntyviin revontuliin. Risto Pellinen aiemmassa puheenvuorossaan mainitsi, että viime viikonlopulla Helsingissä nähtiin revontulia. Suuren aurinkopurkauksen aiheuttamat revontulet näkyivät USA:n yläpuolella Kaliforniassa asti, Euroopan yläpuolella aina Etelä-Eurooppaa myöten. Tässä on Die Welt -lehden kuvaamat revontulet Keski-Euroopasta. Tämän aamun avaruussäähavainnot osoittivat, että auringosta on viime yönä lähtenyt suuri purkaus, joka saapuu maahan todennäköisesti huomenillalla, joten revontulia on odotettavissa lisää lähiaikoina. Avaruudessa on noin 200 kaupallista tai tieteellistä satelliittia. Emme ehkä tule ajatelleeksi, että jokainen meistä on satelliittiteknologian käyttäjä: Kun soitamme mannertenvälisiä puheluja, ne yhdistyvät satelliittien kautta. Kun katsomme Kauniita ja rohkeita, lähetys tulee satelliitti-tv:n kautta. Paikannusjärjestelmät toimivat navigaatiosatelliittien avulla. Näin satelliittiteknologia on yhä suurempi osa meidän jokapäiväistä elämäämme. Satelliittien toimintavarmuus on kuitenkin avaruussään armoilla: Auringosta lähtevät valtavat pilvet painavat 50 miljardia tonnia. Pilvet ovat kooltaan suuria, maapallo on niiden sisällä noin 24 tuntia. Pilvien yhteydessä syntyy korkeaenergisten hiukkasten purkauksia, jotka aiheuttavat suuria sähkövirtoja erityisesti juuri siinä alueessa, jossa geostationaariset satelliitit ovat. On aika hassu yhteensattuma, että nämä niin kutsutut säteilyvyöt, joissa hiukkasenergiat on kaikkein korkeimpia, ovat juuri samassa alueessa, jossa

11 geostationaariset (esimerkiksi sää- ja tietoliikenne-)satelliitit kiertävät maata noin km korkeudessa. Satelliittiteknologia joutuu siis varautumaan kaikkein vaikeimpiin avaruusolosuhteisiin. Avaruussääilmiöt aiheuttavat satelliiteille erilaisia toimintahäiriöitä. Rata- ja asentovirheet aiheutuvat nopeista magneettikentän muutoksista silloin, kun käytetään magneettikenttään perustuvia ohjaussysteemejä. Sensorit saavat säteilyvaurioita ja aurinkopaneelit kuluvat. Satelliitti voi varautua sähköisesti toiselta puolelta eri tavalla kuin toiselta, jolloin oikosulkujen riski kasvaa. Erilaiset toimintahäiriöt elektroniikassa voivat aiheutua yksittäisen korkeaenergisen ionin tunkeutuessa laitteeseen. Useimmiten avaruussääilmiöt aiheuttavat toimintahäiriöitä, toimintakatkoksia tai pieniä virhetoimintoja. On kuitenkin tapauksia, jossa kokonaisten satelliittien toiminta on häiriytynyt niin pahasti, että niitä ei ole saatu enää palautettua toimintakuntoisiksi. Tämä on kaupalliselle avaruusteollisuudelle merkittävä haaste. Raportteja avaruussään aiheuttamista virhetoiminnoista ei useinkaan näy uutisissa. Kaupalliset satelliittiyhtiöt ovat haluttomia raportoimaan häiriöistä tai myöntämään sitä, että virhetoiminnot ovat luonnonilmiöiden aiheuttamia, jolloin vakuutusyhtiöt eivät korvaa vahinkoja. Tämän takia dokumentoidut tapaukset tulevat pääasiassa tieteellisistä satelliiteista. Vain harvat kaupalliset yhtiöt antavat tietoja, vaikka virhetoimintojen tilastot uusia teknologioita kehitettäessä olisivat ensiarvoisen tärkeitä. Miten avaruussääilmiöiltä voi suojautua? Jos meillä olisi käytettävissämme avaruussääennuste, voisimme kytkeä laitteista virrat pois ja ainakin välttää kaikkia operaatioita. Toisaalta meidän täytyy kehittää avaruuslaitesysteemejä niin, että ne ovat paremmin suojattuja häiriöiltä ja että niissä on toimivat varajärjestelmät häiriön tapahtuessa. Avaruussääilmiöt ovat merkittäviä paitsi kaukana avaruudessa myös yläilmakehässä, noin 100 km korkeudella. Revontulet näkyvät tyypillisesti Pohjois-Suomen leveysasteilla, mutta aina silloin tällöin Keski-Eurooppaa ja Etelä-Eurooppaa myöten. Radioliikenne käyttää myös hyväkseen tätä 100 kilometrin korkeudessa olevaa yläilmakehän osaa, jota kutsutaan ionosfääriksi: radiosignaalit heijastetaan ionosfäärin kautta. Jos ionosfääri on kovin häiriöinen, radiosignaalin kulku häiriintyy ja signaali saattaa vaimentua tai jopa kokonaan hävitä. Myös paikannusjärjestelmien satelliiteista tulevat signaalit kulkevat ionosfäärin läpi. Jos ionosfääri on häiriöinen, signaali vääristyy ja paikannustarkkuus pienenee. Häiriöistä aiheutuvat paikannusvirheet ovat sitä suuruusluokkaa, että esimerkiksi