Voidaanko luonnonkatastrofeista varoittaa ennakkoon? Vedenpaisumus Maanjäristyksiä, tulivuorenpurkauksia, hurrikaaneja ja muita luonnonmullistuksia pystytään nykytekniikalla ennustamaan jo melko hyvin. Aasian tsunamikatastrofi yllätti kuitenkin koko maailman ja nosti esiin kysymyksiä: miksi hyökyaallosta ei saatu kunnollista varoitusta? Olisiko katastrofi voitu estää, tai ainakin sen ihmisuhrien määrää vähentää asianmukaisella ennakkovaroitusjärjestelmällä? HANNU TANSKANEN NOAA/NWS/NASA/US Geological Survey/SKOY, kuvat 10 Tekniikan Maailma 4/2005
tys hieman ennen aamukahdek- aikaa. kello 10:03 Tutkijat 10:03saa paikallista tuijottivat epäuskoisina seismografien käyrien kasvua Suomen aikaa aamuyöllä tapaninpäivän vastaisena yönä. Käyrät kertoivat, että Intian valtamerellä, Sumatran saaren pohjoisosan lähellä oli tapahtunut valtava 9 Richterin maanjäris- Tekniikan Maailma 4/2005 11
Somalia Järistyksen keskus Pahiten vaurioituneet alueet Maat, joihin tsunami iski Kahdenkymmenen minuutin kuluttua järistysaalto rekisteröitiin Yhdysvaltain seismologisilla asemilla, ja tieto siitä lähettiin välittömästi eteenpäin. USGS:llä (United States Geological Survey) ei kuitenkaan ole vastuuta hyökyaaltojen varoituksista, mutta Havaijilla sijaitseva PTWC (Pacific Tsunami Warning Center) lähetti siitä normaalin tiedotteensa, jossa mainittiin, ettei järistys aiheuttanut tsunamiriskiä Tyynen valtameren alueella. Niistä kahdestakymmenestäkuudesta maasta, jotka ovat liittyneet kansainväliseen tsunami-varoitusyhteisöön ITSU:un, vain Thaimaa Male Intia Malediivit Kandu Huludu AASIAN tapaninpäivän tsunami levitti tuhoa laajalle alueelle. SATELLIITTIKUVASSA tsunami iskee Sri Lankan rannikolle 26. joulukuuta 2004. Seychellit Andamaanit ja Nikobaarit Thaimaa Malesia Indonesia Päivämäärä 26/12/2004 Aika 00.58 GMT Voimakkuus 9,0 Päivämäärä 26/12/2004 Aika 04.21 GMT Voimakkuus 7,5 kuului tuolla alueella järjestöön, mutta silläkään ei ollut mittareita oikeissa paikoissa, koska tsunamit ovat hyvin harvinaisia Intian valtamerellä. Muutamaa tuntia myöhemmin iski valtava, rannikolla kymmenmetriseksi kasvanut aalto Intian valtameren ja Bengalin lahden maiden, Indonesian, Intian, Sri Lankan ja Thaimaan rannikoille. Maanjäristyksen synnyttämä hyökyaalto eli tsunami aiheutti nykyhistorian pahimman luonnonkatastrofin, jonka uhrien määrä lasketaan sadoissa tuhansissa. Vaikka hyvin pieniä maan tärähtelyjä rekisteröidään puolisen miljoonaa kappaletta vuosittain, tapahtuvat merkittävät maan liikahtelut mannerlaattojen yhtymäkohdissa, niin kutsutulla tulikehällä.tavallisimmin jännitys laattojen välillä kasvaa vähitellen vuosien kuluessa, ja sitten tapahtuu äkillinen murtuminen ja siirtymä, joka aiheuttaa paikallisen maanjäristyksen. Joskus mannerlaatta tunkeutuu toisen laatan alapuolelle ja puristaa siellä sijaitsevaa sulaa magmataskua ja saa aikaan tulivuorenpurkauksen. Pahimmassa tapauksessa laatat ponnahtavat pystysuunnassa useita metrejä jopa yli tuhannen kilometrin matkalla. Näin oletetaan tapahtuneen joulukuun 26. Sumatran pohjoisosassa kohtaavien Intian ja Burman mannerlaattojen välillä, jossa toinen laatta painui äkillisesti alaspäin ja toinen viskautui ylöspäin. Tämä synnytti Intian valtameren pohjassa valtavan paineaallon, joka sinkautti matkaan erittäin voimakkaan hyökyaallon eli tsunamin. Vapautunut energia vastasi kymmentä tuhatta, kenties jopa miljoonaa ydinpommia ja sai tsunamin lisäksi mahdollisesti aikaan pienen muutoksen Maan pyörimisajassa ja vähäisen muutoksen sen akselin niin sanotussa prekessioliikkeessä. Tsunami etenee jopa 1 000 kilometriä tunnissa Tsunami-nimitys tulee japanin kielen satamaa ja aaltoa tarkoittavista sanoista tsu ja nami.tsunami-aaltoja syntyy useimmiten vedenalaisten maanjäristysten yhteydessä maankuoren voimakkaan liikahduksen sysätessä vesimassat liikkeeseen, mutta myös tulivuorenpurkaukset, laavavyöryt, maanvyöryt ja me- Joulukuun 2004 tsunami Intian valtamerellä kuuluu lähihistorian tuhoisimpiin, uhrien määräksi arvellaan lähes 300 000. Eniten ihmishenkiä vaatinut maanjäristys tapahtui 23. tammikuuta 1556 Kiinan Shansissa, jossa kuolleita oli 830 000. Marraskuun 1. päivänä 1755 maanjäristys tuhosi kaksi kolmasosaa portugalilaisesta Lissabonin kaupungista, ja kun ihmiset pakenivat siitä aiheutuneita tulipaloja vesirajaan, järistyk- 12 Tekniikan Maailma 4/2005 Tuhoisimmat tsunamit ja maanjäristykset sestä aiheutuneen tsunamin aallot hukuttivat yli 60 000 ihmistä. Viimeaikaisen historian pahin tsunami koettiin 27. elokuuta 1883, kun Krakatao-tulivuori Indonesiassa räjähti, ja siitä aiheutunut tsunami pyyhkäisi Javan ja Sumatran saaren yli tappaen 36 000 ihmistä. Eniten uhreja vaatinut maanjäristyksen ja tsunamin yhdistelmä 1900-luvulla tapahtui 28. joulukuuta 1908 Italian Messinassa, jossa 7,2 Richterin järistys ja tsunami tappoivat 70 000 100 000 ihmistä. 