Elnur Efendi, Otto Kiander, Johannes Mäkinen, Jasmin Tapiala

Elnur Efendi, Otto Kiander, Johannes Mäkinen, Jasmin Tapiala

Briefly in English PAMPRE is an experiment, dedicated to researching tholins, the particles that are found in Titan s upper atmosphere. These particles are of interest to many researchers worldwide because they are the missing link in the study of early stages of the atmosphere of Earth and thereby directly linked to how the life on Earth got started. It was known that some mixture of gas was present, when the forming of organic compounds begun on Earth. However the exact mixture was not known and it was technically impossible to recreate the situation from scratch in a laboratory environment. It was found that Titan had an atmosphere similar to what Earth might had had, and Cassini Huygens was sent to find out more about it. The probe started sending data in 2004 and the tholins were found in the atmosphere. Since 2004, the simulations done with PAMPRE have revealed a lot about the development of the Earth s atmosphere. For example nitrogen is present in the whole cycle of chemical reactions of tholins but is not an essential part of the outcome, which was a mystery. Because of PAMPRE this and a lot of other things have been thoroughly understood.

Sisällys 1. Esittely 2. Saturnus ja sen kuut 3. Cassini Huygens 4. Titanin kaasukehä 4.1 Aerosolit ja toliinit 5. PAMPRE Lähteet

1. Esittely Osallistuimme Mikkelin Lukion järjestämään Latmos (the Laboratoire ATmospherès, Milieux, Observations Spatiales) tiedekouluun, joka on suunnattu pitkän fysiikan opiskelijoille. Tutustuimme lisäksi IAS (Institut d Astrophysique Spatiale) tutkimuslaboratorioon. Kuulimme molemmissa keskuksissa mielenkiintoisia luentoja, jonka lisäksi pääsimme tutustumaan puhdaslaboratorioihin. Matkalla meitä opasti Mikkelistä lähtöisin oleva tutkija Anni Määttänen. Matkalle lähtijät jaettiin neljään ryhmään, ja jokainen ryhmä sai tehtäväkseen tutustua yhteen etukäteen annetuista aiheista. Meidän ryhmämme keskittyi erityisesti aerosolitutkimukseen, sekä PAMPRE:en. Aloitimme tutkielmien teot ennen tiedekouluun lähtemistä, ja teimme ne loppuun matkan jälkeen. Lähteinä käytimme kuulemaamme luentoa sekä aiheeseen liittyviä nettisivuja. Latmos on vuonna 2009 perustettu tutkimuslaboratorio joka on jaettu kahteen eri tutkimuskeskukseen: Pariisin keskustassa sijaitsevaan UMPC:een, sekä Guyancourtissa sijaitsevaan OVSQ:hun. Latmos tutkii maapallon ympäristön fysiikan ja kemian lisäksi aurinkokuntia, sekä maan ja auringon välisiä vuorovaikutuksia.

2. Saturnus ja sen kuut Saturnus on kuudes planeetta Auringosta ulospäin laskettuna, jolloin sen etäisyydeksi Auringosta on noin 9.5 AU (1427 milj. km). Saturnus on myös toiseksi suurin aurinkokuntamme planeetta ja tämä jättiläisplaneetta tunnistetaan sen kuuluisista renkaista. Saturnus on selvästi navoiltaan litistynyt planeetta. Litistyminen johtuu sen nopeasta pyörimisnopeudesta ja kaasumaisesta olomuodosta. Saturnuksen tiheys onkin planeetoista alhaisin. Kuita Saturnuksella on 62, joita on tutkittu jo vuosikymmeniä niin maasta käsin, kuin myös luotaimilla. Tunnetuin, mielenkiintoisin sekä suurin näistä kuista on Titan. Titanin löysi Hollantilainen Christiaan Huygens vuonna 1655. Saturnuksen ollessa aurinkokuntamme toiseksi suurin planeetta, on Titan lähiympäristömme toiseksi suurin kuu. Titan kuu kiinnostaa tutkijoita erityisesti, koska sen uskotaan jossain määrin muistuttavan alkuaikojen Maata.