Ruotsin laivat eivät voi Ruotsin saariston kapeikoissa navigoidessaan käyttää pelkästään GPS-järjestelmää. Paikannusjärjestelmien häiriöitä voi kompensoida käyttämällä useampaa kuin kahta satelliittia. Myös satelliitin ja maa-aseman välinen signaali kulkee ionosfäärin läpi ja voi siten altistua häiriölle. Tällaisia häiriöitä ei voi mitenkään kompensoida; ainoa tapa välttää virhetoimintoja on välttää kommunikaatiota häiriöisenä aikana. Tässäkin tapauksessa tieto avaruussään tilasta on ensiarvoisen tärkeää. Avaruuden säteily on myös säteilyriski noustaessa ilmakehän suojaavan vaikutuksen yläpuolelle. Auringon purkauksista peräisin oleva korkeaenerginen hiukkassäteily on voimakkainta napaalueilla. Lennettäessä yli 9 kilometrin korkeudessa puhumattakaan avaruudesta säteilytasot kasvavat jo huomattavasti. Esimerkiksi Finnair ottaa tämän käytännössä huomioon rajoittamalla lentohenkilökuntansa lentoja mannertenvälisillä, napa-alueen ylittävillä lennoilla. Miehitetyissä avaruuslennoissa, esimerkiksi avaruusasemalla 300 km korkeudessa ilmakehän suojaavaa vaikutusta ei ole juuri lainkaan. Avaruusaluksen ulkopuolella liikuttaessa säteilyannokset saattavat 8

12 olla jopa tappavan suuria. Tieto avaruussään tilasta voi siis pelastaa ihmishenkiä. Lentokoneissa on myös yhä enemmän miniatyrisoituja korkean teknologian laitteita, jotka ovat alttiita avaruussääperäisille häiriöille samalla tavoin kuin satelliittisysteemitkin. Avaruussää vaikuttaa myös maanpinnalla, erityisesti revontulivyöhykkeellä: Pohjois-Suomessa esiintyy revontulia noin 20 kertaa kuukaudessa, mutta täällä Etelä-Suomessakin revontulia esiintyy keskimäärin kerran kuukaudessa. Syy siihen, miksi niitä näkyy niin harvoin on se, että ympärillämme on paljon valonlähteitä, olemme harvoin keskiyöllä ulkona ja yöt ovat usein pilvisiä. Avaruussää vaikuttaa revontulivyöhykkeen voimansiirtoverkkojen toimintaan. Revontuliin liittyy suuria sähkövirtoja, jotka indusoivat sähkövirtoja ja sähkökenttiä esimerkiksi pitkiin voimajohtoihin. Nämä virrat voivat aiheuttaa verkon ylikuormittumista ja jopa muuntajien saturoitumista. Myös maakaasuputkiin syntyy virtoja, jotka aiheuttavat putkien nopeampaa ruostumista. Niin voimansiirtoverkkojen kuin rautateidenkin ohjausjärjestelmissä voi esiintyä avaruussääperäisiä häiriöitä. Revontuliin liittyviä induktiovirtoja vastaan ei voida aktiivisesti suojautua. Sähköverkon osalta voidaan rajoittaa siirtokapasiteettia häiriöiden aikana ja suojata muuntajat mahdollisimman hyvin. Suomessa on suurilta vahingoilta toistaiseksi vältytty, mutta esimerkiksi Kanadassa vuonna 1989 suuren revontulipurkauksen yhteydessä koko Quebecin osavaltio oli 12 tuntia ilman sähköä keskellä talvipakkasia. Tekninen suunnittelu avaruussää huomioonottaen on tässäkin paras ratkaisu. Miten avaruussään aiheuttamista ongelmista selvitään? Kvalitatiivisesti ymmärrämme avaruussään aiheuttajat: auringosta lähtevä purkaus aiheuttaa sähkövirtoja, korkeaenergisiä hiukkasia ja revontulia. Kvantitatiivisesti näiden ilmiöiden ymmärtämisessä on vielä paljon avoimia kysymyksiä. Millainen auringonpurkaus aiheuttaa häiriöitä maan ympäristössä, koska ja miten ne tulevat maan ympäristöön? Millaisia virtoja ja hiukkasia syntyy, milloin ja missä? Tänä päivänä emme osaa vielä ennustaa avaruussäätä riittävän hyvin suojautuaksemme avaruussään aiheuttamilta häiriötilanteilta. Avaruussään ennustaminen vaatii sekä kehittyneitä avaruussäämalleja että hyviä havaintoja auringosta, planeettainvälisestä avaruudesta, maan lähiavaruudesta ja yläilmakehästä. Tähän haasteeseen vastaaminen vaatii kansainvälistä yhteistyötä ja voimakasta panostusta alan perustutkimukseen. Suomalaiset ovat eurooppalaisen avaruussäätutkimuksen eturintamassa. Ilmatieteen laitoksella on Euroopan johtava avaruussäämalli, jolla voidaan kuvata häiriöiden kulkua avaruudessa. Olemme Ilmatieteen laitoksella myös kehittäneet pienen avaruussääilmaisimen, joka on tehty tieteelliseen tutkimuskäyttöön, mutta voitaisiin periaatteessa asentaa jokaiseen kaupalliseen satelliittiin. Satelliittioperaattorit voisivat siten käyttää saatavaa reaaliaikaista tietoa avaruussään tilasta satelliitin sijaintipisteessä ohjauskomennoista päättäessään. Ilmatieteen