Dimensio Matemaattisluonnontieteellinen aikakauslehti 69. vuosikerta 4/05 Irtonumero 10
sivu 2 Ajasto-ilmoitus 1/1, 4-väri
Matemaattisten Aineiden Opettajien Liitto MAOL ry Riksförbundet för Lärare i Matematiska Ämnen MAOL rf Osoite Rautatieläisenkatu 6, 00520 Helsinki Telefax (09) 278 8778 Kotisivut http://www.maol.fi/ HALLITUS *) etunimi.sukunimi@maol.fi Puheenjohtaja Pentti Parviainen*) (t) (09) 8393 4933 I vpj. talous Lauri Pippola*) (t) (06) 438 4490 II vpj. koulutus Päivi Lehtomäki (k) (03) 317 5660 III vpj. Dimensio, tiedotus Päivi Ojala*) (k) (08) 46 2386 edunvalvonta Eeva Heikkilä (k) (016) 342 4225 fysiikka ja kemia Jouni Björkman (k) (06) 412 3432 oppilastoiminta Matti Korteniemi (k) (050) 367 3421 ops-työ Leena Mannila (k) 050 528 7399 kansainväliset asiat Anne Rantanen (t) (03) 349 5699 kerhotoiminta Jarmo Sirviö (k) (08) 531 7379 matematiikka, tietot. Helena Tuomainen (k) 050 536 6266 ruotsinkiel. palvelut Jonas Waxlax (k) 044 351 1250 TOIMISTO maol-toimisto@maol.fi Toiminnanjohtaja Juha Sola *) (09) 150 2352 Järjestösihteeri Hanna Meriluoto*) (09) 150 2377 Toimistosihteeri Anne Hyytiäinen*) (09) 150 2338 DIMENSION TOIMITUS dimensio@maol.fi Toimitussihteeri Jukka Noponen*) (09) 150 2646 MFKA-Kustannus Oy mfka@maol.fi Puheenjohtaja Irma Iho*) (k) (09) 566 9213 irma.iho@edu.vantaa.fi 050 302 1589 Vpj. markkinointi Päivi Ojala*) (k) (08) 46 2386 Opetusvälinepalv. Markku Parkkonen (k) 050 368 6149 markku.parkkonen@vantaa-vaskivuori.fi Peruskoulun Tytti Kiiski (k) (05) 451 6100 matematiikka tytti.kiiski@lappeenranta.fi Koepalvelut Jarmo Sirviö (k) (040) 544 3543 jarmo.sirvio@edu.ouka.fi Ulkosuhteet Hannele Levävaara (09) 192 3368 ja kehitys jonas.waxlax@larkan.edu.hel.fi Toimisto Toimitusjohtaja Juha Sola*) (09) 150 2352 050 584 8416 Tuotepäällikkö Lauri Stark*) (09) 150 2370 050 587 8444 Myyntisihteeri Piia Vilkki*) (09) 150 2378 050 339 6487 D i m e n s i o 4/2005 3
Dimensio Matemaattisluonnontieteellinen 69. vuosikerta aikakauslehti 4/2005 5 Pääkirjoitus Pentti Parviainen 6 Miksi maapallolla tärisee? Annakaisa Korja, Pekka Heikkinen ja Kati Karkkulainen 12 Maa ja planeetat aurinkotuulessa Hannu Koskinen 16 Fysiikka ja kemia peruskoulun alaluokilla Kalle Juuti 22 Fysiikan vuoden lähtölaukaus 2005 Pasi Ketolainen 24 Synkrotronisäteilyherätteinen elektronispektroskopia Helena Aksela 28 Nano on muotia Marja Lajunen 31 Ainereaali tulee - oletko valmis? Heikki Saarinen 33 Ainereaali epäilyttää opiskelijoita Päivi Ojala 36 Ainereaalin pisteytys korkeakoulujen opiskelijavalinnoissa Jukka Noponen 38 Mekaniikan vaikea maailma Oiva Utriainen ja Ismo T. Koponen 43 Innovaatiotoiminta teollisuudessa Erkki Ahola 46 Teknologian opettaminen peruskoulussa Hannele Levävaara 49 Vuoden opettaja: Hoksaaminen on niin kivaa Eero Korhonen 50 MAOL 70 vuotta - juhlaa Heurekassa 52 Kannustuspalkinto matemaattisten aineiden opettajille 53 MAOL ry:n huomionosoituksia 54 Tietomaa Oulussa I, Tiedekeskus opetuskäytössä Sampo Puoskari 57 Kemian lahjakkuudet Jyväskylässä Matti Laurila ja Maria Vänskä 59 Palkinto Vadimille Viksu-kilpailussa 60 Kirjallisuutta: Suhteellisuusteoriaa runoilijoille 61 Oulun syyspäivien ohjelma 65 Oppilastoimikunnan kuulumisia 66 Keskustelua JULKAISIJA: Matemaattisten Aineiden Opettajien Liitto MAOL ry Rautatieläisenkatu 6, 00520 Helsinki PÄÄTOIMITTAJA Päivi Ojala Puh 040 5752 114 VASTAAVA PÄÄTOIMITTAJA: Pentti Parviainen Puh. (09) 8393 4933 TOIMITUSSIHTEERI: Jukka Noponen Puh. (09) 1502 646 Telefax (09) 278 8778 dimensio@maol.fi PAINO: Forssan Kirjapaino Oy ISSN 0782-6648 ISO 9002 TILAUKSET JA OSOITTEENMUUTOKSET: MAOL:n toimisto Puh. (09) 1502 338 TILAUSHINTA: Vuosikerta 40, irtonumero 10, ilmestyy 6 numeroa vuodessa TOIMITUSKUNTA: Päivi Ojala, pj., Maija Aksela, Kalle Juuti, Pasi Ketolainen, Jari Koivisto, Hannu Korhonen, Juha Oikkonen, Marjut Ojala, Kaisa Vähähyyppä, Jukka Noponen, siht. NEUVOTTELUKUNTA: prof. Maija Ahtee Op.neuvos Marja Montonen prof. Kaarle Kurki-Suonio prof. Aatos Lahtinen prof. Ilpo Laine dos. Tapio Markkanen rehtori Jukka O. Mattila prof. Esko Valtaoja prof. Erkki Pehkonen joht. Kari Purhonen prof. Pekka Pyykkö prof Jorma Merkoski toim.joht. Hannu Vornamo Kansikuva: Timo Suvanto. Kansikysymys: Kun kamera, jolla kuva on otettu, kuvaa 3 kuvaa sekunnissa, niin kuinka korkea on hyppytorni? Vastaus sivulla 34. 4 D i m e n s i o 4/2005
Pääkirjoitus Pentti Parviainen Teknologia tutuksi Voimassa olevat peruskoulun ja lukion opetussuunnitelmien perusteet painottavat aihekokonaisuuksia. Ne ovat koulutyötä eheyttäviä teemoja, joiden tavoitteet ja sisällöt koskettavat useita oppiaineita. Aihekokonaisuudet käsittelevät kasvatus- ja opetustyön kannalta keskeisiä alueita, ja siksi niiden tulee näkyä koulun toimintakulttuurissa. Teknologia on yksi näistä aihekokonaisuuksista. Se on mukana sekä peruskoulun että lukion opetussuunnitelmissa, koska me kaikki tarvitsemme tämän alan tuntemusta ymmärtääksemme ja hyödyntääksemme elinympäristöämme. Teknologia kuuluu erottamattomana osana jokapäiväiseen elämäämme niin koulussa, työpaikoilla kuin kotonakin. Teknologian kehittämisen lähtökohta on ihmisen tarve parantaa elämän laatua ja saada helpotusta työ- ja vapaa-aikaan. Teknologiseen osaamiseen kuuluu tieto ja taito suunnitella, valmistaa ja käyttää teknologisia tuotteita. Teknologisten toimintaperiaatteiden tunteminen helpottaa ja monipuolistaa tuotteiden käyttöä, auttaa hahmottamaan teknologisten ratkaisujen periaatteita, mahdollistaa teknologisten laitteiden kehittämisen ja innovoinnin sekä edistää mahdollisten vikojen paikallistamista. Teknologisen yleissivistyksen perustana ovat ne matemaattis-luonnontieteelliset tiedot ja taidot, joita peruskoulun ja lukion matematiikan, fysiikan, kemian, biologian, maantiedon ja käsityön tunneilla opitaan. Keskeistä teknologian opiskelussa onkin teknisen ajattelun ja luovan ongelmanratkaisuprosessin oppiminen. Sen avulla on myös mahdollista saada oppilaille lisämotivaatiota matemaattisten aineiden opiskeluun. Teknologia -aihekokonaisuuden tavoitteena on auttaa oppilasta tai opiskelijaa ymmärtämään ihmisen suhdetta teknologiaan ja auttaa näkemään teknologian merkitys arkielämässämme. Siksi opetuksen tulee tarjota perustietoa teknologiasta, sen kehittämisestä ja sen vaikutuksista. Opetuksen tulee myös opastaa järkeviin valintoihin ja johdattaa pohtimaan teknologiaan liittyviä eettisiä, moraalisia ja tasa-arvoon liittyviä näkökohtia. Niissä on kysymys koko elämäntapaa koskevista asioista. Matemaattisten Aineiden Opettajien Liitto MAOL ry:n tavoitteena on tuoda teknologiaa kouluissa tutuksi opettajille ja oppilaille ja myös oppilaiden huoltajille tämän syksyn aikana. Samalla kun liitto päättää 70-vuotisjuhlavuottaan, se toivoo koulujen toteuttavan matematiikan ja luonnontieteiden teemaviikon. Teemaviikon suunniteltu ajankohta on lokakuussa viikolla 41 ja sen teemaksi on valittu Ihminen ja teknologia. Matemaattisiin aineisiin keskittyviä tapahtumia voi olla kouluissa koko viikon ajan tai keskitetysti muutamana toimintapäivänä. Samassa yhteydessä on mahdollista juhlistaa myös kansainvälistä fysiikan vuotta 2005 ja sitä kautta tuoda esille fysiikan merkitystä yhtenä teknologian perustekijänä. MAOLissa on vuoden ajan valmistettu opettajien avuksi materiaalia viikon järjestämiseksi. Tämä materiaali löytyy liiton uudistuneiden kotisivujen jäsenille tarkoitetusta intranetistä. Teemaviikko on mahdollista toteuttaa myös marraskuussa viikolla 45, joka on samalla LU- MA-viikko. LUMA-viikkoa koordinoi Helsingin yliopiston LUMA-keskus, jonka pyrkimyksenä on yhteistyössä eri tahojen, kuten MAOLin, kanssa tukea ja edistää luonnontieteiden, matematiikan ja teknologian opetusta ja oppimista kaikilla kouluasteilla. Tänä vuonna keskuksen toiminnan pääteemat ovat kestävä kehitys ja kansainvälinen fysiikan vuosi. Nyt on aika elävöittää opetusta ja oppimista sekä tuoda teknologia tutuksi kaikissa peruskouluissa ja lukioissa. D i m e n s i o 4/2005 5
