Pampre Aerosolitutkimus Vilma Aaltonen Laura Siitari Robert Juhakoski Santtu Leppälä Jaakko Puntanen Latmos, Pariisi 6.-11.10.2014
Briefly in english We had a chance to participate in Latmos-science school which was arranged with Latmos research laboratory, that is located in France. 15 students were chosen to the science school. We divided into three groups, and each of the groups got their own subject to study. Our subject was Pampre, an experiment that has been developed by Latmos, the study which goal is to study the formation of tholins in Titan, the largest moon of Saturn. Nathalie Carrasco gave us a presentation about Pampre. Tholins are small particles which can be found in Titan. The experiment has been developed because it s hard to get straight data from these particles from Titan. Scientist are interested from these particles because it s believed that these particles have had a part in the birth of life. The way of producing tholins in the experiment is different than the way it happens in Saturn, because the process at there can take thousands of years to happen.
Sisällys 1. ESITTELY 2. AEROSOLI 2.1 AEROSOLIFYSIIKKA 2.2 AEROSOLIMITTAUS 2.3 CASSINI-HUYGENS-luotain 3.TITAN JA SEN KAASUKEHÄ 3.1 TITAN 3.2 TOLIINIT 3.3 PAMPRE 4. LÄHTEET 5. TUTKIJAT
4 1. ESITTELY Meillä oli Mikkelin lukion pitkän fysiikan opiskelijoina mahdollisuus osallistua Pariisissa järjestettävään Latmos (the Laboratoire ATmosphères, Milieux, Observations Spatiales) - tiedekouluun. Matkalle lähtijät jaettiin kolmeen ryhmään ja jokaiselle ryhmälle annettiin oma tutkielma-aihe. Meidän ryhmämme aiheeksi valikoitui PAMPRE ja aerosolitutkimus. Tutkielman teon aloitimme ennen matkaa ja Ranskassa täydensimme työtämme Latmoksesta saatujen tietojen pohjalta. Tutkielmamme on toteutettu ryhmätyönä erilaisten nettisivujen ja luennoilta saadun tiedon avulla. Mikkelistä lähtöisin oleva tutkija Anni Määttänen opasti meitä matkamme aikana. Latmos on tutkimuslaboratorio, joka tutkii maapallon ympäristön kemian ja fysiikan lisäksi myös aurinkokuntia sekä Maan ja Auringon välisiä vuorovaikutuksia. Se on perustettu vuonna 2009 ja se on jakautunut kahteen eri tutkimuskeskukseen: Pariisin keskustassa sijaitsevaan UPMC:hen ja Guyancourtissa sijaitsevaan OVSQ:hun. Guyancourtin OVCQ:ssa työskentelee 160 henkilöä ja UPMC:ssä 50. Guyancourt (University of Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines) Paris (University Pierre and Marie Curie)
5 2. AEROSOLI Aerosolilla tarkoitetaan kaasumaista väliainetta ja siinä leijuvia kiinteitä sekä nestemäisiä hiukkasia. Aerosoli on siis eri olomuodoissa olevien aineiden seos, kuten pakokaasut ja pilvet. Mm. sadepilvet muodostuvat kosteuden kerääntyessä aerosolien ympärille. Ilmakehässä esiintyy luonnollisia aerosoleja, joita syntyy esim. metsäpaloissa ja tulivuorenpurkauksissa. Hiukkasten halkaisija vaihtelee 0,002 µm:stä yli sataan mikrometriin. Kun puhutaan pelkistä hiukkasista, käytetään termiä aerosolihiukkanen. Kuva 1: Esimerkkejä tyypillisistä aerosolihiukkasista ja niiden halkaisijoista. Aerosolihiukkasten koko jaetaan hienoihin (< 1 µm) ja karkeisiin (> 1 µm), joista 0,1 mm suuremmat hiukkaset putoavat maahan. Siitepölyhiukkanen on yksi suurimpia aerosolihiukkasia.