laitoksella monitoroidaan myös paikallista avaruussäätä jatkuvasti kahdeksalla revontulikameralla ja muilla mittalaitteilla, jotka kattavat koko Suomen alueen. Olemme yhteistyössä suomalaisten voimayhtiöiden kanssa myös voimakkaasti panostaneet avaruussään maanpintavaikutusten mallintamiseen ja havainnoimiseen. Osa avaruustutkimuksen viehätystä perustuu sen monipuolisuuteen: tutkimus käsittää monia eri fysiikan ja tekniikan osa-alueita ja avaruustutkimusta tehdään kiinteässä yhteistyössä alan teollisuuden kanssa. Vain harvoilla aloilla perustutkimus ja korkean teknologian sovellukset ovat näin läheisessä ja suorassa vuorovaikutussuhteessa keskenään. Kiitos. 9

13 10 Professori Antti Räisänen Teknillinen korkeakoulu MIKROAALTOTEKNIIKKA, PAINOPISTEALUE SUOMALAISESSA AVARUUSOSAAMISESSA Tutkijoille pääsee puhumaan joka päivä, mutta kansanedustajille aika harvakseen. Joten olipa kiva tulla! Ja sen takia meillä tutkijoilla oli oikein ryntäys tänne, kuten Risto Pellinen totesi. Hän on myös käsittääkseni antanut minulle tämän otsikon. Otsikkohan sisältää väitteen, että mikroaaltotekniikka on painopistealue suomalaisessa avaruusosaamisessa. En ole sitä ehkä sillä lailla huomannut, mutta olen iloinen tästä väitteestä. Ja toivon, että seuraavassa strategiassa tähdätään juuri tähän! Mutta mennäänpä varsinaiseen asiaan. Mikroaallot ovat välttämätön asia avaruustutkimuksessa. Avaruutta ei oikeastaan kovin paljon pysty tutkimaan ilman mikroaaltoja. Silloin ennen aikaan katsottiin kiikareilla, katsottiin optisella kaukoputkella, mutta se tie on varsin pitkälle loppuun kuljettu. Mitään yhteyttä minnekään satelliittiin tai luotaimeen ei saada ilman mikroaaltoja ja sitä paitsi luotaimet ja satelliitit käyttävät monella tapaa mikroaaltoja hyväkseen havaintoja tehdessään. Mikroaallot vs. avaruus kaikki avaruuden kohteet säteilevät mikroaaltoja; tämä mahdollistaa avaruuden monipuolisemman tutkimisen kuin optinen alue (radioastronomia perustuu radiometriaan) avaruuden lähiosia voi tutkia myös mikroaaltotutkalla satelliittitietoliikenne mahdollista vain mikroaalloilla kaikkiin avaruusluotaimiin ollaan yhteydessä mikroaalloilla mikroaallot mahdollistavat satelliittikaukokartoituksen myös yöllä ja pilvien läpi Avaruudentutkimuksessa sinänsä juuri mikroaallot ovat kovin sopivia jo fysiikan perusteistakin lähtien. Kaikki olevainen kaikkialla maailmankaikkeudessa säteilee mikroaaltoja. Paljon enemmän kuin mitä ne säteilevät esimerkiksi valoa. Avaruudessa on paljon pimeitä pilviä kaikkialla - niistä syntyvät muun muassa tähdet, mutta ne alkavat oikein valoakin loistamaan vasta sitten kehityksensä paljon myöhemmässä vaiheessa. Mikroaalloilla voidaan tutkia hyvin varhaisiakin vaiheita. Sitten tietysti on olemassa avaruuteen liittyvää satelliittitietoliikennettä ja muuta sellaista. Kaukokartoitus satelliitista käsin on taloudellisestikin tärkeä asia tänä päivänä. Se mahdollistaa kaukokartoituksen yöllä, pilvien läpi jne., kun taas valokuvaustekniikka ei sitä mahdollista. Suomalaista mikroaaltotekniikkaa avaruuden tutkimuksessa. Edeltäjäni Martti Tiuri oli tässä hyvin tärkeässä asemassa: hän rakensi ja rakennutti Metsähovin teleskoopin. Se on mielestäni ensimmäinen oikein merkittävä asia, jossa mikroaaltotekniikka ja suomalainen osaaminen on tullut tällä alueella esiin. Tietysti mikroaaltotekniikkaa käytetään ihan samoin EISCATissa, eli revontulien tutkimisessa. Ja sittemmin on ruvettu rakentelemaan satelliitteihin kaikenlaisia asioita, joista olen poiminut muutamia. Tutka-altimetrejä, korkeusmittareita on rakenneltu erinäköisiin luotaimiin,