1900-luvun tuhoisin maanjäristys tapahtui 27. heinäkuuta 1976 Kiinan Tangashanissa, jossa voimakkuudeltaan 7,5 Richterin järistyksessä kuoli virallisen tiedon mukaan 255 000 ihmistä, epävirallisten tietojen mukaan peräti 655 000. Vuoroveden ja trooppisen Maria-hirmumyrskyn aiheuttama tulva-aalto hukutti Bangladeshissa vuonna 1991 lähes 140 000 ihmistä. Tulevaisuuden uhkana tiedemiehet näkevät Kanarian La Palma -saaren 1949 purkautuneen Cumbre Vieja -tulivuoren, jossa vuoren kylkeen syntyi suuri halkeama, joka uhkaa romahtaa mereen.jos näin tapahtuu,se voisi aiheuttaa jopa sadan metrin korkuisen megatsunamin, joka Euroopan lisäksi iskisi yhdeksän tuntia myöhemmin myös Yhdysvaltojen rannikolle tuhoten Floridan ja useat itärannikon suuret kaupungit, kuten New Yorkin ja Bostonin.
Sundan hautavajoama Intian mannerlaatta Intian laatta sukeltaa Burman laatan alle Burman laatta ristys. Herkillä nykyajan laitteilla voidaan paikoin havaita maanjäristyksiä, jotka saavat nollaa pienemmän magnitudin. Järkevä nyrkkisääntö kuitenkin on, että magnitudi on yleensä välillä 0 10, ja se ilmoitetaan yhden desimaalin tarkkuudella. Nimi Richter liitetään tiiviisti magnitudin käsitteeseen. Se johtuu siitä, että amerikkalainen Charles F. Richter otti ensimmäisenä tämän käsitteen käyttöön seismologiassa. Hänen työnsä julkaistiin vuonna 1935, ja siinä hän määritteli magnitudi-asteikon Kalifornian matalille lähijäristyksille. Richter itse ja monet myöhemmät sukupolvet laajensivat magnitudin käsitettä niin, että se voidaan määrittää myös kaukana sattuville ja syville maanjäristyksille. Helsingin yliopiston Seismologian laitoksen ylläpitämässä havaintoverkossa on kaksitoista pysyvää seismografiasemaa. Sysmässä sijaitseva seismografiasema FINES on niin sanottu monipisteasema. Se sisältää 16 aliasemaa halkaisijaltaan noin kahden kilometrin alueella, muilla asemilla on kolmekomponenttiset laajakaistaiset tai lyhytperiodiset seismografit. FINES kuuluu kansainväliseen ydinkoevalvontajärjestelmän (Comprehesive Test Treaty Organization) ylläpitämään asemaverkkoon. Noobarsaaret Tapaninpäivän järistyksen keskus teoriittien iskut voivat aiheuttaa hyökyaaltoja. Tsunamin aallonpituudet vaihtelevat kymmenistä kilometreistä lähes tuhanteen kilometriin, kun taas tuulen kehittämät aallot ovat korkeintaan satojen metrien pituisia. Tuulen kehittämät aallot vaikuttavat tavallisesti vain muutamien metrien syvyyteen saakka ja valtamerien pisimmätkin, noin 600 metrin pituiset aallot vain 150 metrin syvyyteen asti. Tsunamin aallot ovat niin pitkiä, että ne vaikuttavat valtameren pohjaan asti. Tsunamin aallot esiintyvät 5 90 minuutin väliajoin. Tsunamiaallon liike käsittää koko vesimassan RAJUILMATUTKIMUKSEN edelläkävijä on aina ollut Yhdysvallat. Siellä havaintojen keruu aloitettiin jo 1800-luvun lopulla ja varoituksia on annettu jo reilut 50 vuotta, kertoo meteorologi Jenni Teittinen Ilmatieteen laitokselta. Alan tutkimukseen on Yhdysvalloissa panostettu sekä yliopistoissa että tutkimuslaitoksissa. Karkean arvion mukaan Yhdysvalloissa havaitaan vuosittain noin 1 000 tornadoa ja 5 000 ukkospilviin liittyvää äkkitulvaa. Vuosittain Yhdysvalloissa kuolee vaaraa aiheuttavaan säähän liittyvissä tapaturmissa noin 500 henkilöä ja noin 5 000 loukkaantuu. Yhdysvalloissa vaaraa aiheuttavan sään varoitusprosessi on tiimityötä, johon osallistuvat päivystävien meteorologien sekä tutkijoiden lisäksi pelastusviranomaiset, voimakkaan ukkospilvien havainnoitsijat ja media. Sundan laatta Laattojen reunat Australian laatta Malagan salmi NASA:n kuva Aasian järistyksen keskuksesta, episentteristä. Thaimaa Sumatra Indonesia Kuva: Nasa pohjasta pintaan, ja sen nopeus määräytyy pohjan syvyydestä, tarkemmin sanottuna syvyyden neliöjuuresta. Valtameren syvillä alueilla sen nopeus on noin 600 kilometriä tunnissa, syvänteissä jopa 1 000 kilometriä tunnissa. Avoimella