Kuva1 Maa ja Saturnus oikeassa mittakaavassa toistensa suhteen 3. Cassini Huygens Lokakuussa 1997 laukaistu Cassini Huygens on mm. NASAn ja ESAn yhteistyöllä rakennettu avaruusalus, jonka tehtävänä on tutkia Saturnusta ja sen kuita. Se saapui Saturnuksen kiertoradalle heinäkuussa 2004. Ohjelman oli alunperin tarkoitus päättyä 1. heinäkuuta 2008. Tehtävää jatkettiin kuitenkin myöhemmin kesään 2010 saakka luotaimen erinomaisen toiminnan ansiosta. Tämän jälkeen tehtävää pidennettiin vielä vuoteen 2017 asti. Nimensä projekti sai tähtitieteilijöiden Jean Dominique Cassinin ja Christiaan Huygensin mukaan. Molemmat tutkivat mm. Saturnusta. Huygens löysi Saturnuksen renkaat ja suurimman Titan kuun. Mittauksia Cassini avaruusluotain tekee Saturnuksen kiertoradalta ja sen tärkeimmät tavoitteet ovat: 1) Selvittää Saturnuksen renkaiden kolmiulotteinen rakenne ja liike. 2) Selvittää Saturnuksen kiertolaisten pinnan rakenne ja geologinen historia. 3) Selvittää Saturnuksen Japetus kuun tumman materiaalin luonne ja alkuperä. 4) Kartoittaa Saturnuksen magnetosfäärin rakenne ja siinä tapahtuvat muutokset. 5) Tutkia Saturnuksen kaasukehän pilvikerrosten muutoksia.

6) Tutkia Titan kuun pilvien ja usvan ajallisia muutoksia. 7) Määritellä Titanin pinnan alueelliset ominaisuudet. Sen kuljettama Huygens laskeutuja [Hoigens] teki mittauksia Titan kuussa. Huygensin kuusi tiedeinstrumenttia olivat: 1) HASI Huygens Atmosphere Structure Instrument ( sääinstrumentti, Jonka painemittausjärjestelmä on tehty suomessa.) 2) GCMS Gas Chromatograph and Mass Spectrometer. 3) ACP Aerosol Collector and Pyrolyser. 4) DISR Descent Imager/Spectral Radiometer 5) DWE Doppler Wind Experiment 6) SSP Surface Science Package 4. Titanin kaasukehä Titan on Aurinkokuntamme ainut kuu, jolla on paksu kaasukehä. Kehä ylettyy 975 kilometrin korkeuteen Titanin pinnasta. Kaasukehän paine on puolitoista kertaa Maan ilmakehän paine. Kehä koostuu pääosin typestä (>95%), mutta sisältää myös muun muassa metaania, ammoniakkia, argonia ja etaania. Titanin kaasukehä voidaan jakaa samoihin kerroksiin kuin Maan ilmakehä: troposfääri, stratosfääri, mesosfääri ja termosfääri. Alin kerros, troposfääri, on lähes pelkästään metaania. Metaani muodostaa kaasukehässä pieniä orgaanisia yhdisteitä kun Auringon ultraviolettisäteilyn tai Saturnuksen magneettikentän kiihdyttämät hiukkaset osuvat siihen. Titanin pinnalla tai pinnan alla on oltava metaaniesintymiä, sillä ilman luonnollista lähdettä kaikki metaani olisi jo hävinnyt orgaanisissa reaktioissa.titanin navoilla on havaittu metaanipilviä ja jonkinasteisia sateita. Onkin todennäköistä, että Titanissa on Maan vesikiertoa vastaava metaanikierto. Erään teorian mukaan pinnan alta