14 samoin on rakenneltu mikroaaltovastaanottimia, radiometrejä, joilla tutkitaan vaikkapa molekyylipilvien spektriviivoja tai jotain muuta. Esimerkkinä mainitaan mm. Odin-satelliitti: sen 119 gigahertsin vastaanotin ja antennin testaus. Radioastron-satelliittiin rakennettiin 22 gigahertsin vastaanotin. Esimerkkinä on myös Planck-satelliitti, joka on nyt ollut paljon esillä tiedotusvälineissä, koska juuri eilen ( ) oli iso tiedotustilaisuus. Planckiin ollaan rakentamassa 70 gigahertsin isoa vastaanotinryhmää Suomessa, MilliLabissa. Suomalaista mikroaaltotekniikkaa avaruuden tutkimukseen Metsähovin radioteleskooppi EISCAT Huygens: tutka-altimetri Odin: 119 GHz:n vastaanotin ja antennin testaus Radioastron: 22 GHz:n vastaanotin Planck: 70 GHz:n vastaanotinryhmä Muun muassa tässä Radioastronissa on paljon suomalaista mikroaaltotekniikkaa: suomalaista osaamista tarvittiin rakentamisessa ja sitä tarvitaan laitteen avaruuskäytössä. Valitettavasti juuri tärkein boksi, Radioastronin 22 gigahertsin vastaanotin, on edelleen odottamassa Moskovassa erään laboratorion pöydän alla. Se ei ole vieläkään päässyt avaruuteen. Mainitsin Planckin, ja sanoin, että MilliLab on sellaista rakentamassa. Tämä MilliLab-asia on varsin erikoinen. Se tavallaan kuvastaa sitä, että mikroaaltotekniikka todella on painopistealue. Meillä on nimittäin vain yksi Euroopan avaruusjärjestön ulkoinen laboratorio Suomessa. Se on juuri Millimeter Wave Laboratory of Finland, MilliLab. MilliLabilla on tällainen hieno status ja se on tietysti paljon erilaisissa teknologiaohjelmissa mukana. MilliLab on VTT:n ja TKK:n yhteinen tutkimusinstituutti, tosin aika pieni. Siinä on mukana VTT:n informaatiotekniikka ja sitten toisaalta Teknillisessä korkeakoulussa erityisesti oma yksikköni, radiolaboratorio. Suomalaista mikroaalto-osaamista on muuallakin. Se näkyy mm. satelliittitietoliikenteessä ja kaukokartoituksessa. Minulla on tässä ihan vain muutamia poimintoja. Euroopan avaruusjärjestöllä oli aikoinaan Olympus-koesatelliitti, jolla opeteltiin satelliittitietoliikennettä 20 ja 30 gigahertsin alueella. Meillä oli Metsähovissa koeasema, ja hyvin paljon dataa saatiin ja hyvin paljon tutkimusta tehtiin, ja lopulta monta väitöskirjaakin tehtiin siitä aiheesta. Sitten on rakennettu testausmaaasemia ja ihan varsinaisia maa-asemia, muun muassa Tele-X satelliittiin, ja kaukokartoituspuolella on tietysti datan tulkintaa, jossa mikroaalto-osaaminen on tärkeää: mitä ne satelliittitutkat ja radiometrit itse asiassa mittaavat. Ja ollaanhan me myös mukana kehittämässä näitä tulevaisuuden asioita hyvin monissa teknologiaohjelmissa, joissa mikroaaltotekniikka on tärkeässä osassa. Suomalaista mikroaalto-osaamista satelliittitietoliikenteessä ja -kaukokartoituksessa Olympus: koeasema Metsähovissa; etenemismallit Artemis: testausmaa-asema tietoliikennesatelliittimaa-asemien kehitys satelliittitutkien ja radiometrien mittausdatan tulkintaa mukana monissa ESAn teknologian R&D-ohjelmissa Mainitsin myös Odinin pariinkin kertaan. Tämä pieni satelliitti laukaistiin avaruuteen helmikuussa, 11

15 ja kuten Risto Pellinen sanoi, se onnistuneesti on tuolla taivaalla ja kohta se alkaa tuottaa mittausdataa. Odiniin käytettiin suomalaista mikroaalto-osaamista paljon. Näytän teille vastaanottimen lohkokaavion. Insinööritoimisto Ylisellä ja korkeakoululla rakennettiin 119 gigahertsin radiometri. Tuo 119 gigahertsiä tarkoittaa, että radioaallon pituus on tässä tapauksessa kaksi ja puoli millimetriä. Siellä (vastaanottimessa) on monenlaisia mikroaalto-osia. Me testasimme myös Odinen antennia. Koska tämä antennin testaus on minun henkilökohtainen lempilapseni - juuri tällä hetkellä tutkimuksen kohteena, niin siitä haluan kertoa teille vielä muutaman kalvon verran. Valokuvassa näkyy mittaustilanne, tai oikeastaan siihen ollaan juuri valmistautumassa Ruotsissa Lingköpingissä sijaitsevassa avaruushallissa, jonne rakennettiin mittauspaikka. Sinne vietiin pakettiauton katolla paljon tavaroita, muun muassa itse hologrammi suurin piirtein kääröllä. Hologrammi on ohut kalvo, muovikalvo, vähän samanlaista kuin tämä piirtoheitinkalvo, mutta vähän vielä ohuempaa, ja sen pinnalla on metallikerros, johon on syövyttämällä tehty uria. Se on aika yksinkertainen juttu, mutta sitä käytetään tavallaan kuten linssiä, kuten silmälasin linssiä, mutta nyt mikroaaltotaajuudella. Hologrammilla saadaan pienessä tilassa, tuollaisessa hallissa, tehtyä tasomainen mikroaaltokenttä, jota tarvitaan, kun mitataan suuria millimetriaaltoalueen antenneja, jollainen on Odin-teleskoopissa. Minkä takia jotain tällaisia kummallisia viritelmiä tarvitsee tehdä? Seuraavassa piirtoheitinkalvossa on muutama syy siihen ja yleensäkin, miksi mitata jotain tällaista. Odin-teleskooppiantennin mittaus: tärkeää mutta samalla vaikeaa Odin etsii avaruudesta