merellä tsunami-aallon korkeus on vain puolen metrin luokkaa, mutta rantaa lähestyessä sen korkeus voi kasvaa kymmeniin metreihin. Tsunami-varoitusjärjestelmä perustuu havaintoasemaverkostoon, joka seuraa seismisiä tapahtumia ja vedenkorkeuden muutoksia. Tsunami-varoitus annetaan havaintosignaalien osoittaessa yksittäisestä kes- Yhdysvallat edelläkävijä rajuilmavaroituksissa Uudet menetelmät ja yhteistyön parantaminen säästävät ihmishenkiä. Kun vuoden 1974 huhtikuun tornadojen sarjassa (148 tornadoa) kuoli 330 ihmistä, vuoden 2003 toukokuussa 340 tornadoa tappoi 39 ihmistä. Vuonna 1974 varoitus annettiin keskimäärin viisi ja vuonna 2003 jo yhdeksäntoista minuuttia ennen tornadon syntyä. Nykyään Yhdysvalloissa 79 prosenttia tornadovaroituksista ja 89 prosenttia äkkitulvavaroituksista osuu kohdalleen. Säätutka on tärkeä työkalu, mutta se ei yksin pysty ennustamaan vaikkapa tornadoa, vaan silminnäkijähavainnot ovat edelleenkin ratkaisevan tärkeitä. Kansallisella sääpalvelulla (National Weather Service) on Yhdysvalloissa 122 paikallistoimistoa. Paikallistoimistojen työtä tukee erityisesti voimakkaiden ukkospilvien ennustamiseen erikoistunut yksikkö SPC (Storm Prediction Center). Seismografi mittaa järistysten voimakkuuden ja sijainnin MAANJÄRISTYSTEN mittaukseen ja rekisteröintiin käytettyjä laitteita kutsutaan seismografeiksi. Perinteinen seismografi käsittää peruskallioon luodun perustuksen, jousen, vaimentimen, jousitetun massan, massaan kiinnitetyn liikeanturin, vahvistimen ja rekisteröintilaitteen, tavallisimmin piirturin. Ammattilaislaitteet mittaavat värähtelyn kaikilla kolmella akselilla, ja piirturin on korvannut tietokone ja a/dmuunnin. Epäolennaisten havaintojen eliminoimiseen käytetään algoritmia, ohjelmaa, joka määrittelee, onko lyhyen ajan keskiarvo tilastollisesti merkitsevä pitkäaikaiseen keskiarvoon verrattuna, jolloin tapahtuma rekisteröidään. Maanjäristyksen voimakkuus ilmoitetaan lukemana jollakin magnitudiasteikolla, jotka perustuvat laitehavainnointiin ja tapauksesta piirtyneeseen rekisteröintijälkeen seismogrammilla. Magnitudi kuvaa maanjäristyksen voimakkuutta fysikaalisena tapahtumana. Magnitudi-asteikoille on tyypillistä, että ne ovat logaritmisia. Tällöin asteesta seuraavaan siirtyminen merkitsee maanjäristyksen koon kymmenkertaista kasvua. Usein puhutaan myös avoimista asteikoista, mikä johtuu siitä, että magnitudi-asteikkojen määrittelyssä ei anneta minkäänlaista rajoitusta sille, mikä on kaikkein pienin tai suurin maanjä- Aika P-aallot S-aallot TYYPILLINEN seismogrammi, kuvaus maanjäristyksestä. Ensin tulevat P- aallot (jopa 6 km/s, ytimessä jopa 13 km/s), joita seuraavat noin puolta hitaammin tuhon varsinaiset aiheuttajat, S-aallot. IVAN-pyörremyrsky lähestymässä Yhdysvaltain Floridaa Meksikonlahdella. Tekniikan Maailma 4/2005 13
Heilauttiko Aasian maanjäristys koko maapalloamme? AASIAN katastrofi syntyi, kun Aasian mannerlaatta liukui Intian mannerlaatan alle. Laatta murtui ja sinkoutui ylöspäin arviolta viisitoista metriä aiheuttaen valtavan paineaallon merivedessä. NASA:n Jet Propulsion Laboratoryn tutkija, tohtori Richard Gross ja NASA Goddard Space Flight Centerin tohtori Benjamin Fong Chao laskivat, että tapahtuman seurauksena koko maapallo soi kuin kello useiden päivien ajan ja vuorokauden pituus lyheni 2,68 mikrosekunnilla eli miljoonasosasekunnilla. Tämä johtui Aasian mannerlaatan massojen sukeltamisesta syvemmälle puolisulaan magmaan, jolloin Maan pyörimisnopeus kasvoi aivan kuin luistelijalla, joka vetää kätensä suppuun. Järistyksen arvioitiin myös siirtäneen Maan akselia noin 2,5 senttimetriä. Maan akselihan tekee omaa pientä, halkaisijaltaan noin kymmenmetristä ympyräänsä aivan hidastuvan hyrrän akselin tapaan. Kun tiedetään, että maapallo painaa noin kuusi tuhatta triljoonaa tonnia, saadaan jonkinlainen käsitys siitä, minkälaisia voimia tarvitaan liikauttamaan sitä. Suurta käytännön merkitystä näillä muutoksilla ei ole. Arvot ovat toistaiseksi vain laskennallisia, niitä ei ole suoraan mitattu, mutta tarkoilla atomikelloilla sen pitäisi olla mahdollista lähitulevaisuudessa. Järistyksen episentterin eli keskuksen lähettyvillä muutokset olivat huomattavasti dramaattisempia. Satelliittikuvien mukaan maanjäristys siirsi Sumatran luoteiskärkeä lounaaseen noin 35 metriä mannerlaattojen siirtyessä yli 30 metriä, alueen pienemmät