Tutkimus Titanin aerosoleista

Tutkimus Titanin aerosoleista

Briefly in English LATMOS 2013 We were a part of Mikkeli High School's (Mikkelin Lukio) LATMOS science school project, in which we got to visit LATMOS and IAS research laboratories and were given lectures regarding their scientific projects. Our group's assignment was to focus on the aerosol research of space. LATMOS is divided to six different scientific departments (HEPPI, IMPEC, SHTI, SPACE, TACT and ESTER) and three technical ones (MANIP, TILDE and ADMG). It has two offices in France, UPMC in central Paris and OVSQ in Guyancourt. Aerosols Aerosols are particles of solid or liquid matter in gas. Their size vary from 1nm to even hundreds of micrometers. Titan Titan is the largest moon of Saturn, and it resembles very much of frozen Earth (- 179 o C). It has a thick atmosphere and only known place other than Earth to have liquid surface (methane and ethane). Titan's atmosphere is consisted of roughly 95% of nitrogen, 5% of methane and small amounts of other carbon compounds. At the upper parts of the atmosphere the UV radiation of the Sun breaks these gas molecules, allowing them to form new organic molecules. Titan might resemble Earth's condition before life that meaning that understanding this phenomenon might be the key to understanding how life begun on Earth. It is also currently unknown how methane is produced on Titan, though scientists have suspected cryovolcanic action to be the source.

Cassini-Huygens Cassini-Huygens-probe is a joint project between many scientific facilities and nations. It was sent to space to orbit Saturn in 1997, and has since been a successful project. Its task is to examine Saturn and its moons, especially Titan, where the Huygens part of the probe landed in 2005. The research with the Cassini-Huygens was supposed to end in 2008, but since the results have been so successful it has been decided to continue the project until 2017. PAMPRE PAMPRE (French acronyme for Aerosols Microgravity Production by Reactive Plasmas) is a part of the LATMOS research laboratory. Its goal is to create a gas mixture similar to Titan's atmosphere, in which it would be able to analyze the properties of the aerosol particles. The experiment uses CC RF (capacitively coupled radio-frequency cold plasma) method to produce tholins that resemble ones found in Titan. The data gathered from this experiment is used to analyze the data from Cassini-Huygens.

Sisältö 1. Latmos 2. Titan 3. Cassini-Huygens 4. PAMPRE

1. Latmos 2013 Olimme mukana Mikkelin lukion fysiikan projektissa, joka sisälsi tutustumisen Latmoksen ja IAS:n tutkimus laboratorioihin. Pääsimme kuulemaan luentoja avaruushankkeista ja niihin liittyvistä projekteista. Ryhmämme aiheena oli erityisesti avaruuden aerosolitutkimus. Latmos on tutkimuslaboratorio, joka tutkii maapallon ympäristön kemian ja fysiikan lisäksi myös aurinkokuntia sekä maan ja auringon välisiä vuorovaikutuksia. Latmos on jaettu kuuteen tieteelliseen osastoon (HEPPI, IMPEC, SHTI, SPACE, TACT ja ESTER) sekä kolmeen teknilliseen osastoon (MANIP, TILDE ja ADMG). Latmos sijaitsee Ranskassa, jossa sillä on kaksi toimipistettä: Pariisin keskustassa sijaitseva UPMC ja Guyancourtissa sijaitseva OVSQ. Latmos perustettiin 1.1.2009. Se on myös mukana Mars-tutkimuksessa ja siellä onkin valmistettu instrumentteja Curiosity-mönkijään. Aerosolit ovat kaasussa seassa olevia kiinteää ainetta tai nestettä olevia hiukkasia. Hiukkaset luokitellaan pienhiukkasiin (1nm 10nm, esim. noki) ja karkeisiin hiukkasiin (10nm 100µm, esim. siitepöly).