happea hapen resonanssitaajuudella; vastaavia havaintoja ei voida tehdä maanpäällisillä teleskoopeilla, koska ilmakehässä on paljon happea ja resonanssi vaimentaa radioaaltoja; tämä estää myös antennin testauksen perinteisillä menetelmillä Teleskoopin havaintokyky riippuu antennin keilan muodosta ( näkökyvystä ) Astronomisten ja aeronomisten havaintojen oikea tulkinta vaatii tarkkaa tietoa antennin keilasta Odin-satelliitin yksi tärkeimpiä tehtäviä avaruustutkimuksessa on etsiä molekylaarista happea avaruudesta. Molekylaarista happea ei voi etsiä avaruudesta täältä maan pinnalta, kun sitä on tässä meidän ilmakehässä niin paljon, että se estää täysin mahdollisen hapen näkymisen avaruudessa. Sitä on nyt yritetty muutamilla satelliittimissioilla, mutta mikään laite ei ole vielä toistaiseksi molekylaarista happea havainnut. Meidän laite on parempi kuin mikään aikaisemmin avaruuteen lähetetty havaintolaite, varsinkin jos Odinin jäähdytin toimii niin, että kaikki asiat ovat kunnossa: meillä on varsin suuret odotukset, että Odin havaitsee hapen. Tämä seikka, että avaruusradioteleskooppi rakennettiin hapen havaitsemista varten, tarkoittaa myös, ettemme voi edes testata koko teleskooppia täällä maan pinnalla, koska tämä sama happi estää jopa sen antennin testaamisen. Vähänkin pidemmällä matkalla (esim. 100 m) radioaalto kuolee maan pinnan lähellä ilmakehässä täysin. Siitä syystä täytyi rakentaa kompakti mittauspaikka, jossa etäisyydet ovat vain metrejä, jotta saamme jotenkin sen radioaallon pihahtamaan siitä läpi eikä se absorboidu happeen. Toisaalta taas teleskooppi täytyy kuitenkin testata, täytyy tietää, miten sen näkökyky toimii, ja mikä sen jalanjälki on. Sitä varten rakensimme siis kompaktin antennimittausradan, jossa käytetään ohutta (mylar) kalvoa, jonka pinnalla on ohut metallikuvio. Se on varsin yksinkertaisen näköinen. Hologrammi on kahden 12

16 erilaisen aaltorintaman interferenssikuvio. Tässä tapauksessa se on hyvin yksinkertainen. Se on pallomaisen aaltorintaman ja tasomaisen aaltorintaman interferenssikuvio, kuvattu pelkästään nollilla ja ykkösillä. Kun nyt tällaista nolla-ykköskarttaa valaistaan pallomaisella aaltorintamalla, se muodostaa tasomaisen aaltorintaman. Tässä on täsmälleen se sama periaate, kuin teillä on pankkikortissa tai postimerkissä tai setelissä olevassa hologrammissa, mutta se vaan näyttää erilaiselta, koska se on optinen ja tämä taas on radiotaajuudella toimiva. Vielä viimeinen kalvo tästä asiasta. Kalvossa kerrotaan, minkälainen kehityskulku oli tällaisen hologrammin, uuden mittausmenetelmän ja osaamisen takana. Se on kymmenen vuotta vanha keksintö. Euroopan avaruusjärjestölle tehtiin vuosina isoa projektia, jossa mietittiin, miten näitä tulevaisuuden satelliittien mikroaalto- ja millimetriaaltoantenneja pitäisi testata. Osaamista oli jo kertynyt hirveän paljon, ja yhtäkkiä jostain lehdestä näimme artikkelin, jossa kerrottiin, että laserkeilaa muokataan TKK:n fysiikan osaston materiaalifysiikan laboratoriossa tällaisella hologrammilla. Ahaa-ilmiö tuli tietysti heti, ja ajateltiin, että tämähän on tosi yksinkertaista. Sitten huomattiin, ettei se ollutkaan niin yksinkertaista, koska heillä tavoite oli koko lailla toinen ja yksinkertaisuus hävisi sen tien, kun aloimme soveltamaan hologrammia radioaalloille. Siitä se keksintö kuitenkin syntyi; se on nyt patentoitu menetelmä ympäri maailmaa ja siitä on tehty muutama väitöskirjakin. Nyt valmistaudutaan tulevaisuuteen Herschel- ja Planck-satelliittienkin antennien testaamiseen. Ei ole kuitenkaan varmaa, päätetäänkö niitä lopulta testata, vai uskotaanko, että laskelmin tehty suunnitelma on riittävä, koska testaus joka tapauksessa tulee maksamaan kuten myös mittauspaikan rakentaminen ja hologrammienkin tekeminen. Isojen hologrammien tekeminen ei ole ihan helppoa. Hologrammiin perustuva kompakti mittaus keksittiin TKK:n radiolaboratoriossa keksintö 1991 patentoitu Suomessa 1993, USA:ssa 1997 menetelmää kehitetty Keksintösäätiön, Suomen Akatemian, Tekesin ja ESA:n rahoituksella aiheesta tehty 2 väitöskirjaa Odin-satelliitin 1,1 m:n antenni testattiin taajuudella 119 GHz menetelmää kehitetään nyt mm. Herschel- ja Planck- satelliittien antennien (3,5 m/1,5 m) mittaamiseen taajuuksilla GHz Siinäpä kaikki tästä painopistealueesta. Kiitos! 13