6 2.1 AEROSOLIFYSIIKKA Aerosolifysiikka keskittyy tutkimaan ilmakehän aerosoleja ja niiden käyttäytymistä erilaisissa olosuhteissa. Tutkittava asia voi olla esimerkiksi aerosolin käyttäytyminen sähkökentässä tai valoaaltojen eteneminen eri kosteuksissa ilmassa. Aerosolihiukkasten ominaisuuksien kuvailuun tarvitaan monia asioita, kuten koko, muoto, koostumus ja pitoisuus, jotka riippuvat esimerkiksi siitä, mistä lähteestä hiukkaset ovat peräisin. Hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa jatkuvasti ilmassa toistensa, ympäröivien kaasujen ja valon kanssa. Sovelletun fysiikan laitoksen aerosolifysiikan tutkimusryhmässä Itä-Suomen yliopistossa keskitytään tutkimaan pienhiukkasten ilmastovaikutuksia: miten luontaiset tekijät ja ihmisen toiminta yhdessä vaikuttavat uusien pienhiukkasten muodostumiseen, ja esim. miten pienhiukkaset vaikuttavat pilvien syntyyn ja ominaisuuksiin. Tätä fysiikan alaa voi Suomessa opiskella mm. Helsingin yliopistossa, Itä-Suomen yliopistossa ja Tampereen teknillisen yliopiston fysiikan laitoksissa. 2.2 AEROSOLIMITTAUS Suuri vaihtelevuus aerosolihiukkasten koossa, muodossa, koostumuksessa ja pitoisuuksissa tekee niiden mittaamisesta todella vaikeaa. Ei ole olemassa laitteistoa, joka kattaisi kaikki mitattavat ominaisuudet, ja siksi kokonaiskuvan saamiseksi tarvitaan useita mittausmenetelmiä rinnakkain. Aerosoleja voidaan mitata esim. tekniikoilla, jotka perustuvat hiukkasten sirottamaan valoon, sähkövaraukseen tai massan hitauteen. Aerosolimittauksissa käytetään esim. ionispektrometrejä, optisia hiukkaslaskureita sekä impaktoreita. 2.3 CASSINI-HUYGENS-LUOTAIN Cassini-Huygens on kolmen kansainvälisen avaruusjärjestön yhteistyönä syntynyt avaruusluotain, jonka tehtävänä on tutkia Saturnusta ja sen kuita. Luotain lähetettiin matkaan 15. lokakuuta 1997 ja Saturnuksen kiertoradalle se saapui vuonna 2004. Projektin piti alun perin päättyä vuonna 2008, mutta luotaimen erinomaisen toiminnan vuoksi tehtävää päätettiin jatkaa ensin vuoteen 2010 ja myöhemmin vielä vuoteen 2017 saakka.
7 Kuva 2: Cassini-Huygens-luotain Cassini-avaruusluotain tekee mittauksia Saturnuksen kiertoradalta ja sen avulla on voitu tutkia mm. Saturnuksen renkaiden kolmiulotteista rakennetta ja liikettä, planeetan kiertolaisten pinnan rakennetta sekä planeetan magnetosfääriä. Luotaimen vuonna 2005 pudottama Huygens-laskeutuja taas teki mittauksia Titan-kuun kaasukehästä ja sen pinnalta. Cassinin kautta dataa lähettäneen Huygensin myötä on saatu tietoa mm. Titanin ilmakehän koostumuksesta sekä sen tuulista.
8 3.TITAN JA SEN KAASUKEHÄ 3.1 TITAN Titan on Saturnuksen suurin kuu, jonka löysi vuonna 1655 Christian Hyugens, jonka mukaan on myös nimetty Saturnusta ja sen kuita tutkimaan lähetetty Cassini-Hyugens-luotain. Titan on halkaisijaltaan suurempi kuin Merkurius ja yhdeksänneksi suurin Aurinkoamme kiertävä kappale. Joidenkin mielestä Titan on paras ehdokas ylläpitämään elämää oman planeettamme jälkeen aurinkokunnassamme. Titan on Maan kaltainen myös siinä mielessä, että siellä on metaanista koostuvia meriä sekä vettä, joka on pinnan jääkerroksissa ja sen alapuolella olevassa meressä. Titanin väri on punaruskea, mikä johtuu sen ilmakehässä olevista toliineista, jotka estävät näkyvyyden kuun pinnalle. Pintaa voidaan kuitenkin tutkia käyttämällä muita aallonpituuksia kuin näkyvää valoa. Titan on ainoa kuu aurinkokunnassamme, jolla on oma kaasukehä. Kaasukehä on samantapainen kuin Maan ilmakehä elämää edeltävänä aikana, se sisältää pääosin typpeä. Typen osuus on noin 98% ja noin 2% kaasukehästä on metaania. Titanin kaasukehä ulottuu hyvin paljon pidemmälle kuin Maan ilmakehä, mikä johtuu Titanin huomattavasti pienemmästä massasta Maahan verrattuna. Titanin kaasukehän tiheys on sen pinnalla 1.5 kertaa Maan ilmakehän verran. 