Miksi maapallolla tärisee? ANNAKAISA KORJA tektoniikan dos. FT, PEKKA HEIKKINEN, Seismologian laitoksen johtaja, FT, ja KATI KARKKULAINEN, tutkimusapulainen, Luk; Helsingin yliopiston seismologian laitos Laattatektoniikkateoria on yksi niistä suurista luonnontieteellisistä teorioista, jotka oleellisesti ovat muuttaneet ihmisen maailmankuvaa. Laattatektoniikka selittää mm., miten ja miksi meret ja vuoristot syntyvät sekä miten tulivuorten ja maanjäristysten levinneisyydet liittyvät toisiinsa. Kuten Darwinin luonnonvalintateoria ja Einsteinin suhteellisuusteoria mullistivat ihmisen käsitystä biologisista ja fysikaalisista luonnonlaeista, laattatektoniikka mullisti käsityksemme maapallon pinnanmuotojen synnystä ja sen geologisesta kehityksestä. Laattatektoniikkateoria sai yhtenäisen muotonsa 1960-luvulla. Dan P. McKenzie, yksi tutkijoista, jotka pukivat teorian täsmälliseen muotoon, sai vuonna 2002 ansioistaan Crawfoord-palkinnon (eli Ruotsin Akatemian geotieteille, matematiikalle ja kliiniselle lääketieteelle jakaman, Nobel-palkintoa vastaavan palkinnon). Seuraavassa esitämme suuresti yksinkertaistetun version laattatektoniikasta ja siihen liittyvistä luonnonilmiöistä. subduktio- eli alityöntövyöhykkeillä. Virtaukset pyrkivät jäähdyttämään maapalloa ja saavat siis energiansa maapallon sisäisistä lämpötilaeroista. Maapallon vaipan yläosassa 100 km:n syvyydellä lämpötila on noin 1 000 C astetta, kun taas vaipan alaosassa, 3000 km:n syvyydellä, lämpötilan on arvioitu olevan 3 000 C - 4 000 C astetta. Vaipan alapuolella olevassa sulassa rauta-nikkeli-sydämessä lämpötila on vieläkin korkeampi. Konvektiovirtauksissa maapallon sisäosien (vaipan alaosan) lämpimämpi massa siirtyy lähemmäs maanpintaa valtamerten keskiselänteillä. Koska vain pieni osa kuumemmasta massavirtauksesta voi purkautua merenpohjaan, suurin osa jo hieman jäähtyneestä virtauksesta leviää merellisen litosfäärilaatan alle kuljettaen laattaa poispäin valtamerten keskiselänteestä. Kun massavirtaus on jäähtynyt tarpeeksi, sen tiheys kasvaa ja painovoiman vaikutuksesta jäähtynyt virtaus kääntyy alaspäin. Virtaus muodostaa siis kiehuvan veden tapaan virtaussilmukan eli konvektiosolun. Jos konvektiovirtaus syntyy mantereen alapuolelle, voi seurauksena olla mantereen repeäminen ja uuden valtameren syntyminen. Tällainen prosessi on tällä hetkellä käynnissä Itä-Afrikan hautavajoaman kohdalla. Laattatektoniikkateoriasta Maapallon pintaosa on jakautunut kolmeentoista päälaattaan ja suureen joukkoon niiden reu- Konvektiovirtaukset Maapallon kova pintaosa, litosfääri, on jakautunut laatoiksi, jotka liikkuvat plastisemman astenosfäärin pinnalla. Laattoja liikuttavat konvektiovirtaukset, jotka syntyvät maapallon vaipan ja sydämen rajapinnalla (Kuva 1). Litosfääri voidaan jakaa ohuempaan merelliseen litosfäriin, jota on valtamerten alla ja syntyy jatkuvasti merten keskiselänteillä, sekä paksumpaan mantereiseen litosfääriin, jota syntyy merellisen litosfäärin sulaessa Kuva 1. Konvektiovirtaukset ja litosfäärilaatat pallopinnalla. 6 D i m e n s i o 4/2005
Kuva 2. Maanjäristyksen keskittyvät litosfäärilaattojen reunoille. Kuvassa on esitetty vuosien 1900 ja 2004 välisenä aikana havaitut maanjäristykset. Vihreät ovat matalia < 35 km, siniset keskisyviä 35-200 km ja punaiset syviä > 200 km syvyydellä tapahtuneita maanjäristyksiä. Nopeusvektorit kuvaavat laattojen liikkeen suuntaa ja suuruutta. Suurimmat 13 laattaa on merkitty kansainvälisin kirjainyhdistelmin AF- Afrikka, AN - Antarktika, AR - Arabia, AU - Australia, EU - Euraasia, IN - Intia, NA - Pohjois- merikka, NZ - Nazca, PA -Tyynivaltameri, PS - Filippiinien meri, SA - Etelä-Amerikka, SO - Somalia, SU - Sunda. noille syntyneitä pieniä laattoja tai laattariekaleita (Kuva 2). Laattarajat ovat kaaria, sillä tason leikkaus pallopinnalla on kaari. Laatta voidaan määritellä sellaiseksi litosfäärin kappaleeksi, joka liikkuu muotoaan oleellisesti muuttamatta ja jolla on erilainen nopeusvektori kuin viereisellä laatalla, eli se liikkuu eri suuntaan ja eri nopeudella kuin viereiset laatat (Kuva 3 s. 8). Laattojen keskinäistä liikettä vastustaa niiden välinen kitka. Kun laattojen välinen kitka on suurempi kuin niiden välisellä rajapinnalla vaikuttava jännitysvoima, laatat eivät liiku toistensa suhteen vaan rajapinnalle syntyy jännityskertymä. Liikkeen jatkuessa jännitysvoimat kasvavat ja jossakin vaiheessa ylittävät kitkavoimat, jolloin jännitys purkautuu äkillisesti maanjäristyksenä. Joissakin tapauksissa laattojen välinen kitka voi olla vähäinen, jolloin laatat liikkuvat toistensa suhteen ilman näkyviä merkkejä, silloin liikettä kutsutaan aseismiseksi. Maanjäristyksessä purkautuneen jännitysenergian suuruutta kuvaa järistyksen magnitudi. Maapallon seismisyys- eli maanjäristyskartat paljastavat suurimman osan nykyisistä ja entisistä laattarajoista. Litosfäärilaatat voivat joko erkautua, lähetä tai liukua sivuttain toisiinsa nähden (kuva 3 s:lla 8), minkä perusteella laattarajat voidaan jakaa kolmeen tyyppiin. Kun laatat erkanevat, niiden välille muodostuu keskiselänne. Jos taas laatat lähenevät, syntyy subduktiotai törmäysvyöhyke, ja jos taas ne liukuvat toistensa ohi sivuttain, syntyy transformisiirros. Pieniä reunalaattoja syntyy silloin, kun päälaattojen liikkeet eivät ole täsmälleen joko samansuuntaisia tai kohtisuorassa toisiinsa nähden. Esimerkkinä laattojen keskinäisistä liikesuunnista on kuvassa 5 esitetty Intian, Australian, Euraasian, Sundan ja Burman laattojen keskinäiset liikevektorit ja laattarajat. Koska laattaliikkeet ovat ihmisen aikakäsityksen mukaan hitaita (20-150 mm/a), niiden havaitseminen oli alun perin kovin vaikeaa. Ensimmäiset havainnot laattaliikkeistä tehtiin1960-luvun uusista merenpohjan magneettisista kartoista, joissa havaittiin magneettisten anomalioiden vaihteluita keskiselänteiden molemmin puolin (Kuva 3). Vaihtelut osoittautuvat pian Maan magneettikentän napaisuuden vaihteluiksi ja vaihteluiden aikavälit olivat miljoonien ja kymmenien miljoonien vuosien luokkaa. Napaisuuskään - nöksistä on tarkemmin kerrottu Dimensio-lehden numerossa 5/2004. Nykyisin laattojen absoluuttisia liikenopeuksia mitataan GPS-verkoilla.! D i m e n s i o 4/2005 7