saaret siirtyivät paikaltaan 20 metriä. Maanjäristyksiä voidaan ennakoida Hieman ennen maanjäristystä alueella ilmenee useita epätavallisia ilmiöitä: sähkömagneettinen kenttä vaihtelee ja maan pinta lämpenee jopa neljä astetta. Pohjimmaista syytä näihin ei ole laajoista kokeiluista huolimatta varmuudella selvitetty, mutta niitä kokeillaan järistysten ennakointiin. Mannerlaattojen liikkeestä syntyvät valtavat energiat keräävät kuukausien ja vuosien kuluessa suuria jännityksiä kallioperään, mutta näitä ei vielä voida mitenkään suoraan mitata. Kehitteillä on kuitenkin useita satelliitteihin pohjaavia metodeja, jotka hyödyntävät jännityksistä syntyviä sivuilmiöitä. Yksi NASA:n kehittämistä metodeista, InSAR, yhdistää datafuusiolla useita satelliittikuvia alueesta ja pystyy havainnoimaan jopa millimetrin suuruiset muutokset vuoden aikana. Näistä muutoksista voidaan päätellä, minne suurimmat jännitykset ja todennäköiset järistyskeskukset syntyvät. Toinen metodi perustuu satelliittien infrapunakameroiden ottamiin kuviin. NASA Amesin tutkimuskeskuksen tutkijat havaitsivat, että maan pinta lämpenee ennen maanjäristystä. Myös venäläiset ja kiinalaiset tutkijat olivat havainneet saman ilmiön 1998 Zhangbeissa lähellä Kiinan muuria tapahtu- 14 Tekniikan Maailma 4/2005 neen järistyksen yhteydessä, kun maan lämpötila nousi jopa 6 9 astetta juuri ennen järistyksen alkua. Syytä tähän ei tiedetä, liikkuvan kallioperän kitkan aiheuttamaa se ei kuitenkaan tutkimusten mukaan ole. Kolmas menetelmä perustuu magneettikentän muutoksiin ennen järistystä. Esimerkiksi Loma-Prieten maanjäristyksessä San Franciscossa 1989 matalajaksoisen magneettikentän (0,02 Hz) lukemat nousivat kaksikymmenkertaisiksi jo pari viikkoa ennen järistystä ja kasvoivat vielä suuremmiksi vain päivää ennen järistystä. Selitysmalleja ovat magneettiset ilmiöt tietyillä kiteisillä kivilajeilla,kun ne joutuvat suureen paineeseen, tai sähköä johtavan pohjaveden tunkeutuminen järistyksen aikaansaamiin kallionrakoihin,mutta mitään niistä ei ole suoraan pystytty yhdistämään sähkömagneettisiin ilmiöihin. QakeFinder-niminen yhtiö uskoo pystyvänsä mittamaan näitä vain alle nanoteslan suuruisia magneettikentän muutoksia matalalla lentävästä satelliitista. Kesäkuussa 2003 yhtiö laukaisi pienen, vain 10x10x30-senttisen QuakeSat-satelliitin tutkimaan tektonisen aktiivisuuden aiheuttamia magneettisignaaleja. Mukana myös suomalaisyritys Vaisala Oyj on toimittanut useita kymmeniä sääasemia Tyynen valtameren tsunamivaroituskeskukselle PTWC:lle (Pacific Tsunami Warning Center) Havaijille. Keskuksen toiminnasta ja tsunamivaroitusjärjestelmästä vastaa National Oceanic & Atmospheric Administration NOAA, joka on Yhdysvaltojen ilmaston ja merentutkimuslaitos, viestintäpäällikkö Liisa Ahtiluoto Vaisalasta kertoo. Vaisala on toimittanut sääasemia järjestelmään 1980-luvulta lähtien.niin sanottuja vuorovesisääasemia käytetään jatkuvaan merenpinnan valvomiseen. Sääasemissa on tiedonkeruujärjestelmä (Vaisala Data Collecting System), kaksi vedenalaista painemuunninta, sekä GOES (The Geostationary Operational Environmental Satellite Program) -telemetria. Vaisala on lisäksi toimittanut gsm-lähettimet sellaisiin asemiin, jotka ovat GOES-satelliittipalvelun ulkopuolella. Tiedonkeruujärjestelmä lähettää sääasemien keräämät tiedot meren pinnan liikkeistä keskukseen automaattisesti 3 4 tunnin välein. Järjestelmä on ohjelmoitu lähettämään myös hätäsanomia, mikäli veden pinnan korkeudessa ja liikkeissä tapahtuu yhtäkkisiä suuria muutoksia. Hätäsanoma käynnistää merenpinnan liikkeiden tarkemman seurannan tietyillä alueilla, ja samalla arvioidaan, ovatko muutokset mahdollisesti tsunamin aiheuttamia. Merenpintaa valvovien sääasemien lisäksi varoituskeskuksella on samaan verkkoon kytketty pintasääasemia, jotka mittaavat tuulen nopeutta ja suuntaa, lämpötilaa, suhteellista kosteutta ja ilmanpainetta, vedenpinnan alaista painetta ja lämpötilaa sekä kuplimista. Tyynen valtameren tsunamien varoitusjärjestelmässä on kaikkiaan 40 50 Vaisalan sääasemaa asennettuina laajalle alueelle Uudesta Seelannista Alaskaan ja Venäjälle. Myös Ilmatieteen laitos on mukana varoitusprojekteissa. Professori Petteri Taalas Ilmatieteen laitokselta kertoo, että laitos on ollut aktiivisesti kehittämässä varoitusjärjestelmiä kymmenissä maissa, ja parhaillaan on meneillään kehityshanke Karibian