2. Titan Saturnus on kuudes planeetta ja sen etäisyys auringosta on 9,6 kertainen maan ja auringon etäisyyteen verrattuna. Saturnus on kaasuplaneetta, jota ympäröi kaasukehä, sillä on myös kymmeniä kuita. Titan on Saturnuksen suurin kuu, halkaisijaltaan se on 5150km, joka on puolitoista kertainen verrattuna Maan kuuhun. Titanin pyörähdysaika ja kiertoaika Saturnuksen ympäri ovat samat, eli noin 16 päivää. Titan muistuttaa hyvin paljon jäätynyttä maapalloa. Sillä on paksu kaasukehä, ja se on ainut tunnettu paikka, jonka pinnalla on vesistöjä. Veden sijasta niissä on metaania ja etaania, jotka satavat taivaalta sateena aivan kuten maapallolla. Titanin kaasukehä Titan on paljon pienempi kuin Maa, joten sen painovoima on pienempi. Sen kaasukehä ulottuu tästä syystä kymmenen kertaa korkeammalle kuin Maan. Titanin ilmanpaine maanpinnalla on puolitoista kertainen Maahan verrattuna ja lämpötila sen pinnalla on -179 astetta. Titanin kaasukehä koostuu 95 %:sti typestä ja viidestä prosentista metaania sekä pienissä määrin hiiliyhdisteistä. Kaasukehän yläosissa Auringon ultraviolettisäteily hajottaa typpija metaanimolekyylit ja Saturnuksen magneettikenttä kiihdyttää suurienergiset hiukkaset. Tämän seurauksena järjestyy uusia orgaanisia molekyylejä. Ne sisältävät hiiltä ja vetyä sekä usein myös typpeä, happea ja muita aineita, jotka ovat tärkeitä elämälle Maassa. Osa näistä orgaanisista molekyyleistä tuottavat oranssia sumua, joka antaa kuulle oranssin värin ja estää näkemästä sen pinnalle.

Titanin kaasukehässä olevia orgaanisia yhdisteitä tutkitaan paljon, koska Maassa on voinut olla samanlaiset olo ennen elämän syntyä. Titanin kaasukehä voi antaa viitteitä siihen miten Maan ilmakehä on syntynyt ajan kuluessa. Kaikista eniten Titanissa ihmetyttää, mistä sen metaani tulee, joka mahdollistaa kaiken. Koska auringonvalo hajottaa metaania kaasukehässä, Titanissa täytyy olla joku lähde mistä korvaava metaani tulee. Tutkijat uskovat sen tulevan kryovulkaanisesta eli jäätulivuorisesta toiminnasta tai tulivuorista, joissa on laavan sijaan vettä. 3. Cassini-Huygens Cassini-Huygens on NASAn ja ESAn sekä monen valtioin yhteistyöllä valmisteltu yhteisprojekti. Mukana on ollut myös paljon suomalaista tekniikkaa, kuten painemittalaitteistoa. Cassini-Huygens-luotain lähetettiin avaruuteen vuonna 1997. Sen määränpäänä oli Saturnuksen kiertorata, jonne se onnistuneesti saapui vuonna 2004. Tutkimusten oli määrä loppua vuonna 2008, mutta onnistunein tuloksin sitä on päätetty jatkaa vuoteen 2017. Cassini-Huygens on suurikokoinen ja monimutkainen luotain. Sen erilaisilla laitteilla on tutkittu mm. Saturnusta, jäätyneitä kuita, rengasjärjestelmiä ja magnetosfääriä. Erityisen tärkeä tutkimuskohde on Saturnuksen suurimman kuun, Titanin, kaasukehän tutkiminen. Luotaimen Huygens-osa laskeutui Titanin pinnalle tammikuussa 2005. Cassini-Huygens luotaimen tutkimusten avulla pyritään ymmärtämään paremmin maapallon ilmakehän kehittymisen ensivaiheita ja jopa selvittämään elämälle tärkeitä mekanismeja. Luotain kerää koko ajan uusia kuvia ja tietoja Saturnuksen ympäristöstä. Cassini-Huygens on ollut menestyksekäs, kansainvälinen yhteisprojekti.