! Laattaliikkeet V A V B V A t= 30 Ma t= 20 Ma t 0 = 0 Ma V B V A 600 km Kuva 3. Yksinkertaisia esimerkkejä laattaliikkeistä. 3 a) Valtamerten magneettisten poikkeamien (anomaliat) käyttö laattarekonstruktioissa. Keskiselänteellä purkautuu magmaa, johon tallentuu vallitsevan magneettikentän polariteetti. Magneettiset anomaliat syntyvät molemmin puolin keskiselännettä. Koska polariteetti vaihtuu napaisuuskäännösten takia, niitä voidaan käyttää aikamittareina laattatektonisissa tutkimuksissa. 3 b) Laattojen suhteellinen liike. Leikkaa laatta A irti ja kokeile, millaisia laattarajoja syntyy, kun sitä liikutellaan eri ilmansuuntiin. V B Laskuesimerkit kuvista 3a ja 3b Yhtenäisen laatan liike maapallon pinnalla voidaan kuvata pallon pinnalla sijaitsevan pisteen ympäri tapahtuvana kiertoliikkeenä. Tämä piste, jota kutsutaan laatan Eulerin navaksi, voi sijaita laatan sisä- tai ulkopuolella (Kuva 4). Koska transformisiirrokset muodostuvat vain laattaliikkeen suunnassa, niiden avulla voidaan määritellä liikkeen suhteellinen suunta. Merellisen laatan sisäiset transformisiirrokset syntyvät kiertymisnapaa kiertäville isoympyröille (Kuva 4b). Transformisiirrokset ovat siis isoympyrän lyhyitä kaaria, joita paikallisesti voidaan aproksimoida kaaren tangentilla eli murtoviivalla. Eulerin napa voidaan määrätä kaikkien kaarten kautta piirrettävien ympyröiden yhteisenä keskipisteenä ja se voidaan etsiä määräämällä kaarien säteiden leikkauspisteenä (Kuva 4a). Keskiselänteet puolestaan ovat yleensä suoria ja lähes kohtisuorassa nopeusvektorikenttää vasten, mutta niiden suunnat voivat vaihdella jopa 15 astetta. Subduktiovyöhykkeissä liikevektorit ovat paikallisesti vyöhykettä vastaan kohtisuorassa. Laattaliikkeen nopeus määritellään kiertymisnopeutena eli kulmanopeutena (") Eulerin-navan ympäri. Laatan eri osissa liikenopeus vaihtelee, sillä nopeus on riippuvainen etäisyydestä Eulerinnapaan eli hetkellinen nopeus on V = r # "$ Eli mitä kauempana Eulerin navasta ollaan, sitä nopeammin laatta liikkuu ja sitä pidemmän matkan laatta liikkuu kunakin ajanjaksona. Toisin kuin yleisesti luullaan, valtamerten leviämissuuntaa ei voi päätellä keskiselänteen asennosta, vaan sitä pilkkovien transformisiirrosten suunnasta, jotka kertovat, mihin suuntaan vastakkaisilla rannoilla olevat mantereet ovat liikkumassa. Kahden laatan välisestä transformisiirroksesta puolestaan voidaan vetää se johtopäätös, että jompi kumpi laatoista liikkuu siirroksen suunnassa. Esimerkiksi San Andreas-siirros on luode-kaakkosuunnassa, koska Tyynenmeren laatta liikkuu luoteeseen ja toisaalta Anatolian siirros on itä-läntinen, koska Euraasian laatta liikkuu itään. Subduktiovyöhykkeet Koska maapallon pinta-ala on vakio, niin uutta merellistä litosfääriä voi muodostua vain, jos vastaavasti muualla litosfääriä tuhoutuu. Tuhoutuminen ja uudelleen muokkautuminen tapahtuu lähenevillä laattarajoilla eli subduktio- tai törmäysvyöhykkeissä. Subduktiovyöhykkeissä merellinen litosfääri painuu toisen litosfäärilaatan alle kohtisuorassa suunnassa mannerreunaa vasten. Subduktiovyöhykkeissä maanjäristyksiä havaitaan alaspäin kallistuvassa tasossa siten, että maanjäristysten syvyys kasvaa Laskuesimerkki 1. kuvasta 3a. a) Milloin kuvan meri alkoi aueta, jos magneettiset anomaliat vaihtavat polariteettia (musta/valkoinen) 10 miljoonan vuoden välein (30 Ma)? b) Millä nopeudella laatta A liikkuu? (20km/ Ma=20mm/a) entä laatta B? (40km/Ma=40mm/a) c) Mikä on meren aukeamisnopeus (20mm/a+40mm/a=60mm/a)? Nykyhetkeä merkitään T=0. Toinen laskuesimerkki kuvasta 3a. Jos Eurooppa liikkuu itään 8 mm/a ja Pohjois-Amerikka liikkuu länteen 15 mm/a, niin koska 3500 km leveä Pohjois-Atlantin valtameri alkoi aueta? Laskuesimerkki kuvasta 3b. Oletetaan kuvan b mukainen yksinkertaisin mahdollinen laattapari, jossa laatta A on muodostunut laatan B sisälle. Laatta A liikkuu laattaan B nähden 50mm/a nopeudella. Millaiset laattarajat syntyvät, jos laatta A liikkuu itään (E) 50 mm/a? Piirrä tilanne 10 Ma kuluttua. Huomaa, että merenpohjaa syntyy keskiselänteen molemmin puolin. Milloin alkuperäinen laatta A on tuhoutunut kokonaan? Entä millaiset laattarajat syntyvät, jos laatta A liikkuu koilliseen (NE) 50mm/a? Milloin laatta A silloin tuhoutuu? Piirroksessa lähenevää laattarajaa merkitään pienillä kolmioilla, erkanevaa rajaa kaksoisviivalla ja transformisiirrosta liikkeen suuntaisilla nuolilla. 8 D i m e n s i o 4/2005
Kuva 4. Laattareunatyypit. a) laattojen kiertyminen Eulerin-navan (E) ympäri. 4 b) Laattarajojen tyypit. Laattarajat ovat joko keskiselänteitä (parilliset suorat viivat), subduktiovyöhykkeitä (mustat kolmiot) tai transformisiirroksia (vastakkaiset nuolet). Nuolen suunta osoittaa laatan suhteellista liikettä. Transformit ai, bc ja de ovat nopeuskentän suuntaisia ja E-pisteen kehillä. Laskuesimerkki kuvasta 4a Mikä on laatan A hetkellinen nopeus pisteessä x kun laatan kulmanopeus on 10-8 rad/a ja pisteen etäisyys Eulerin-navasta on 1000 km? alityönnön suunnassa (Kuva 2). Kun merellinen laatta on painunut noin 70 km - 100 km syvyydelle, siitä vapautuu vettä paineen ja lämpötilan vaikutuksesta. Kevyempänä vesi nousee ylös ja alentaa yläpuolisen litosfäärilaatan vaipan sulamispistettä aiheuttaen mineraalien sulamista eli magmamuodostusta. Sulanut magma nousee puolestaan ylös muodostaen yläpuolelle vulkaanisen tulivuoriketjun eli vulkaanisen kaaren. Eräs maailman pisimmistä merellisistä vulkaanisista kaarista eli saarikaarista on Indonesian saariston pääosan muodostava Sundan saarikaarisysteemi, jonka länsipuolella on Jaavan syvänne. Saarikaari alkaa Bengalin lahdelta kulkien kaarenmuotoista reittiä kaakkoon ja käsittää Andamanien, Nicobarin, Sumatran, Jaavan saaristot. Tässä vyöhykkeessä Australian ja Intian laattojen merelliset osat subduktoituvat Euraasian ja sen reunalla olevien pienempien laattojen, kuten Burman laatan alle. Intian laatta liikkuu 60 mm/a pohjoiseen ja Australian laatta 75 mm/a koilliseen. Sumatran maanjäristykset Kun merellinen Intian laatta työntyy mantereisen Burman mikrolaatan alle 60 mm/a, vastaavasti Burman laatan pitäisi liikkua luoteeseen Intian laatan päälle. Tapaninpäivän suuressa maanjäristyksessä 26.12. 