17 14 Professori Jarmo Torsti Turun yliopiston fysiikan laitos ERNE, SUOMEN AVARUUSTIETEEN LIPPULAIVA AVARUUDESSA Parhaillaan avaruudessa lentää Euroopan Avaruusjärjestön (ESA) ja NASAn yhteinen auringon ja aurinkokunnan tutkimusluotain SOHO (Solar and Heliospheric Observatory). Ohjelman tavoitteena on kerätä uutta tietoa auringosta ja auringon vaikutuksista maahan. ESA rakennutti avaruusaluksen vuosina Luotaimen 12 tieteellisestä tutkimuslaitteesta on 9 Euroopasta ja 3 USAsta. Suomella on päävastuu SOHOn yhdestä tutkimusohjelmasta ERNEstä. Lisäksi suomalaiset osallistuvat merkittävällä panoksella SWAN-ohjelmaan. NASA vastasi SOHO-aluksen laukaisusta avaruuteen ja on vastannut lentovaiheen toiminnasta, valvonnasta ja tietoliikenteestä. Laukaisu tapahtui joulukuun 2. pnä v Alunperin laukaisun piti tapahtua viikkoa aikaisemmin. Tuolloin kuitenkin lähtölaskenta jouduttiin keskeyttämään vain kolme tuntia ennen suunniteltua laukaisuhetkeä kun eräs hälytysvalo paloi. Ongelman selvitys paljasti, että polttoaineen paineensäätösysteemissä oli viallinen kalvo. Jos laukaus olisi tapahtunut, alus ja sen 12 laitetta olisivat tällä hetkellä Atlantin pohjassa. SOHO-ohjelman antamat tulokset ovat osoittautuneet erittäin arvokkaiksi aurinkotutkimukselle. Kaikki SOHOn tutkimuslaitteet ovat toimineet erinomaisesti. Niinpä ESA ja NASA päättivät v jatkaa ohjelman kestoa 2 vuodesta 7 vuoteen, aina vuoteen 2003 saakka. Suurienergiaisten hiukkasten ilmaisinlaite ERNE on toteutukseltaan ensimmäinen kokonaan Suomessa suunniteltu ja rakennettu avaruustutkimuslaite. Turun yliopistolla on päävastuu ERNEstä. Laite suunniteltiin ja rakennettiin Turun yliopiston, VTT:n ja suomalaisen teollisuuden yhteistyönä. Rahoittajina olivat Tekes, Suomen Akatemia, Turun yliopisto, VTT sekä Jenny ja Antti Wihurin säätiö. Rakentamiseen henkilötyövuosia tarvittiin noin 150. ERNE mittaa auringon purkauksissa avaruuteen sinkoutuvien eri atomien virtoja ja virtojen suuruutta. Ylivoimaisesti suurin on ionisoitujen vetyhiukkasten virta. Yli 90 % planeettojen välisessä avaruudessa liikkuvista hiukkasista on vetyioneja. Heliumia on toiseksi eniten. Mutta ERNE pystyy tunnistamaan myös kymmeniä muita alkuaineita ja mittaamaan niiden virtojen suuruutta laajalla energia-alueella. Kun aurinko on hiljainen eikä lähetä suurienergisiä hiukkasia avaruuteen, ERNE ei ole toimeton vaan kerää linnunradalta saapuvia materianäytteitä. Linnunradalta hiukkaset ovat lähteneet liikkeelle kymmeniä miljoonia vuosia sitten. ERNE-mittausten pohjalta tavoitellaan sellaisten auringon purkausprosessien ymmärtämistä, joissa atomit kiihtyvät suuriin, lähes valonnopeuksiin. Kiihdytysprosesseja ovat paikalliset räjähdykset auringon pinnalla, nk. flaret, sekä globaaliset auringon massapurkaukset. Yhdessä purkauksessa ulkoavaruuteen syöksyy miljardeja tonneja auringon massaa. Koska massapilvi on levittäytynyt erittäin laajalle alueelle, niin sen kulkua avaruuden halki on hyvin vaikea erottaa edes nykyisillä

18 tutkimuslaitteilla. Jos pilvi lähtee kulkemaan kohti maata, se voi aiheuttaa erilaisia ilmiöitä maassa, joista tunnetuin on revontulten esiintyminen. ERNEn mittaushavainnot tulevat lähes reaaliajassa puolentoista miljoonan kilometrin päässä sijaitsevalta alukselta maahan Goddardin avaruuslentokeskukseen, joka on Washingtonin lähellä. Goddardista ERNE-havainnot jatkavat normaaleja tiedonsiirtolinkkejä pitkin Turun yliopistoon, joissa laboratoriomme kotisivulta löytyvät hiukkasvirtausten suuruudet viimeisen kahden viikon ajalta. Runsas viikko sitten, viime tiistaina, saimme SOHON ohjauskeskuksesta Goddardista varoituksen, että auringon eräs aktiivisuusalue näytti sellaiselta, että suuri purkaus olisi odotettavissa kolmen vuorokauden kuluessa. Suuri auringon purkaus tapahtui sitten torstaina , johon purkaukseen liittyvät ensimmäiset hiukkaset ERNE havaitsi välittömästi. Pari päivää myöhemmin tapahtui toinen vielä voimakkaampi hiukkasvirtojen kasvu ERNEn rekisteröimänä. Purkauksen massapilvi oli liikkeellä kohti maata. Viikonloppuna olisi Suomessakin voitu ihailla revontulia - jos ei harmillisesti