saarivaltiossa. PACIFIC Tsunami Warning Centerin (PTWC) merenpinnan korkeusanturien sijainti Tyynen valtameren alueella. Alueella on myös lukuisien muiden laitosten, muun muassa yliopistojen vastaavia systeemejä. Suomalainen Vaisala Oyj on toimittanut laitteistoja PTWC:n Tyynen valtameren havaintoasemille. kuksesta säteittäisesti lähtevän nopean aaltorintaman etenemistä. Tsunami-varoitusjärjestelmän koordinoinnissa keskeinen tekijä on UNESCO:n alaisuudessa toimiva Hallitustenvälinen Merentutkimusneuvosto IOC. Myös Suomi on osallisena IOC:n toiminnassa. Tsunami-aallon havainnointi perustuu sen aiheuttamaan paineaaltoon, joka mitataan avomerellä pohjaan ankkuroiduilla paineantureilla, jotka välittävät tiedon akustisesti pinnalla kelluvaan vastaanottimeen, joka puolestaan vie tiedon satelliitin välityksellä havaintoasemille. Tsunami-varoitusjärjestelmä perustuu havaintoasemaverkostoon, joka seuraa seismisiä tapahtumia ja veden korkeuden muutoksia.tsunami-varoitus annetaan havaintosignaalien osoittaessa yksittäisestä keskuksesta säteittäisesti lähtevän nopean aaltorintaman etenemistä. Tsunami-varoitusjärjestelmän koordinoinnissa keskeinen tekijä on UNESCO:n alaisuudessa toimiva Hallitustenvälinen Merentutkimusneuvosto IOC. Myös Suomi on mukana IOC:n toiminnassa. Tyynen valtameren alue sekä Kaliforniassa että Japanissa on erityisen altista tsunamien muodostumiselle, ja ensimmäiset varoitussysteemit rakennettiinkin Havaijille jo 1920-luvulla. Usein systeemit rakennettiin katastrofaalisten tsunami-onnettomuuksien jälkeen. Seuraavat kehittyneemmät järjestelmät rakennettiin 1946 ja 1960 tsunamin aiheutettua massiivisia tuhoja Hilolla Havaijilla. Yhdysvallat kehitti Pacific Tsunami Warning Centerin 1949 ja liitti sen kansainväliseen varoitusverkkoon 1965. Yksi varoitussysteemeistä kantaa nimeä CREST (Consolidaded Reporting of Earthquakes and Tsunamis), muita ovat muun muassa USGS. Lisäksi NOAA:lla, kansallisella meren- ja ilmakehän tutkimuslaitoksella, on oma verkkonsa, samoin kolmella yliopistolla. Intian valtamerelle järjestelmiä ei ole rakennettu, koska tsunamit ovat siellä hyvin harvinaisia tosin nyt katastrofin jälkeen varoitusjärjestelmää aletaan kehittää. Tsunamien ennustaminen on kuitenkin edelleenkin hyvin epätarkka tiede, koska on lähes mahdotonta ennustaa, milloin järistyksestä syntyy tsunami-aalto ja minne se suuntautuu, ja siksi väärät hälytykset ovat tavallisia. Tyynessä valtameressä on vain noin kahdeksankymmenen kilomerin päässä Kalifornia rannikosta vastaavanlainen mannerlaattojen yhtymäkohta kuin Sumatralla, joten
MOUNT St.Helens -tulivuori Yhdysvalloissa purkautuu räjähdysmäisesti 18. toukokuuta 1980. Purkauksen jälkeen huipusta on kadonnut 300 400 metriä. saman luokan maanjäristys ja tsunami ovat mahdollisia siellä koska hyvänsä. Japanille jäisi varoitusaikaa runsaasti, 18 tuntia, mutta Yhdysvalloille vain puolisen tuntia, mikä tuskin riittäisi kymmenien miljoonien asukkaiden kansoittaman Kalifornian rannikon evakuoimiseen. Tuloksena olisi paremmasta varustautumisesta ja rakentamisesta huolimatta megakatastrofi. Tulivuoret ja maanjäristykset kylvävät tuhoa Tulivuorten purkaukset ja maanjäristykset ilman tsunamiakin ovat tietyissä osissa maapalloa säännöllisesti toistuvia katastrofeja, joissa kuolee paljon ihmisiä. Nykytekniikasta huolimatta parhaimmillaankin luonnonkatastrofeja voidaan vain ennakoida, mutta ei ennustaa. Sumatran maanjäristys oli 9,3 Richterin voimakkuudeltaan suurin sitten vuoden 1964 Alaskan Prince William Soundin ja toiseksi suurin koko sinä aikana, jolloin maanjäristyksiä on pystytty mittaamaan. Suurin koskaan mitattu oli Chilessä toukokuussa 1960, jolloin arvoksi saatiin 9,5 Richteriä. Richterin asteikko on logaritminen, mikä tarkoittaa sitä, että yhtä numeroa suurempi järistys on kymmenkertainen. Tulivuoren purkauksista suurin tapahtui elokuussa 1883, kun Krakatao-niminen tulivuori Indonesiassa räjähti meriveden päästyä sen sisuksiin. Tunnetuin viimeaikainen on varmasti Mount St Helensin purkaus Yhdysvalloissa toukokuussa 1980, jolloin monta sataa metriä tulivuoren huippua räjähti taivaan tuuliin. Maanjäristyksiä mitataan seismografeilla, jotka alkuaan olivat langassa riippuvia painoja, joiden kärjessä oleva kynä piirsi seismogrammia, tai sitten jouseen sijoitettu paino ilmaisi pystysuoria tärähdyksiä. Nykyiset laitteet mittaavat