2004 havaitusta laatan siirtymästä (20 m) päätellen tämä liike on ollut lukkiutuneena useita satoja vuosia. Lukkiutuminen on aiheuttanut jännityksen kertymistä Burman laattaan ja sen nousua ylöspäin. Pitkäaikainen jännityskertymä purkautui Sumatran tapaninpäivän pää- ja jälkijäristyksissä (Kuvat 5 ja 6 s:lla 10). Sumatran pääjäristyksessä (9 M w ; Kuvat 5 ja 6) Burman laatta länsireuna liikkui koko pituudeltaan, 1200 km matkalta länteen päin ylityöntösiirrosta pitkin (Kuva 6). Ylityöntösiirros oli 10-15 asteen kulmassa ja siirrostasolla laatta siirtyi suurimmillaan 20 m. Vaakasuunnassa liike oli siis jopa 19 m länteen ja 5 m ylöspäin. Maanjäristyksessä syntyvä repeämä eteni pohjoiseen nopeudella 2-3 km/s. Koko laatta oli siis siirtynyt länteen päin noin 8 minuutissa. Vaikka laatan liikahtaminen ja suuren järistyksen mahdollisuus olikin ennakoitavissa, kukaan ei voinut ennustaa aikaa eikä paikkaa eikä varsinaan liikkuneen alueen suuruutta. Pääjäristyksen jälkeen laattareunalla on ollut useita jälkijäristyksiä. Toisen pääsiäispäivän järistys (8.7 M w ) sattui suoraan tapaninpäivän järistyksen siirrosalueen eteläisellä jatkeella. Ilmeisesti aiemmassa järistyksessä lauennut jännitys aiheutti jännityksen kasvua repeämävyöhykkeen lähialueilla. Merenpohjan äkillinen nousu ylöspäin aiheutti tuhoisan tsunamin eli hyökyaallon. Tsunami aiheutui, kun siirroksen yläpuolinen valtameren 4000 m paksu vesimassa nousi ylöspäin jopa 5 m 1200 km matkalta. Vesi sai tällöin valtavan määrän potentiaalienergiaa, joka lähti leviämään ympäristöönsä hyökyaaltona. Törmäysvyöhykkeet Toinen tyyppi lähenevistä laatoista ovat törmäysvyöhykkeet, joissa kaksi mannerta tai kaarta törmää toisiinsa merellisen litosfäärin kuluttua subduktiossa loppuun. Mannerten törmätessä toinen laatta nousee toisen päälle tai toinen laatta halkeaa kahtia. Törmäyssaumoihin muodostuu poimuvuoristo, jollaisia ovat esimerkiksi Alpit ja Himalaja (Kuva 2). Mikäli törmäys ei ole suora, syntyy jälleen laattareunojen suuntaisia siirroksia. Himalajan vuoriston syntyminen on pitkän tapahtumaketjun loppuhuipennus. Se alkaa Gondwana-mantereen (Etelä-Amerikka, Afrikka, Madagaskar, Arabia, Etelänapa, Australia, Intia), hajoamisella 160 Ma sitten ja Tet- D i m e n s i o 4/2005 9
ton muodostuminen on aiheutunut Euraasian ja Afrikan törmäämisestä. Vuoriston muodostus on yhä käynnissä ja se loppuu vasta Välimeren umpeuduttua. Nykyiset Alpit alkoivat muodostua Afrikan reunasta irronneiden reunakappaleiden törmättyä Euraasiaan 60 miljoonaa vuotta sitten. Mikäli laatat jatkavat nykyisiä liikkeitään, Välimeri sulkeutuu 50 miljoonan vuoden kuluttua. Maapallon kehittäjä Maapallon kehitystä olisi vaikea kuvitella ilman konvektiovirtauksia ja laattatektoniikkaa. Näiden prosessien seurauksia ovat mm. maailman valtameret, mantereet ja ilmakehä, joka muodostui alun perin tulivuorenpurkausten kaasuista. Niin ikään prosessien suorana seurauksena voidaan pitää tulivuorialueiden viljavia maita, mistä suuri osa maapallon asukkaista saa elantonsa. Kuva 5. Intian, Australian, Euraasian, Burman ja Sundan laattojen rajat sekä Sumatran maanjäristysten episentrit (tähdet) ja jälkijäristykset (ympyrät). Subduktiovyöhyke on merkitty punaisilla kolmioilla. Nuolet osoittavat laattojen liikesuuntia ja suuruuksia. Aktiiviset tulivuoret on merkitty keltaisilla kolmioilla. hys-meren aukeamisella, mistä on tehty useita animaatioita http:/ /kartoweb.itc.nl/gondwana/ gondwana.html. Myöhemmin Intia erkani Australiasta ja Etelänapamantereesta (130 Ma sitten) ja törmäsi lopuksi Euraasiaan (10 Ma) synnyttäen Himalajan vuoriston. Törmäys muutti laattaliikkeiden suuntia. Muun muassa Intian valtameren aukeamissuunnassa tapahtui tämän jälkeen selvä muutos ja nykyisin Indo-Australian laatta liikkuu itään ja subduktoituu Sundan laatan alle. Euroopassa Alppilaisen vuoris- Kotimaisia verkkosivuja, joilta löytyy suomenkielistä materiaalia kiinteän maan geofysikaalisista ilmiöistä: Helsingin yliopiston seismologian laitos; http://www.seismo.helsinki.fi/ Helsingin yliopiston geofysiikan osasto http://www.geophysics.helsinki.fi/ Oulun yliopiston geofysiikan osasto http:/ /www.gf.oulu.fi/ Geologian tutkimuskeskus http://www.gtk. fi/ Kirjallisuutta: Ahvenisto, Ursula; Borén, Esa; Hjelt, Sven- Erik; Karjalainen, Tuija; Sirviö, Jarmo; 2004. Geofysiikka: Tunne maapallosi. Porvoo: WSOY. 191 s. Hjelt, Sven-Erik, 2004. Geofysiikan matka maan keskipisteeseen. Dimensio 5/2004, 4-8. Kakkuri, Juhani 1991. Planeetta maa. Helsinki: Tähtitieteellinen yhdistys URSA. Ursan julkaisuja; 42: 184 s. Korja, Annakaisa; Pesonen, Lauri J.; Beckmann, Aike 2005. Indonesian luonnonkatastrofi - tietoa maanjäristyksistä ja hyökyaalloista. Geologi 57 (2), 37-46. Lehtinen, Martti (toim.); Nurmi, Pekka (toim.); Rämö, Tapani (toim.) 1998. Suomen kallioperän 3000 vuosimiljoonaa. Helsinki: Suomen Geologinen Seura. 375 s. ISBN 952-90- 9260-1. Kuva 6. Lohkodiagrammi Burman laatan liikkeestä. 10 D i m e n s i o 4/2005
Avaruusfysiikkaa Maa ja planeetat aurinkotuulessa HANNU KOSKINEN; Helsingin yliopisto, fysikaalisten tieteiden laitos (Hannu.E.Koskinen@helsinki.fi); Ilmatieteen laitos, avaruustutkimusyksikkö Auringossa tapahtuva massapurkaus ESA:n ja NASA:n SOHO-satelliitin LASCO-insturmentin kuvaamana. Tällainen purkaus vie mennessään noin 10 13 kg (10 miljardia tonnia) materiaa, joka osuessaan maan magneettikenttään aiheuttaa voimakkaan avaruusmyrskyn. Avaruusfysiikka tutkii sellaisia avaruuden fysikaalisia ilmiöitä, joita voi ainakin periaatteessa käydä mittaamassa paikan päällä. Niinpä nykyaikainen avaruusfysiikka syntyi vasta avaruuslentojen myötä noin 45 vuotta sitten. Tänään avaruusfysiikan tutkimuskohteet ulottuvat auringon ja maan välisten vuorovaikutusprosessien tutkimuksesta muille planeetoille ja auringon vaikutuspiirin ulkorajoille. Tärkein avaruusfysiikan rajapinta KUVA: ESA Avaruusfysiikka Suomessa Suomessa avaruusfysiikkaa tutkitaan ja opetetaan Helsingin, Oulun ja Turun yliopistojen fysikaalisten tieteiden laitoksilla sekä Ilmatieteen laitoksessa. Johtuen Suomen sijainnista revontulivyöhykkeen alla varsinkin revontuliin, magnetosfääriin, aurinkotuuleen ja avaruussäähän liittyvissä tutkimuksissa suomalaiset ovat kansainvälisesti erittäin arvostetulla tasolla. tähtitieteeseen tai astrofysiikkaan on oma tähtemme aurino. Vaikka aivan paikan päälle aurinkoon ei toki ole mahdollista viedä toimivaa avaruusalusta, auringon fysiikan ymmärtäminen on kuitenkin niin tärkeää useiden avaruusfysiikan ilmiöiden käsittelemiseksi, että monet avaruusfyysikot tutkivat myös aurinkoa. Esimerkiksi auringon aktiivisuuteen ja erilaisiin purkauksiin liittyvät ilmiöt lasketaan usein avaruusfysiikan tutkimuskohteiden joukkoon. Toisen rajapinnan muodostavat planeetat, jotka myös ovat perinteisiä tähtitieteen tutkimuskohteita. Toisaalta nykyaikainen planeettatutkimus työllistää niin kemistejä, geofyysikoita, geologeja kuin ilmatieteilijöitäkin, joten kyllä siihen joukkoon myös muutama fyysikko hyvin mahtuu. Loppujen lopuksihan näiden rajapintojenhan pitäisi pikemminkin yhdistää eri alojen tutkijoita, kuin karsinoida tutkimusta erillisiin lokeroihin. Mittaukset avaruudessa Mitä avaruudessa sitten voi mitata paikan päällä? Sähkömagneettista säteilyä on kaikkialla, samoin erilaisia hiukkasia, sekä sähköisesti varautuneita että neutraaleja. Tämän lisäksi maan, auringon ja planeettojen magneettikentät sekä niiden muutokset ovat mitattavissa olevia suureita. Muuttuvat magneettikentät tai liikkuminen magneettikentässä aiheuttavat puolestaan Michael Faradayn induktiolain mukaisesti sähkökenttiä, joita niitäkin voidaan mitata suoraan avaruudessa. 12 D i m e n s i o 4/2005