3.2 TOLIINIT Titanin ilmakehässä esiintyviä aerosolihiukkasia kutsutaan toliineiksi. Ne muodostuvat Titanin ilmakehässä olevan typen ja metaanin hajotessa, se on hieman poikkeava tapa siihen verrattuna, miten toliinit muuten muodostuvat. Esim. Auringosta tuleva uv-säteily hajottaa yksinkertaisia orgaanisia yhdisteitä kuten metaania ja etaania. Toliinit voivat toimia myös tehokkaana suojaverhona planeetalle suojellen sitä ultraviolettisäteilyltä. Toliini ei ole yksiselitteinen koostumukseltaan mutta se on yleisesti punertavaa orgaanista ainetta planetaarisella pinnalla. Toliinien tutkimisesta ollaan kiinnostuneita siksi, koska ne ovat
9 voineet olla orgaanisten molekyylien lähtökohtia, eli ne ovat voineet olla osallisia elämän synnyssä. 3.3 PAMPRE Kuva 3: Kaaviokuva tutkimuslaitteistosta Pampren tarkoitus on mallintaa Titanin kaasukehää ja tutkia siellä esiintyviä hiukkasia, koska toliineista, joita Titanin ilmakehässä esiintyy, ei ole paljoakaan suoraa dataa. Suurin syy tähän on kirjaimellisesti suuri, nimittäin Maan ja Titanin välinen matka. Koe perustuu CC RF- (capacitively coupled radio-frequency) kylmäplasma teknologiaan. Kokeessa johdetaan typpimetaani-kaasuseosta, jonka paine on n. 1 mbar, kammioon, jossa siitä synnytetään niin sanottua kylmää plasmaa elektronipurkauksen avulla. Muodostunutta plasmaa estetään osumasta kammion seiniin elektrodien avulla ennen kuin hiukkaset ovat kasvaneet tarpeeksi suuriksi. Kokeessa syntyneitä hiukkasia analysoidaan massaspektrometrillä.
10 Kokeessa olosuhteet eivät ole täysin samat kuin Titanissa. Muutoksia on jouduttu tekemään, jotta reaktiot tapahtuisivat nopeammin ja koe pystyttäisiin toistamaan. Se, mitä kokeessa tapahtuu puolessa tunnissa, vaatii Titanissa jopa tuhansia vuosia. Tämä on mahdollista suuremman paineen avulla kuin Titanin yläilmakehässä, jossa reaktioiden, joissa toliinit syntyvät, uskotaan tapahtuvan. Tästä johtuen tutkimuksen tuloksia joudutaan ekstrapoloimaan. Myös kokeen energianlähde on erilainen: Titanissa reaktioihin vaadittava energia saadaan fotoneista, kun taas kokeessa energian lähteinä käytetään elektroneita. Pampren tuloksia voidaan hyödyntää esimerkiksi Cassini-Huygensin keräämän tiedon analysoinnissa. Kokeessa syntyneitä hiukkasia voidaan analysoida joko Latmoksessa tai niitä voidaan lähettää muualle analysoitavaksi.
11 4. LÄHTEET http://en.wikipedia.org/wiki/tholin http://www.centauri-dreams.org/?p=1255 http://fi.wikipedia.org/wiki/titan_(kuu) http://fi.wikipedia.org/wiki/cassini-huygens http://www.hiukkastieto.fi/node/43 http://www.uef.fi/fi/sovfys/aerosolphysics http://fi.wikipedia.org/wiki/aerosolifysiikka http://hiukkastieto.fi/?q=node/21 http://fi.wikipedia.org/wiki/aerosoli http://bdap.ipsl.fr/pampre/index.html Nathalie Carrascon pitämä luento
12 5. TUTKIJAT Laura Siitari Vilma Aaltonen Robert Juhakoski Santtu Leppälä Jaakko Puntanen Kaikki Mikkelin lukion laajan fysiikan opiskelijoita Vasemmalta Jaakko, Santtu, Vilma, Laura ja Robert