samanaikaisesti järistysaaltoja kaikilta suunnilta, ja tietokone laskee nopeasti järistyksen paikan ja voimakkuuden. Nykytekniikasta huolimatta maanjäristyksiä ja tulivuorenpurkauksia ei pystytä ennustamaan edelleenkään kuin osittain. Yhdysvaltain avaruushallinto NASA kehittää kahta uutta avaruuskuvaukseen pohjautuvaa metodia, joista toisessa datafuusiolla yhdistetyistä tutkakuvista voidaan laskea maan liike, joka on vain mm:n luokkaa vuodessa. Toisessa menetelmässä käytetään infrapunakuvausta, koska maan pinnan on usein havaittu lämpenevän jopa neljäkin astetta hieman ennen maanjäristystä. Erikoisena ilmiönä on kautta aikain huomattu eläinten tavalla tai toisella aavistavan maanjäristykset ja tsunamit, muun muas- Tekniikan Maailma 4/2005 15
Euraasian laatta Pohjois-Amerikan laatta Aleuttien hautavajoama Tulikehä Putous (vajoama) alue San Andreasin repeämä Keski-Atlantin harjanne Arabian laatta Havaijin kuuma piste Kookoslaatta Javan hautavajoama Indo-Australian laatta Itäisen Tyynen valtameren kohouma Nascan laatta Etelä-Amerikan laatta Afrikan laatta Tyynen valtameren laatta Etelämantereen laatta SUURIMMAT maanjäristykset ja tulivuorenpurkaukset tapahtuvat alueilla, joissa mannerlaatat kohtaavat toisensa, niin kutsutulla tulikehällä. Tarkkaan ottaen nimityksellä tulikehä (Ring of Fire) tarkoitetaan vain Tyynen valtameren reuna-alueita. sa Sri Lankan ja Thaimaan rannoilta ei viimeisen tsunamin jäljiltä tavattu juuri lainkaan eläinten raatoja. Hurrikaanit riivaavat Yhdysvaltojen eteläosia ja Kaukoitää Hurrikaaniksi kutsuttu äärimmäinen sääilmiö syntyy hyvin lämpimän meriveden alueilla, muun muassa Karibianmerellä, Meksikonlahdella ja Tyynen valtameren Aasian puoleisilla alueilla. Hurrikaanin syntymisen edellytyksenä on, että veden lämpötila on vähintään 26,5 celsiusastetta. Hurrikaani saa energiansa ylöspäin nousevasta tiivistyvästä vesihöyrystä, kun sen piilevä lämpöenergia vapautuu ja lämmittää ylempiä ilmakerroksia. Hurrikaani voi olla kooltaan useita satoja kilometrejä oleva valtava pyörre, jonka niin sanottu coriolisvoima saa pyörimisliikkeeseen. Vaikka vain noin kymmenen prosenttia vedeksi tiivistyvän höyryn energiasta muuttuu hurrikaanin virtausten liike-energiaksi, vastaa sen koko- 16 Tekniikan Maailma 4/2005 YHDYSVALTAIN ilmakehän- ja merentutkimuslaitoksen NOAA:n alus tarkkailemassa aaltoja avomerellä.
GOES-satelliitti GOES-antenni GPS-antenni Valinnaiset anturit Tuuli Ilmanpaine Meren pintalämpötila ja johtokyky Ilman lämpötila/ suhteellinen kosteus RF-antenni RF-modeemi Kontrolliyksikkö Halkaisijaltaan 2,5 m:n poiju 4,2 tonnin uppouma TYYPILLINEN tsunamivaroitusaseman pinnalla kelluva linkkiasema, jolle merenpohjan paineanturi lähettää viestin akustisena. Asema lähettää viestin edelleen radioitse satelliitille, josta tieto palautuu maa-asemille. naisenergia jopa kymmenen megatonnin vetypommin räjäyttämistä joka kahdeskymmenes minuutti. Tällaisille trooppisille sykloneille annettu hurrikaani-nimi juontuu Karibian alueen pahan jumalan nimestä tai vielä kauempaa, sillä maya-intiaanien tuhoa puhaltava jumala oli nimeltään Huragao. Tornado on hurrikaanin pikkuveli, joita syntyy maa-alueiden yllä, erityisen paljon Yhdysvaltain Keski-Lännessä. Pienempiä tornadoja eli trombeja on koettu Suomessakin. Syntymekanismiltaan, kooltaan ja ylläpitomekanismiltaan hurrikaanit ja tornadot ovat kuitenkin aivan erilaisia. Hurrikaanit kehittyvät trooppisista matalapaineista ja ovat kooltaan jopa satoja kilometrejä. Tornado kehittyy aina yksittäisen ukkospilven nousuvirtauksen yhteyteen ja on halkaisijaltaan kymmenistä metreistä satoihin metreihin. Akustinen antenni Akustinen lähetin Akut Merkkilippu Kellutuslasipallot Akustinen signaali Tietokoneen keskusyksikkö Pohjapaineen tallennin Anturi Ankkuri 324 kg 25 mm:n ketju (3,5 m) Haruslukko 25 mm:n nailon 22 mm:n nailon 19 mm:n nailon 13 mm:n ketju (5 m) 3 086 kg Maan magneettiset navat vaihtamassa paikkaa? HUOLESTUMISTA tiedemiesten parissa ovat viime aikoina herättäneet Maan magneettikentän nopeutuva heikkeneminen ja magneettisten napojen liikkuminen. Sinänsä tässä ilmiössä ei ole mitään epätavallista, paleogeologiset tutkimukset todistavat Maan magneettinapojen vaihtaneen paikkaa noin miljoonan vuoden välein ainakin viimeiset 15 miljoonaa vuotta. Edellisestä vaihdosta on kulunut 790 000 vuotta. Myös Auringon magneettikenttä vaihtaa