Kuva 2. Aurinkotuuli ja Maan magneettikenttä muovaavat yhdessä maan magnetosfäärin. Kuvaan on piirretty neljän Cluster-satelliitin rypäs, joka tutkii magnetosfäärin rakennetta ja dynamiikkaa. Avaruusfysiikasta puhuttaessa ei voi välttää plasman käsitettä. Plasmaa sanotaan joskus aineen neljänneksi olomuodoksi, koska kaasua kuumennettaessa se alkaa ionisoitua ja syntyy tila, jossa on runsaasti vapaita sähköisesti varautuneita hiukkasia. Kyseessä ei ole jyrkkä olomuodon muutos vaan plasmasta voi alkaa puhua, kun vapaita varauksia alkaa olla niin paljon, että kollektiiviset sähkömagneettiset ilmiöt vaikuttavat merkittävästi kaasun fysikaalisiin ominaisuuksiin. Siis muutama yksittäinen varaus ei vielä tee plasmaa, mutta toisaalta jo yhden prosentin ionisaatioaste antaa kaasulle selviä plasmaominaisuuksia. Avaruusfyysikkojen tutkimuskohteet ovat suurelta osin täysin ionisoitunutta plasmaa eli lähestulkoon jokainen atomi on menettänyt vähintään yhden elektronin, jotkut mahdollisesti useampiakin. Aurinkotuuli ja magnetosfääri Aurinko on jättiläismäinen plasmapallo. Se tuottaa energiaa fuusioreaktiolla, jossa neljä vety-ydintä eli protonia muodostaa yhden helium-atomin ytimen eli alfahiukkasen. Yhdessä sekunnissa auringon ytimessä noin 600 miljoonaa tonnia vetyä muuttuu 596 miljoonaksi tonniksi heliumia ja ylijäämä vapautuu sähkömagneettisena energiana. Tämä vastaa energiatuotantoa, joka saataisiin rakentamalla 60 miljoonaa tuhannen megawatin ydinvoimalaa jokaista maapallon asukasta kohti. Auringosta katoaa vielä viideskin miljoonas tonni ainetta sekunnissa aurinkotuulen mukana. Aurinkotuuli on jatkuva, tosin hyvin epätasainen plasmavirtaus poispäin auringosta. Sen jatkuvan olemassaolon päätteli komeettojen pyrstöjen rakenteen perusteella Ludwig Biermann jo 1950-luvulla, mutta oli hyvin vaikeata ymmärtää, kuinka plasma pääsisi pakenemaan auringon valtavasta vetovoimakentästä. Vuonna 1958 Eugene Parker esitti periaatteessa oikeanlaisen virtausmallin, kunhan vain auringon ilmakehässä olisi joku mekanismi, joka antaisi virtaukselle riittävän alkusysäyksen. Ensimmäiset aurinkotuulihavainnot tehtiin Neuvostoliiton Lunik III- ja KUVA: ESA Venus I -aluksilla. Kiistattomat havainnot jatkuvasta aurinkotuulesta saatiin Yhdysvaltain Mariner 2-luotaimesta vuonna 1962. Alati vaihtelevan aurinkotuulen ja maan oman magneettisen ympäristön muovaama magnetosfääri on tärkeä avaruusfysiikan tutkimuskohde. Magnetosfäärin käsite on peräisin Thomas Goldilta vuodelta 1959. Hän kuvasi sillä aluetta, jossa maan magneettikenttä hallitsee plasman liikettä. Tämä sfääri ei tosin ole pallomainen vaan aurinkotuulen ominaisuudet muovaavat sen rakennetta. Tämäkin asia varmistui 1960-luvulla, jolloin opittiin, että magnetosfääri on ikään kuin maan ympärillä oleva tuulipussi. Sen ulkoreuna auringon suuntaan on keskimääräisissä olosuhteissa noin 10 maan säteen (maan säde on noin 6 370 km) etäisyydellä, mutta yöpuolella magnetosfääri venyy satojen maan säteiden pituiseksi pyrstöksi, eikä ole lainkaan helppoa sanoa, missä maan magneettikentän vaikutus siihen suuntaan loppuu. Myös muilla planeetoilla on omat tuulipussinsa, ja juuri aurinkotuulen ja magnetosfäärien välinen vuorovaikutus on tärkeimpiä avaruusfysiikan tutkimuskohteita. Plasmaympäristö Toinen keskeinen tapahtumasarja avaruusfysiikan synnyssä oli maapallon plasmaympäristön löytyminen. Merkkejä siitäkin oli jo ennen avaruusaikaa. 1910-luvulla Carl Størmer määritti pääosan revontulten valosta tulevan noin 100 km korkeudelta. Revontulten ymmärrettiin johtuvan ylimmän ilmakehän atomien ja molekyylien viritystilojen energian purkautumisesta ja virittymisen uskottiin aiheutuvan jotenkin ulompaa avaruudesta syöksyvien hiukkasten törmäyksistä niihin.! D i m e n s i o 4/2005 13
KUVAN LÄHDE GEOFF REEVES, LOS ALAMOS NATIONAL LABORATORY! Myös erilaiset radioaaltojen etenemiseen liittyvät kokeet kertoivat maan lähiavaruuden ominaisuuksista. Guglielmo Marconi oli jo vuonna 1901 onnistunut lähettämään radiosignaaleja Atlantin yli. Sen mahdollisti radioaaltojen heijastuminen ionisoituneesta yläilmakehästä, jota sittemmin alettiin kutsua ionosfääriksi. Ensimmäisen maailmansodan aikaan havaittujen korkeammalta taajuudelta matalammalle viheltävien signaalien osoittauduttua 1950-luvulla olevan peräisin vastakkaisella pallonpuoliskolla tapahtuneista salamaniskuista ja edenneen sieltä pitkin magneettikenttää havaitsijan laitteisiin alkoi näyttää siltä, ettei avaruus olekaan aivan niin tyhjä kuin oli kuviteltu. Maapallon lähes dipolin muotoinen magneettikenttä muodostaa magneettisen loukun tai pullon, jossa sähköisesti varatut hiukkaset voivat ponnahdella edestakaisin pitkiä aikoja. Hiukkaset vuotavat pullosta hyvin hitaasti, mutta niiden on vaikea myös joutua sinne. Magneettiset myrskyt Kuva 3. Maapalloa kiertävät korkeaenergiaisista hiukkasista koostuvat säteilyvyöt. Sisemmän vyön hiukkaset ovat pääasiassa protoneja, ulomman elektroneja. voivat kuitenkin häiritä tilannetta niin paljon, että pullo saattaa täyttyä. Teoreetikot laskivat 1950-luvulla, että maan lähiavaruudessa saattaisi olla hyvinkin runsaasti tällaisia hiukkasia, jotka voisi havaita sopivalla koejärjestelyllä. Toinen syy mitata avaruuden hiukkasympäristöä oli selvittää maan ulkopuolelta tulevan kosmisen hiukkassäteilyn ominaisuuksia. Vuonna 1958 James Van Allen asensi Geiger-laskurin Explorer I- satelliittiin mittaamaan juuri kosmista säteilyä. Lennon tietyssä vaiheessa laskuri meni tukkoon, mutta se ei suinkaan ollut vioittunut vaan jonkin ajan kuluttua laite alkoi jälleen rekisteröidä odotetun suuruista säteilyä. Van Allenin ryhmä ymmärsi nopeasti, että kyseessä oli dipolikentän magneettisessa pullossa maata kiertävä korkeaenergiaisten varattujen hiukkasten vyö. Säteilyvöitä on itse asiassa useampi ja niitä kutsutaan nykyisin usein Van Allenin vöiksi. Avaruuslentoja suunniteltaessa on arvioitava tarkkaan, missä määrin laitteet ja avaruuslentäjät on suojattava säteilyltä. Säteilyn intensiteetti vaihtelee suuresti avaruusmyrskyjen aikana, joten sitä on tarpeen monitoroida jatkuvasti. Planeetat aurinkotuulessa Myös muilla magneettikentillä varustetuilla planeetoilla on samantapaiset magnetosfäärit kuin maalla, mutta kaikilla niistä vallitsevat hyvin erilaiset olosuhteet. Merkurius on pieni, ilmakehätön ja heikosti magneettinen planeetta lähinnä aurinkoa. Voimakas aurinkotuuli puhaltaa melkein planeetan pinnalle asti ja magneetosfäärin prosessit tapahtuvat erittäin nopeasti. Emme vielä tiedä kovin paljon Merkuriuksen magnetosfääristä, sillä juuri avaruusfysiikalle ominaiset paikan päällä tehtävät mittaukset rajoittuvat kahteen Mariner 10-luotaimen ohilentoon vuosina 1974 ja 1975. Paraikaa planeetalle on matkalla NASA:n Messenger-alus ja Euroopan avaruusjärjestö (ESA) valmistelee yhteistyössä Japanin kanssa kahden yhtaikaisen luotaimen ohjelmaa, joka on saanut nimen BepiColombo. Näiden on määrä lähteä pitkälle matkalleen vuonna 2012. Suurilla jättiläisplaneetoilla (Jupiter, Saturnus, Uranus ja Neptunus) on kaikilla voimakkaat magneettikentät. Jupiter on erityisen mielenkiintoinen kohde, koska sillä on useita kuita, jotka vaikuttavat sen magnetosfäärin dynamiikkaan. Erityisesti tuliperäinen Io syöksee kaasua ja pölyä ympärilleen ja siten Jupiterin magnetosfääri on paljon täydempi kuin maan. Suuret kuut häiritsevät myös Jupiterin magneettisessa pullossa olevia hiukkasia ja niitä vuotaa jatkuvasti planeetan revontulivyöhykkeelle aiheuttaen tavallisten revontulien ohella ylimääräisiä kirkkaita pisteitä Jupiterin yläilmakehässä. Tällä hetkellä kaikkein ajankohtaisin suurista planeetoista on Saturnus. Kesällä 2004 Saturnuksen kiertoradalle saapui NASA:n Cassini-luotain mukanaan ESA:n Huygens-alus. Huygens laskeutui Saturnuksen Titan-kuun pinnalle tämän vuoden tammikuun 14. päivänä ja lähetti maahan henkeäsalpaavien kuvien lisäksi suuren joukon ainutkertaista mittaustietoa. 14 D i m e n s i o 4/2005