PAMPRE Pampre(French acronyme for Aerosols Microgravity Production by Reactives Plasmas) PAMPRE on LATMOSissa kehitetty ja rakennettu tutkimuslaitteisto, jolla tehdään laboratoriokokeita. Sen tarkoituksena on luoda koe-olosuhteissa Saturnuksen Titan kuun kaasukehää vastaava kaasuseos, josta pystytään analysoimaan aerosolihiukkasten ominaisuuksia. Tutkimuksessa tuotetaan toliineja (tolin- aerosolihiukkanen), jotka vastaavat ominaisuuksiltaan vastaavia Titanista löytyviä. Näitä hiukkasia analysoimalla tuotettua tietoa käytetään Cassini-Huygens satelliitin mittauksien analysointiin. Myös satelliitin tuottama data antaa viitteitä siitä mitä laboratoriossa tuotettu materia on.

Toliineja tuotetaan PAMPRE:ssa CC RF (capacitively coupled radio-frequency cold plasma) menetelmällä. Tyhjiöön johdetaan typpi ja metaani-typpi kaasuseosta, joka vastaa koostumukseltaan Titanin kaasukehää. Kaasu ionisoidaan elektrodien tuottaman sähkövirran avulla, jolla simuloidaan auringon säteilyn vaikutusta kaasukehän yläosissa. Plasma muodostuu elektrodien väliin ionisoituneista atomeista ja elektroneista. Ionisoituneista atomeista syntyy pitkäketjuisempia hiili-vetyjä (C3H6N6 ), jotka analysoidaan massaspektrometrilla. Kaikki hiilivedyt, joita tutkimuksessa muodostuvat vastaavat Titanista löytyviä toliineja, niin väriltään kuin koostumukseltaan.

Kokeessa huomattiin että kun metaanin määrää seoksessa lisättiin, kasvoi aerosolien määrä lineaarisesti metaanin määrän kanssa. Yllättäen kuuden tilavuusprosentin jälkeen aerosolien määrä lähti laskuun. Tästä voidaan päätellä että maksimaalinen aerosolien tuotanto saavutetaan 4-6 tilavuusprosentin välissä. Tämä prosenttiosuus vastaa Titanin kaasukehän metaanin määrää. Syytä aerosolien määrän laskuun ei varmasti tiedetä, mutta epäillään että se johtuisi liian korkeasta vedyn määrästä. Kokeessa kammioon tuodaan myös toisinaan argonia. Argonin rooli on tarkemmin mitata kokeessa käytetyn energian määrää. Argon ei siis reagoi muiden kokeessa olevien aineiden kanssa, se reagoi vain elektronisuihkun energiaan, josta pystytään tarkastelemaan kokeessa käytetyn koko energian määrää ja se vaikutuksia. Koska menetelmä on avoin eli tuotettu aerosoli massa joudutaan altistamaan ilmalle, tapahtuu massan ulkopinnalla hapettuminen, joka vääristää mittaustuloksia. Virheiden välttämiseksi kehitellään menetelmää, jossa laitteisto olisi suljettu eli massaa ei tarvitsisi altistaa ilmalle ollenkaan eikä hapettumista tapahtuisi. Uusi laitteisto pienentäisi virheen mahdollisuutta.

Lähdeluettelo http://www.astrobio.net/pressrelease/5264/what-happened-when-huygens-landed-ontitan-eight-years-ago http://bdap.ipsl.fr/pampre/experience.html http://www.hiukkastieto.fi/node/76 http://www.physics.helsinki.fi/tutkimus/atm/tutkimus/laskennallinenaerosolifysiikkas.html http://bdap.ipsl.fr/pampre/ http://saturn.jpl.nasa.gov/science/index.cfm?sciencepageid=75 http://ilmatieteenlaitos.fi/saturnus

Jesse Tapiala, Vilppu Pekkanen, Mikko Keijonen, Jenni Markkanen, Heta Martikainen