napaisuuttaan suunnilleen 11 vuoden välein, ja se näyttäisi liittyvän samalla aikavälillä esiintyvään auringonpilkkumaksimiin. Auringon dipolaarinen magneettikenttä on noin sata kertaa Maan vastaavaa vahvempi, suunnilleen 50 gaussia. Maan magneettikentän lähteestä ei edelleenkään olla aivan varmoja, sen oletetaan aiheutuvan kiinteän rautaytimen ja sitä ympäröivän nestemäisen rautaytimen epätahtisesta pyörimisestä, puhutaan hydromagneettisesta dynamosta. Maan magneettikentän intensiteetti on pudonnut jo kahden tuhannen viimeisen vuoden ajan, ja se on pienentynyt merkittävästi parin viimeisen vuosikymmenen kuluessa, jopa kymmenen prosenttia viimeksi kuluneina 150 vuotena. Pariisin observatorion tutkijan Gauthier Hulot n mukaan magneettikentän heikkeneminen on hälyttävintä napojen lähellä, ja tietokonemallit ennustavat juuri tällaista silloin, kun kenttä on vaihtamassa polariteettiaan. Jos kenttä voimakkaasti heikkenee tai peräti nollautuu muutosvaiheessa, sillä saattaisi olla dramaattisia vaikutuksia ihmiskunnalle. Kompassineulan entisen pohjoispään osoittaminen silloin etelään olisi vähäisin harmi. Magneettikentän kilven poistuessa matalalla lentävät satelliitit joutuisivat voimakkaan säteilyn kohteeksi ja vaurioituisivat. Ihmiset, eläimet ja kasvit saisivat huomattavan suuria säteilyannoksia, ja säteily kuumentaisi yläilmakehää, millä olisi ennalta arvaamattomia vaikutuksia Maan ilmastoon. Arvellaan, että Marsissa magneettikentän häviäminen puhalsi aikoinaan koko kaasukehän pois. Kukaan ei vielä tiedä, kuinka kauan muutos kestäisi, 1 000 vai 28 000 vuotta, ovat parhaita arvioita. Vaippa Kiinteä rautaydin Maanjäristysaaltojen nopein reitti Nestemäinen ulompi ydin Maan kuori MAAN magneettikentän uskotaan aiheutuvan kiinteän ja sitä ympäröivän nestemäisen rautaytimen eritahtisesta pyörimisestä, niin sanotusta hydromagneettisesta dynamosta. Tekniikan Maailma 4/2005 17
VAIN muutamia viikkoja Aasian tsunami-katastrofin jälkeen Yhdysvallat myönsi 29 miljoonaa euroa tsunamien ennakointi- ja varoitusjärjestelmän parantamiseksi Atlantin ja Tyynen valtameren, Karibianmeren ja Meksikonlahden alueella. Järjestelmän pyörittämiseen arvioidaan uppoavan 19 miljoonaa euroa vuodessa. Suunnitelman selkärankana on 32 erikoispoijun (DART) sijoittaminen alueella jo olevien kuuden valtamerisensorin lisäksi, näistä kuudesta tosin vain kolme toimii. Valtamerisensorit puuttuvat Atlantilta, jonne on tarkoitus ripotella viisi poijua, sillä siellä on tavattu yli 30 hyökyaaltoa viimeisen 150 vuoden aikana. Karibianmerellä on tehnyt tuhojaan yli 50 tsunamia samalla aikavälillä, ja nyt sinne sijoitetaan kaksi alueen ensimmäistä DART-poijua. Tämän lisäksi seismometrien määrää lisätään niin, että koko uudistettu järjestelmä toimisi vuoden 2007 puoliväliin mennessä. Mainittu summa ei ole läheskään riittävä järjestelmän parantamiseksi.rahoituksen tulee olla varmalla pohjalla, sillä budjetin leikkaaminen tulee helposti kyseeseen, kun katastrofista on 18 Tekniikan Maailma 4/2005 Satelliitit avuksi tsunamien ennakoinnissa kulunut tietty aika. Kun systeemi on jälleen romahduksen partaalla, uusi luonnonmullistus iskee, kritisoi byrokratian kiemurat tunteva geofyysikko Barry Hirshorn, joka työskentelee NOAA:n (National Oceanic and Atmospheric Administration) alaisuuteen kuuluvassa Pacific Tsunami Warning Centerissa Honolulun ulkopuolella. Maailmanlaajuisesti Yhdysvallat on mukana luomassa myös kattavaa, jatkuvaa ja yhtenäistä varoitusjärjestelmää GEOSS:n (Global Earth Observation System of Systems) kanssa. Siihen kuuluu 54 valtiota mukaan lukien Intia, Indonesia ja Thaimaa. Mitä mieltä olette kunnianhimoisesta suunnitelmasta, jonka mukaan tsunamien varoitusjärjestelmä kattaisi Intian valtameren jo vuonna 2006 ja koko maailman valtameret vuoteen 2007 mennessä? Kansainvälisen rahoituksen tarve on olennainen, ja ajallisesti nämä ovat pitkiä projekteja. DART-poijut ovat hyvin kalliita, mutta niitä tarvitaan lisää kaikkialla. Mikäli poijuja on tarpeeksi, ne antavat hyvin tarkan kuvan siitä, miltä itse tsunami näyttää ja millaisena se tulee törmäämään rantaan. Intian valtameressä vedenpainetta mittaavia antureita ja niiden keräämää dataa lähettäviä poijuja ei ole käytännöllisesti katsoen lainkaan Kookos-saaria lukuun ottamatta. Myös seismometrien määrää tulee lisätä, jotta maanjäristyksen paikka ja voimakkuus