KUVA: NASA luotaimen mukana vuonna 1998. Seuraavana kohteena on Venus, jonne ESA:n Venus Express-luotain on lähdössä tämän vuoden lokakuussa. Marsilla on ohut ilmakehä ja erittäin heikko magneettikenttä. Vielä Phobos-lennon jälkeen näytti siltä, että kenttä olisi niin heikko, ettei se juurikaan vaikuttaisi aurinkotuulen ja planeetan ilmakehän väliseen vuorovaikutukseen. Syksyllä 1997 raportoitiin NASA:n Mars Global Surveyorin löytäneen Marsin eteläiseltä pallonpuoliskolta alueen, jolla oli voimakasta paikallista magnetismia. Tämä magneettikenttä on jäänyt magnetoituneisiin kiviin vuosimiljardeja sitten aikana, jolloin planeetalla on mahdollisesti ollut samantapainen pyörimiseen perustuva dynamo, joka ylläpitää maan magneettikenttää. Alkuvuodesta 2004 lähtien myös ESA:n Mars Express on tutkinut tämän alueen vaikutusta Marsin plasmaympäristön ominaisuuksiin ja uusimpien tulosten mukaan planeetan pinnan magnetismi aiheuttaa selvää epäsymmetriaa siihen, kuinka aurinkotuuli pyyhkii planeetan ilmakehää. Tieteessä kysymykset liittyvät toisiinsa ja tässä sivuammekin jo aivan perustavanlaatuista ongelmaa, minne Marsin vesi on kadonnut. Ilmeisesti sitä on jäätyneenä marsperään, mutta yhtä ilmeisesti osa siitä on kadonnut taivaan tuuliin aurinkotuulen pyyhkimänä. Mutta kuinka paljon ja missä planeetan kehitysvaiheessa? Kuva 4. NASA:n Hubble-avaruusteleskoopin ottama kuva Jupiterin revontulista planeetan pohjoisnvalta. Yksittäiset pisteet ovat vasemmalta lukien Jupiterin kuiden Io, Ganymedes ja Europa aiheuttaman hiukkassateen seurauksia Jupiterin yläilmakehässä. Titan on suuri kuu, jonka typpi-ilmakehän paine pinnalla on puolitoistakertainen maan ilmakehään verrattuna. Vaikkakin Titanilla on paljon maata kylmempää, tarkat mittaukset Titanin ilmakehästä tuovat tietoa jälleen yhdestä erilaisesta ilmakehästä ja siten auttavat tutkijoita ymmärtämään paremmin myös maapallon ilmakehää ja ilmaston kehitystä. Suomalaistutkijat osallistuvat näihin analyyseihin hyvin aktiivisesti, sillä Huygens teki painemittauksensa Ilmatieteen laitoksessa valmistetulla Vaisala Oyj:n antureihin perustuvalla mittalaitteella. Avaruusfysiikan näkökulmasta Titan tuo esimerkin ilmakehällisestä, mutta magneettikentättömästä taivaankappaleesta, joka liikkuu toisen planeetan magnetosfäärin sisällä. Tätä on mielenkiintoista verrata kahteen muuhun ilmakehällä varustettuun planeettaan aurinkotuulessa, Marsiin ja Venukseen. Suomalaiset avaruusfyysikot ovat tehneet tätä tutkimusta Marsin parissa jo 1980-luvun lopulta alkaen, sillä ensimmäinen osittain suomalaisvalmisteinen tieteellinen mittalaite matkasi Marsin kiertoradalle neuvostoliittolaisen Phobos- Avaruustutkimus ja yhteiskunta Näinä aikoina on tapana kysellä, mitä hyötyä huomattavia taloudellisia panostuksia vaativasta tieteellisestä tutkimuksesta oikein on. Pitkällä tähtäyksellä tieteellisen tiedon kerääminen on sivistysyhteiskunnan ylläpitämiseksi välttämätöntä. Avaruustutkimuksen osalta jokainen tunnistaa nykyaikana jo arkipäiväisiä sovellutuksia vaikkapa tietoliikenteen tai satelliittipaikannuksen osalta. Myös avaruusfysiikan perustutkimuksella on aivan käytännöllistä merkitystä. Avaruusfysiikka on nimittäin se perustiede, jonka avulla pystymme selittämään avaruussääksi kutsuttuja ilmiöitä. Avaruusmyrskyillähän on monenlaisia vaikutuksia niin avaruudessa kuin maanpinnallakin oleviin teknologisiin järjestelmiin avaruuslentäjien turvallisuudesta puhumattakaan (katso Antti Pulkkisen artikkeli Avaruussää myrskyjä auringosta, Dimensio 1/2005). Avaruussäätä halutaan myös ennustaa, mutta luotettavien ennusteiden tekeminen vaatii vielä paljon tutkimusta auringosta alkavasta avaruussääketjusta ja niinpä avaruusfysiikka tarjoaa monia haastavia tutkimuskohteita myös uusille tutkijapolville. D i m e n s i o 4/2005 15
Fysiikka ja kemia peruskoulun alaluokilla KALLE JUUTI, yliopistonlehtori; Soveltavan kasvatustieteen laitos, Helsingin yliopisto Uudet perusopetuksen opetussuunnitelman perusteet (OPS, 2004) asettavat kunnianhimoisia tavoitteita perusopetuksen 5. 6. luokan fysiikan ja kemian opetukselle. Luokanopettajat ovat ottaneet haasteen vastaan ja osallistuvat eri tahojen järjestämään täydennyskoulutukseen. Tässä artikkelissa esitellään alaluokkien fysiikan ja kemian opetukseen kehitettyä verkosta ladattavaa oppimateriaalia siitä näkökulmasta, kuinka yhtenäisen peruskoulun aineenopettajat ja luokanopettajat voisivat yhdessä varmistaa, että opetus innostaa oppilasta luonnontieteiden opiskeluun, auttaa oppilasta pohtimaan hyvän ja turvallisen ympäristön merkitystä sekä opettaa oppilasta huolehtimaan ympäristöstä ja toimimaan siinä vastuullisesti (OPS, 2005, s.186). Aloittamisen haasteet fysiikan ja kemian opetuksessa Perusopetuksen edellisistä opetussuunnitelman perusteissa ei ole mainittu fysiikkaa ja kemiaa alaluokilla. Oppiaineessa Ympäristöja luonnontieto oli jonkin verran fysiikan ja kemian alaan kuuluvia sisältöjä, mutta käytännössä opetus painottui maantietoon ja biologiaan. Tämä on luonnollista, koska luokanopettajien koulutuksessa on ollut hyvin vähän fysiikan ja kemian sisältöihin opettamiseen liittyviä opintoja. Myös luokanopettajankoulutukseen hakeutuvien lukio-opinnoissa on tyypillisesti vähän fysiikan ja kemian opintoja. Syksyllä 2004 järjestetylle Helsingin yliopiston luokanopettajankoulutuksen fysiikka, kemia ja teknologia -kurssille (1 ov) osallistuneista sadasta opiskelijasta alle kymmenen oli lukenut fysiikan syventäviä kursseja lukiossa. Tilanne on siis sellainen, että luokanopettajien on opetettava fysiikkaa ja kemiaa suurin piirtein peruskoulun oppimäärän perusteella. Vakavasti tilanteeseen suhtautuvat opettajat ovat määrätietoisesti hakeutuneet täydennyskoulutukseen. Kuitenkin osa luokanopettajista luopuu fysiikan ja kemian opettamisesta ja vaihtaa tunnit jonkun toisen opettajan kanssa tai aineenopettaja opettaa fysiikkaa ja kemiaa jo 5. luokalta alkaen. Tämän kaltainen toiminta pirstaloi kokonaisvaltaista luokanopetusta, jossa pääpaino on monipuolisessa kasvussa, oppimisessa ja terveen itsetunnon kehittymisessä ennen siirtymistä ainejakoiseen opiskeluun. Vaikka luokanopettajalla, joka opettaa jollekin luokalle yhtä ainetta, on ikäkausididaktinen ammattitaito, ei hänellä tyypillisesti ole kuitenkaan