vapautuva metaani nousee pinnalle eräänlaisten tulivuorenpurkausten seurauksena. Tätä teoriaa puoltaa se, että Titanin pinnalta on löydetty Argon 40 isotooppia, joka syntyy Kalium 40 isotoopin beetahajoamisessa, jolle on hyvät olosuhteet Titanin pinnan alla. Titanin kaasukehää tutkitaan, koska siellä tapahtuvat kemialliset reaktiot muistuttavat Maan ilmakehän alkuaikoina siinä tapahtuneita reaktioita. Näitä reaktioita ei tapahdu enää, eikä ennen Titanin kaasukehän tutkimista ollut tarkkaa tietoa, minkälaiset olosuhteet Maan ilmakehässä on mahdollisesti ollut. Titanin kaasukehä ja utukerrokset Cassini luotaimesta kuvattuna 4.1 Aerosolit ja toliinit Aerosolit ovat pienten hiukkasten ja pienten nestemäärien muodostama seos jossakin kaasumaisessa väliaineessa. Aerosoleista puhutaan, kun kyseisessä seoksessa hiukkasten osuus on häviävän pieni kaasun määrään verrattuna. Titanissa tutkitaan sen pinnalla olevia aerosoleja. Titanin aerosolireaktioissa muodostuu toliineja. Toliinit ovat yksinkertaisista orgaanisista molekyyleistä muodostuneita ketjuja. Toliineja ei muodostu maassa, mutta avaruudessa niitä on runsaasti jäätyneiden taivaankappaleiden pinnoilla, meidän aurinkokunnassamme lähinnä sen

ulommissa osissa. Kappaleilla, joilla on toliineja, on usein nähtävissä oranssinpunainen utu pinnan läheisyydessä. Syntyessään toliiniketjut koostuvat jostakin yhdestä pienestä molekyylistä, Titanissa lähinnä metaanista. Toliineissa on mitä useimmin typpihiukkasia keskeisissä osissa. Kun toliineihin osuu korkeaenergisiä hiukkasia, ne muuntuvat. Miljoonien vuosien kuluessa, näistä hiukkasista muodostuu monen välivaiheen kautta orgaanisia yhdisteitä ja typpiosat katoavat. Vaihe, jossa typpi on läsnä, on kaikista kiinnostavin nykytutkijoille, sillä typen osuudesta ei ole olemassa tarkkaa selitystä tai mallinnusta. 5. PAMPRE PAMPRE (lyhenne ranskankielistä nimestä Aerosols Microgravity Production by Reactives Plasmas) on osa LATMOS tutkimuslaboratoriota. Sillä tehtävien kokeiden tarkoituksena on luoda kokeellisesti Saturnuksen kuun Titanin kaasukehää vastaava kaasuseos. Tutkimuksissa tuotetaan erityisesti toliineja CC RF (capacitively coupled radio frequency cold plasma system) menetelmällä. Nimestä huolimatta koe tehdään huoneenlämmössä. Menetelmässä matalassa paineessa olevaa typpi metaaniseosta (N 2 CH 4 ) johdetaan tyhjiöön, jossa siitä muodostetaan niin kutsuttua kylmää plasmaa elektronipurkauksia apuna käyttäen. Kylmä plasma tarkoittaa sitä, että vain osa kaasumolekyyleistä on ionisoitu. Plasmassa olevat hiukkaset 'leijuvat' elektrostaattisten voimien ansiosta ja pysyvät näin erossa seinistä. Näiden hiukkasten koostumusta sekä kasvua voidaan tutkia suoraan plasmassa. Tämän lisäksi plasman elektronien energianjakaumaa voidaan verrata auringon spektriin. Tuotettujen toliinien tutkimuksesta saatuja tietoja voidaan käyttää avuksi Cassini Huygens satelliitin mittauksien analysointiin.

Kuva3: Kaavakuva kokeessa käytetystä laitteistosta

Lähteet: http://saturn.jpl.nasa.gov/ http://ilmatieteenlaitos.fi/saturnus http://bdap.ipsl.fr/pampre/ http://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=4635 http://www.esa.int/our_activities/space_science/cassini Huygens http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/pmc3444770/ https://fi.wikipedia.org/wiki/cassini Huygens http://www.spaceanswers.com/solar system/five mind blowing facts about saturns moon tita n/ http://saturn.jpl.nasa.gov/science/index.cfm?sciencepageid=75 http://www.sarkanniemi.fi/akatemiat/tahtiakatemia/planets/saturnus.htm http://photojournal.jpl.nasa.gov/jpeg/pia06160.jpg http://www.latmos.ipsl.fr/index.php/en/ http://hiukkastieto.fi/?q=node/21