olisi ollut pilvipeitettä. ERNE saa nopeasti tiedon tällaisesta auringossa tapahtuvasta suuresta purkauksesta. Ensimmäiset tiedot tulevat noin puoli tuntia auringossa tapahtuneesta purkauksesta. Viimeisin ERNEn havaitsema suuri auringon purkaus tapahtui maanantai-iltana, Purkauksen aiheutti auringon atmosfäärin flare-purkaus, joka on suurin purkaus viimeisten 16 vuoden aikana. Tuollaisessa flare-purkauksessa syntyy erittäin voimakas röntgensäteilyrintama, joka kahdeksan minuutin kuluttua ohittaa maapallon. Tässä esimerkkitapauksessa röntgenpurkauksen kesto oli puoli tuntia. Rintama pyyhkäisi maan ohi Suomen aikaa puoli yksi tiistaiyöllä. Nämä auríngonpurkaukset aiheuttivat suuren ryntäyksen SOHOn kotisivuille katsomaan purkauskuvia auringosta. Sivuilla vieraili päivittäin miljoona kävijää. Harva tutkimusohjelma herättänee vastaavaa laajaa suuren yleisön kiinnostusta. ERNEn tieteellinen ohjelma on tähän mennessä tuottanut noin 50 julkaisua kansainvälisissä julkaisusarjoissa sekä 4 väitöskirjaa. Muutama väitöskirja on valmisteilla. Tutkimusryhmämme koko on säilynyt 10 tutkijana varsin pitkään. Kouluttamistamme tutkijoista ja opiskelijoista valtaosa on siirtynyt avaruusfyysikkoina suomalaisen teollisuuden palvelukseen. 15

19 16 Tutkimuspäällikkö Erkki Kyrölä Ilmatieteen laitos, geofysiikan tutkimus SUOMI OTSONIAUKON REUNALLA Ilmakehän otsoni on asia, joka Etelänapamantereen otsoniaukon löytämisen jälkeen (v. 1985) oli jatkuvasti esillä julkisuudessa, mutta on sittemmin jäänyt usein kasvihuoneongelman varjoon. Otsoniongelma on kuitenkin edelleen olemassa, vaikkakin myönteistä kehitystä voidaan jo alkaa odottelemaan. Tässä esityksessä kerrotaan otsoniongelman tämänhetkisestä tilanteesta. Otsonin esiintymisen ilmakehän eri korkeuksilla on esitetty kuvassa 1. Otsonia esiintyy ilmakehässä pääasiallisesti kahdessa kerroksessa. Varsinainen otsonikerros sijaitsee noin kilometrin korkeudessa ja se sisältää noin 90 % koko otsonin määrästä. Sitä kutsutaan toisinaan hyväksi otsoniksi, koska se suodattaa auringosta tulevaa ultraviolettisäteilyä ja suojelee siten biosfääriä ultraviolettivalon vahingollisilta vaikutuksilta. Tämän otsonin on havaittu vähenevän ihmisen toiminnan odottamattomana sivuvaikutuksena. Alhaalla, lähellä maan pintaa, on toinen vähäisempi otsonikerros, jossa on noin 10 % kokonaisotsonista ja tämä otsoni on ilmansaaste. Alailmakehän otsoni lisääntyy hiljakseen ilman yleisen saastumisen seurauksena. Otsonin kokonaismäärää ilmakehässä kuvaa hyvin se, että se muodostaisi noin 3 millimetrin korkuisen kerroksen, jos kaikki otsoni tuotaisiin maan pinnalle normaalipaineeseen ja normaalilämpötilaan. Jos itse ilmakehä puristettaisiin samalla lailla kasaan, niin sen paksuus olisi noin 7 kilometriä. Otsoni osuus ilmakehässä on siis varsin vähäinen, mutta otsonin tehtävä on erittäin tärkeä. Kuva 2 ja 3 antavat tietoja otsonikerroksen tilanteesta. Otsonin aikakehityksen otsoniaukon esiintymisaikana syys-lokakuussa vuosina Etelänapamantereen yläpuolella on esitetty kuvassa 2. Määrä on koko ajan laskenut ja lähtenyt arvosta 230 yksikköä (noin 2,2 mm edellä kuvatulla tavalla mitattuna) v ja laskenut 100 yksikköön (1 mm) v Vastaavanlaista otsonin voimakasta vähenemistä ei ole tapahtunut pohjoisella napa-alueella, mutta joinakin kevättalvina, jolloin pohjoisen ilmakehän lämpötila putoaa erittäin alas, voidaan havaita voimakasta tuhoa ja voidaan puhua jopa otsoniaukosta. Kuva 3 näyttävät pohjoisen ja eteläisen pallonpuoliskon otsonikerroksen pitkän ajan kehityksen. Eteläisellä pallonpuoliskolla otsonin määrä on pudonnut hyvin alas. Pohjoisella pallonpuoliskolla se on sen sijaan pysynyt kohtuullisen hyvänä, mutta vaihtelee erittäin voimakkaasti. Kuva 4 kertoo otsonin määrän vaihteluväleistä. Normaali vaihtelu kokonaisotsonissa on erittäin suurta eli se vaihtelee välillä 5 mm-2,5 mm. On mielenkiintoista, että minimiarvo 2,5 mm esiintyy nimenomaan päiväntasaajan alueella. Ihmislajin kehitys alkoi päiväntasaajan alueilta ja voidaankin ajatella, että ihminen lajina voi olla aika hyvin sopeutunut ultraviolettivalon vaihteluihin. Keskimääräinen otsoni on noin 3 millimetriä, mutta pohjoisella alueella esiintyy noin 5 mm kevätmaksimi.