ainedidaktista osaamista. Aineenopettajalla sen sijaan on ainedidaktinen koulutus ja kokemusta hieman vanhempien oppilaiden opettamisesta. Siten optimaalinen tilanne olisi, että luokan oma opettaja opettaa myös fysiikkaa ja kemiaa ja saa tukea aineenopettajalta opetuksen suunnittelussa ja valmistelussa hyödyntäen myös koululaboratorioita ja sen välineitä. Tässä voidaan nähdä opettajien palkkaukseen liittyvä haaste, mutta taitava rehtori löytää varmasti kaikkia tyydyttävän ratkaisun esimerkiksi VESO-koulutuksen järjestelyillä. Alaluokkien opetuksen tavoitteet ja sisällöt Fysiikan ja kemian opetuksen aloittamisessa alaluokilta on lukuisia uhkia. Tutkimusten mukaan opettajat opettavat, kuten heitä itseään on opetettu. Näin voi olla, että luokanopettajat opettavat fysiikkaa ja kemiaa stereotypisesti omiin, jopa negatiivisiin opiskelukokemuksiin nojaten kaavafysiikkana sitomatta käsitteitä ja periaatteita oppilaiden havaintoihin. Näin oppilaiden kiinnostus fysiikkaa ja kemiaa kohtaan saattaa sammua heti opiskelun alussa. Toistaiseksi fysiikan ja kemian oppikirjoja ja opettajanoppaita on melko niukasti. Opettajat saattavat ikään kuin vahingossa opettaa yläluokkien tason mukaisesti käyttäessään yläluokkien oppikirjoja opetuksen suunnittelussa. Oppiaineuudistuksen yksi keskeinen mahdollisuus on, että alaluokilla pohjustetaan laadullisella tasolla niitä fysiikan ja kemian tietoja ja taitoja, joita yläluokilla opiskellaan, eikä aloiteta samoilla tavoitteilla ja sisällöillä jo kahta vuotta aikaisemmin. Opetussuunnitelman perusteiden alaluokkien fysiikan ja kemian opiskelun tavoitteet voidaan luokitella neljään ryhmään: 1. Opiskelun yleiset tavoitteet: innostavuus. 16 D i m e n s i o 4/2005
2. Tutkimuksen tekemisen taitojen oppiminen: havaintojen tekeminen ja yksinkertaisten tutkimusten suorittaminen. 3. Käsitteiden ja periaatteiden oppiminen: Ominaisuuksien, ilmiöiden ja syy-seuraussuhteiden tunnistaminen. 4. Luonnontieteen luonteen oppiminen: Havaintojen ja peruskäsitteiden yhteys, tiedon luotettavuuden arvioiminen. Opetussuunnitelman perusteet kuvailee kolme sisältöluokkaa: 1. Energia ja sähkö (lämpöä, valoa ja liikettä sähkön avulla sekä sähköntuotanto ja energiavarat). 2. Luonnon rakenteet (voimista aiheutuvia liikeilmiöitä, turvallinen liikkuminen ja aurinkokunta). 3. Aineet ympärillämme (Ilman ja veden ominaisuuksia ja maaperän aineet). Lisäksi 4. Uusissa opetussuunnitelman perusteissa hyvän osaamisen kriteereissä mainitaan ensimmäisenä luonnon tutkimisen taidot. Oppimateriaalia alaluokkien fysiikkaan ja kemiaan Helsingin yliopiston soveltavan kasvatustieteen laitoksen, Helsingin kaupungin opetusviraston ja Teknologiateollisuus ry:n käynnistämässä ASTEL-hankkeessa kehitettiin tutkimusperustaisesti verkkopohjaista oppimateriaalia alaluokkien fysiikan ja kemian opetukseen ja opiskeluun (Juuti, 2005). Oppimateriaalin kehittämistä ovat lisäksi tukeneet Opetushallitus sekä Kemianteollisuus ry. Oppimateriaali on toteutettu www-sivustona (www.openet.fi/ astel). Tämä mahdollistaa multimediaominaisuuksien käytön. Oppimateriaalissa on äänitiedostoja, kuvasarjoja, animaatioita ja pelejä. Materiaali on tuotettu julkisella ja eri yhteisöjen hankerahoituksella, ja siten verkon kautta materiaalit ovat helposti kaikkien opettajien saatavilla. Oppimateriaalia on käännetty myös ruotsiksi. Materiaali koostuu etusivusta ja aihekohtaisista alasivuista. Kuvissa 1 ja 2 on materiaalien yleisilme. Oppimateriaalin kehittämisen lähtökohtana on ollut uusi Opetussuunnitelman perusteet -asiakirja. Edellä kuvatut tavoitteet pyritään saavuttamaan oppimateriaalin avulla seuraavasti. Luokanopettajia varten oppimateriaaliin on laadittu Opetuspolkuja, jotka ovat tuntisuunnitelman kaltaisia runkoja oppitunnille. Opetuspolussa kerrataan oppitunnin tavoitteet, keskeiset tutkimukset ja käsitteet. Lisäksi opetuspolussa annetaan vinkkejä kotitehtävistä ja opetuskeskustelun aiheista. Kertomukset ja sadut ovat perinteisiä alaluokkien opetuksen työtapoja. Oppilaat kuuntelevat mielellään tarinoita hahmoista, joihin he voivat jollain tasolla samaistua. Koska luokanopettajilla on tyypillisesti heikot tiedot ja taidot fysiikassa ja kemiassa, on oppimateriaaliin laadittu kehyskertomuksia taustoittamaan ja virittämään oppilaiden ajattelua kohti tarkasteltavia ilmiöitä ja käsitteitä. Aineenopettajat käyttävät tarinankerrontatyötapaa usein huomaamattaan kertoessaan omista kokemuksis- ASTEL-hankkeen fysiikan ja kemian opetuksen ja opiskelun oppimateriaalin etusivu, www.openet.fi /astel (kuva 1, vas.) ja sisältöalueen Voima muuttaa liikettä aloitussivu (kuva 2, oik.). Aineisto on tarkoitettu alaluokkien opetuskäyttöön. Mukana on luokanopettajille tarkoitettu Opetuspolkuja -osa, jossa on tuntisuunnitelman kaltaisia runkoja oppitunneille. D i m e n s i o 4/2005 17
taan tiettyyn ilmiöön tai käsitteeseen liittyen. Luokanopettajilla ei välttämättä ole valmiutta jutustellen näyttää, miten tarkasteltava ilmiö liittyy jokapäiväiseen elämään. Kehyskertomuksen kaksi avaruusolentoa ja koululaista keskustelevat ja vertailevat kokemuksiaan kehyskertomuksessa. Oppilaat ja avaruusolennot esittävät toisilleen kysymyksiä ja ihmettelevät miksi ilmiöt tapahtuvat siten kuin tapahtuvat. Kertomukset tuovat oppilaiden käsitykset läpinäkyviksi ja suuntaa oppilaiden havaitsemista kohti niitä ilmiöitä, joita oppilastöissä on tarkoituksena havainnoida ja tunnistaa. Tietoa ja tutkimuksia -osiossa esitellään kehyskertomuksessa esitellyt ilmiöt perinteisen oppikirjan tyyliin. Tieto-osuuden jälkeen on tähän liittyviä kokeellisia töitä yksinkertaisilla välineillä (Laatikko 1). Kuvassa 3 on esimerkki oppilastöissä tarvittavista välineistä. Oppilastöiden perusongelma on, että oppilaat eivät hahmota Kuva 3. Ote Astel-sivuston sähköilmiöitä käsittelevästä kehyskertomuksesta, jossa avaruusoliot esittelevät kahdelle koululaiselle sähköä. 18 D i m e n s i o 4/2005 niiden tavoitteita ja siten kokeellinen työskentely saattaa olla reseptin suorittamista tai puuhastelua. Kehyskertomuksen ja tietoosan tavoitteena on suunnata oppilaiden ajattelua, jotta he ymmärtäisivät, mitä heidän on kokeissa ja oppilastöissä on tarkoitus oppia. Lisäksi tieto-osassa on joitakin animaatioita, joiden avulla opettaja voi nopeasti kerrata ja tehdä yhteenvetoa opiskelluista ilmiöistä. Tietoa ja tutkimuksia osion lopussa on kokoelma monipuolisia kotitehtäviä. Fysiikka oppilaan ympäristössä Oppilaan voi olla vaikeaa nähdä, kuinka hänen oppimansa asiat näyttäytyvät muualla. Fysiikka ympärillämme -osion tavoitteena on näyttää esimerkkejä siitä, miten ympäristöä voi ymmärtää fysiikan ja kemian käsitteiden ja periaatteiden avulla. Erityisesti on kiinnitetty huomiota siihen, että ilmiöt näyttäytyvät erilaisissa konteksteissa (vertaa Juuti, Lavonen, & Meisalo, 2004). Lue lisää -painikkeesta aukeaa opettajankoulutukseen laadittu artikkeli lähinnä opettajan käyttöön. Opettajankoulutuksen materiaalissa ovat myös oppilaan materiaaliin oppilastöiden ja tehtävien ratkaisuehdotukset pdf-tiedostoina. Oppimateriaaliin