20 Otsonin vähenemisen syyt on esitetty kuvassa 5. Perussyy on CFC-kaasut, joita on vapautunut mm. jäähdytyslaitteista. CFC-molekyylit kulkeutuvat yläilmakehään, jossa ne hajoavat UV-valon ansiosta ja synnyttävät klooria. Kloori on katalyyttinen aine eli se pystyy tuhoamaan otsonia reaktioissa tuhoutumatta kuitenkaan itse. Klooriatomi pystyy tuhoamaan satoja tuhansia molekyylejä, ennen kuin se itse sitoutuu ns. varastointiyhdisteisiin. Tämä aiheuttaa yleisen otsonikadon ilmakehässä, mutta jos katsotaan Etelänapamannerta ja myös Pohjoisnavan yläpuolisia alueita, ratkaisevassa roolissa ovat yläilmakehän polaaripilvet. Nämä sijaitsevat noin kilometrissä ja syntyvät vain erittäin kylmissä lämpötiloissa. Etelänapamantereella kylmiä talvia on joka vuosi, mutta pohjoisella alueella vain silloin tällöin. Varastoyhdisteet, joihin klooria on sitoutunut, reagoivat polaripilvien jääkiteessä ja vapauttavat klooria, joka aiheuttaa voimakkaan otsonikadon. Polaaripilvien esiintyminen saattaa lisääntyä kasvihuoneilmiön takia. Kasvihuoneilmiö lämmittää alailmakehää, mutta toisaalta se myös samalla jäähdyttää yläilmakehää. Polaaripilviä saattaa täten syntyä enemmän ja otsonikato voi pahentua. Otsoni esiintyy maailmanlaajuisesti, määrä riippuu ajasta ja lisäksi se riippuu vielä erittäin paljon korkeusalueesta. Tämän vuoksi satelliittimittaukset ovat niitä mittauksia, joilla pystytään seuraamaan tehokkaasti otsoniongelmaa. Ne antavat meille korkeuserottelukyvyn ja niillä pystytään myös kattamaan pitkiä aikavälejä. Suomalaiset tutkijat ja teollisuus ovat huomattavalla panoksella mukana otsonitutkimuksessa. Ilmatieteen laitoksen suorittamien otsoniluotausten lisäksi Suomi on mukana useassa satelliittihankkeessa. Kuvassa 6 on esitetty kolme pääprojektia: Odin, EOS Aura ja Envisat. Odinilla on kaksi instrumenttia mukana, optinen instrumentti Osiris ja alimillimetrialueen radiometri SMR. Odin-satelliitti laukaistiin 20. päivä helmikuuta 2001, on nyt testausvaiheessa ja alkaa tuottamaan v lopussa mittausdataa. Se on ruotsalainen piensatelliitti ja hankkeeseen osallistuvat myös Suomi, Ranska ja Kanada. Suomalainen teollisuus on valmistanut 119 gigahertsin vastaanottimen SMR-mittalaitteeseen ja sillä havaitaan happea. Ilmatieteen laitos on suunnitellut ja rakentanut OSIRIS-instrumenttiin datankäsittelyalgoritmit ja tulee myös prosessoimaan dataa Lapin ilmatieteellisessä tutkimuskeskuksessa. OSIRIS-laitteella saadaan globaalit otsoniprofiilit maapallon päiväpuolelta. Millimetrialueen mittalaitteella saadaan myös yöpuolen otsonijakauma. Envisatissa on GOMOS-instrumentti. GOMOS on Euroopan avaruusjärjestön (ESA) Envisatympäristösatelliitissa. GOMOS mittaa maan kiertoradalta kuinka tähden valo vaimentuu ilmakehässä, kun tähti laskee satelliitista katsoen. Tällä melko yksinkertaisella tavalla saadaan laskettua otsonin pystyjakauma ilmakehässä. Suomi on ollut mukana hankkeessa laitteen ehdottamisesta alkaen vuonna GOMOS on erittäin hyvä laite pitkäaikaiseen otsonin tarkkailuun eli otsonitrendien laskemiseen. Ilmatieteen laitos suunnitellut GOMOS;n datankäsittelyalgoritmeja ja rakentanut GOMOS-datan prosessointikeskuksen Sodankylään. Teollisuus on rakentanut mittalaitteen elektroniikkaa ja ohjelmistoja. Suomen kokonaispanos on noin erittäin huomattava eli noin 100 miljoonaa. Envisat laukaistaan syksyllä OMI on suomalais-hollantilainen mittalaite NASA:n EOS Aura-satelliitissa. Laukaisu tapahtuu vuonna OMI:lla saadaan mitattua kokonaisotsoni. OMI mitta auringonvalon sirontaa kuten OSIRIS, mutta suuntaa katseensa suoraa maata kohti kun OSIRIS katsoo ilmakehän reunaa kohti. Ilmatieteen laitos johtaa OMI-projektia Suomessa ja kehittää aerosolien mittausmenetelmiä. Suomalainen teollisuus osallistuu suurella osuudella elektroniikan rakentamiseen. CFC-kaasujen päästöjen rajoittamiseksi solmittiin v ns. Montrealin sopimus. Sopimuksen vaikutukset päästöihin ovat jo selvästi havaittu ja myös katalyyttisten kaasujen pitoisuudet ovat 17