on laadittu yksinkertaisia pelejä opitun kertaamiseen. Pelit -painikkeesta avautuvasta ikkunasta on oppilaan materiaalin opetuspolun mukaiset sisällöt ladattavissa pdf-tiedostona, joten materiaalia on helppo käyttää myös ilman tietokoneita. Kokemuksia oppimateriaalin käytöstä Astel-hankkeessa järjestettiin myös opettajille oppimateriaalin käyttöönottokoulutusta. Kahden ja puolen päivän koulutuksessa tarkasteltiin opetussuunnitelman perusteita, oppilaiden vaikeuksia oppia fysiikan käsitteitä ja tutustuttiin verkkomateriaalin oppilastöihin. VESO-koulutuksen puitteissa voisi olla mahdollista järjestää pienimuotoista koulutusta siten, että aineenopettajat ja luokanopettajat yhdessä kokeilevat alaluokkien materiaalin oppilastöitä, pohtivat tehtäviä ja suunnittelevat yhdessä, millainen alaluokkien fysiikan ja kemian opetus parhaiten tukee opiskelua yläluokilla. Alla on joitain koulutukseen osallistuneiden opettajien kommentteja sen jälkeen, kun he ovat kokeilleet oppimateriaalia omassa luokassaan: Koin työskentelyn innostavana ja opettavaisena. Aion jatkaa sitä tämän kurssin jälkeenkin. Ohjeet olivat hyvät oppimispolkuineen ja työohjeineen. Siinä tavallisenkin riviopettajan kynnys opettaa fysiikkaa madaltui todella huomattavasti. Oppilaat tulivat heti alusta alka-! s. 20 M
UUSITTU Aatos Lahtinen, Lauri Myrberg MATEMATIIKAN YLIOPPILASTEHTÄVÄT RATKAISUINEEN 1996 2005 Matematiikan ylioppilastehtävien oikeat, perusteelliset ja selkeät ratkaisut. Kirjoittajat ovat ylioppilastutkintolautakunnan matematiikan jaoksen puheenjohtajia. Kevään 2000 tehtävistä lähtien on useissa ratkaisumalleissa myös Ylioppilastutkintolautakunnan (YTL) huomioihin perustuvia lisähuomautuksia. Näiden huomautusten tarkoituksena on auttaa lukijaa ymmärtämään tehtyjä ratkaisuja. Kirja soveltuu erinomaisesti oheismateriaaliksi koko lukion ajan mutta erityisesti sen avulla voi valmistautua ylioppilaskirjoituksiin. Ratkaisumalleilla pyritään ohjaamaan tehtävien oikeaan matemaattiseen käsittelyyn. Tehtävien ratkaisut ja kommentit auttavat lukijaa ymmärtämään millaisia asioita YTL kussakin tehtävässä on halunnut tuoda esille. Ylioppilastehtävät ratkaisuineen kirjat sisältävät ylioppilastutkinnon tehtävät malliratkaisuineen. Keväästä 2000/2001 lähtien useissa tehtävissä myös Ylioppilastutkintolautakunnan (YTL) huomioihin perustuvia lisähuomautuksia. Kirjat soveltuvat erinomaisesti oheismateriaaliksi koko lukion ajan mutta erityisesti niiden avulla voi valmistautua ylioppilaskirjoituksiin. Tehtävien ratkaisut ja kommentit auttavat lukijaa ymmärtämään millaisia asioita YTL kussakin tehtävässä on halunnut tuoda esille. FYSIIKAN YLIOPPILASTEHTÄVÄT RATKAISUINEEN 1996 2005 Erkki Arminen UUSITTU Fysiikan ylioppilastehtävien oikeat, perusteelliset ja selkeät ratkaisut. Kirjoittaja on ylioppilastutkintolautakunnan fysiikan jaoksen puheenjohtaja. KEMIAN YLIOPPILASTEHTÄVÄT RATKAISUINEEN 1996 2005 Heikki Saarinen Kemian ylioppilastehtävien oikeat, perusteelliset ja selkeät ratkaisut. Kirjoittaja on ylioppilastutkintolautakunnan kemian jaoksen puheenjohtaja. UUSITTU KOEPAKETIT Koepaketit on saatavilla Pitkästä matematiikasta yhteensä 13 pakettia, Lyhyestä matematiikasta yhteensä 8 pakettia, Fysiikasta yhteensä 9 pakettia ja Kemiasta yhteensä 4 pakettia (lukuvuonna 2006 2007, 5 pakettia). Kaikki paketit on saatavilla myös CD-ROM levyllä johon ne on tallennettu Word tiedostoina. Tiedostoina myytävät paketit ovat aina täysiä paketteja eli levy sisältää joko kaikki tai yhden seuraavista vaihtoehdoista. kaikki pitkän matematiikan kokeet kaikki lyhyen matematiikan kokeet kaikki fysiikan kokeet kaikki kemian kokeet. Viimeisimmät tiedot ja tilauslomakkeen löydät kotisivuiltamme www.mfka.fi MFKA-Kustannus Oy p. (09) 1502 378 mfka@maol.fi www.mfka.fi
Kuva 4. Yksinkertaisia välineitä fysiikan opiskeluun. Niitä voi kerätä työkalupakkiin, jossa ne ovat hyvin tallessa.! s:lta 18 en innokkaina mukaan opiskeluun. Luokkahenkemmekin koheni näiden viikkojen aikana. Oppilaat ryhtyivat todella pohtimaan asioiden syy-seuraus -suhteita. Tutkimisesta oli tullut todella motivoiva ja kiva juttu! Ryhmätöissä oppilaat saivat tukea toisiltaan. Heikot oppilaat eivät tahtoneet päästä mukaan. Uusi aine, uusi työskentelytapa, uudet käsitteet ja paljon pohdittavaa ja asioiden yhteyksien löytämistä. Koulutus sai kiinnostumaan aiheesta. Avoimet kysymykset jäivät kaihertamaan. Vanhemmilta palautetta: mistään kouluaiheista ei ole puhuttu niin paljon kotona. Oppilaiden kommentteja Myös oppilaat suhtautuivat myös kirjallisessa palautteessaan positiivisesti opiskeluun: se on hyvä sivu koska siel ei tarvii ite lukee, jos on lukihäiriö tai jotain, voi kuunnella tai sitten voi pelaa pelejä ja oppii hyvin ja siel on myös kaikkee ihme kokeita ja muita. (poika 11 vuotta) Mun mielestä se on ollut aika monipuolista, et se ei oole niinku sellasta ykstoikkoista, et se ei oo tylsää, et jotenkin tuntuu että päähän menis jotain. (tyttö 12 vuotta) Fysiikka on kiva opetella ja se oli kiva oppiaine. Haluaisin oppiskell vielä jotain fysikkasta. Halusin opetella sen takia koska minulla meni koe aika huonosti. Olemme oppinut fysikkassa vähä kaikesta. Fysikka on ollut tosi kiva oppiaine minulle ainakin. (Tyttö 11 vuotta) Fysiikan opiskelu on hauskaa ja opettavaista. Kiva ope, kivat asiat, lyhyesti sanottuna kaikkea hauskaa. Teemme myös kokeita esim. Kitkasta sun muista oudoista asioista. Kaikki olisi aivan täydellistä, jos saataisi lisää kirjoittamista, mutta ei liikaa sekä uusia aiheita. ATK-luokassa käynti on kivaa, toivottavasti tulee lisää tunteja tietokoneen ääressä. (Poika 11 vuotta) Yksinkertaiset välineet liikeja voimailmiöiden tutkimiseen Oppilastöissä tarvittavat välineet on kätevää kerätä työkalupakkiin. Liike ja voima -sisältöalueen (mekaniikka) oppilastyöt (puolikas luokka) on suunniteltu tehtäväksi seuraavin välinein, joista osa on näkyvissä kuvassa 4: 8 korkkikorkkia, 8 aluslevyä punnuksina (100 g), 8 marmorikuulaa, 8 leikkiautoa liikkeen jatkavuuden tutkimiseen, 8*3 kokoisia puupalikoita, 8 vanerilevyä voimamittarin valmistamiseen. Lisäksi tarvitaan kuminauhoja, cocktail-tikkuja, sinitarraa ja varrastikkuja. Muut tarvittavat välineet on saatavilla tyypillisessä koululuokassa. Opettajat myös kertoivat, miten he aluksi suhtautuivat epäillen fysiikan ja kemian opettamiseen, mutta oppilaiden innostus tutkimusta kohtaan siirtyi myös opettajiin. Yksi odotus oppiaineuudistuksessa on, että innostus fysiikkaan ja kemiaan saataisiin syttymään alaluokilla, niin se mahdollisesti säilyy paremmin ja lukiossa fysiikkaa ja kemiaa valitaan enemmän. Lähteet Juuti, K., Lavonen, J., & Meisalo, V. (2004). Gisel-hankkeen tuloksia, osa 1: Tytöt ja pojat huomioon ottavaa fysiikkaa. Dimensio 68(5), 38 41. Juuti, K. (2005). Towards physics teaching and learning: Design research approach. Research Report 256. Helsinki, Finland: Department of applied sciences of education, University of Helsinki. OPS (2004). Perusopetuksen opetussuunnitelman perusteet. Helsinki: Opetushallitus. 20 D i m e n s i o 4/2005