saadaan selville nopeammin. Mikä rooli Pacific Tsunami Warning Centerillä tulee olemaan maailmanlaajuisen varoitusjärjestelmän rakentamisessa? Voimme toimia konsultteina, koordinaattoreina ja mallijärjestelmänä uusille paikallis- ja aluekeskuksille, koska meillä on tarvittava teknologia ja tietotaito. Malesia on jo ottanut meihin suoraan yhteyttä, ja heillä on käytössään kehittämämme tietokoneohjelma sekä seismometrien verkosto. Indonesia sekä Väli- ja Etelä-Amerikka ovat aiemmin osoittaneet kiinnostusta paikallisteknologiaamme kohtaan, minkä ansiosta tsunami-varoitus voidaan antaa jo viisi minuuttia maanjäristyksen jälkeen. Tuleeko satelliittien käyttö tsunamien paikantamisessa lisääntymään tulevaisuudessa? Tällä hetkellä satelliitteja käytetään pääasiassa tiedonvälitykseen erikoispoijuista ja vedenpinta-antureista varoituskeskuksiin, mutta niiden käyttäminen vedenpinnan liikkeiden tarkkailussa vaikuttaa lupaavalta. Tämä teknologia on vielä lapsenkengissä, mutta mikäli satelliitteja on tarpeeksi, ja ne ovat oikeaan aikaan oikeassa paikassa, tieto katastrofin tapahtumapaikasta saadaan välittömästi selville ja tarvittaviin toimenpiteisiin voidaan ryhtyä aikaa tuhlaamatta. Johanna Juntunen GEOFYYSIKKO Barry Hirshorn työskentelee Pacific Tsunami Warning Centerissa.
Satelliittien aikakautena voidaan hurrikaanien muodostumista ja etenemistä seurata reaaliajassa, joten niiden aiheuttamat ihmishenkien menetykset ovat huomattavasti vähentyneet entisistä ajoista. Taloudelliset vauriot ovat edelleen suuria, ja esimerkiksi asuntovaunualueet ovat kuolemanloukkuja lämpimän ilmanalan maissa. Hurrikaanien syntymisen estämiseksi tai niiden kulkureitin muuttamiseksi on esitetty jos jonkinlaisia konsteja. On puhuttu muun muassa meriveden jäähdyttämisestä jäillä, maanpinnan lämmittämisestä nokea kylvämällä, hurrikaanin syrjään puhaltavien valtavien tuulettimien rakentamisesta ja jopa atomipommin käytöstä. Kaikkien suunnitelmien pahimpana puutteena on se, ettei ole ymmärretty, minkälaiset energiat hurrikaaneissa jylläävät. Hopeajodidin kylväminen pilviin vesipisaroiden tiivistymisytimiksi on paljon kokeiltu metodi, ja vaikka sillä on saatu aikaan paikallista menestystä, se on hurrikaanin kohdalla vain lasten leikkiä. Tiheä meteorologisten havaintoasemien verkosto ja satelliitit ovat tehneet hirmumyrskyjen seurannasta jo varsin eksaktia tiedettä. Myrskyjä voidaan nykyisin ennakoida jopa viikon varoitusajalla. Uutiskynnyksen ylittävät usein vain megaluokan katastrofit, mutta esimerkiksi tulvat aiheuttavat joka vuosi suurta tuhoa ja kärsimystä alavilla alueilla, kuten Bangladeshissa. Niiden ennakoiminen on helpompaa, mutta käytännön toimet tuhojen estämiseksi ovat vaikeita ja kalliita. Mutavyöryt saattavat pahimmillaan vaatia runsaastikin ihmisuhreja, esimerkiksi Venezuelan La Guairassa kuoli vuonna1999 mutavyöryihin yli 35 000 ihmistä. Metsäpaloissa ihmisiä kuolee harvemmin, koska niiden etenemistä voidaan seurata satelliitein. Lisäksi tuulitiedot ja digitaalikartat maan muodosta antavat ennustetta tulen leviämisestä, ja myös tulen leviämissuunnan palavan materiaalin määrä voidaan arvioida. Tulvissa on suurta apua satelliittikuviin yhdistetyistä digitaalisista maastonkorkeuskartoista, joilla voidaan ennustaa, miten hyökyaalto leviää maalla. Suomessakin on jo vuosikymmenen toiminut satelliittikuvia käyttävä täysautomaattinen maastopalojen hälytysjärjestelmä. Tuleeko lopullinen tuhoaja avaruudesta? Joulun tienoilla 2004 The Spacewatch Observatory Tucsonissa Arizonassa ja NEO (Near Earth Object Program) Kalifornian Jet Propulsion Laboratoryssa julkistivat alustavan ennusteen, että yli puolikilometrinen asteroidi nimeltä 2004 MN4 saattaisi iskeä Maahan todennäköisyydellä 1:300 vuonna 2029. Muutamia päiviä myöhemmin tarkistetut ratalaskelmat käytännössä poistivat tämän uuden uhan, mutta vastaavia kokkareita liikkuu avaruudessa kymmeniä tuhansia. Muutama niistä ohitti Maan astronomisesti katsoen käsivarren mitan päästä vuoden 2004 aikanakin. Samalla ilmoitettiin, ettei MN4 tulisi törmäämään myöskään Kuuhumme, joka tiedemiesten näkökulmasta katsoen olisi voinut olla äärimmäisen mielenkiintoinen tapahtuma. Noin pieni kappale ei Kuuta minnekään suistaisi, mutta antaisi paljon lisätietoa kosmisilla nopeuksilla tapahtuvien törmäysten kinetiikasta. Vaikka tilastollinen todennäköisyys huomattavaa tuhoa aiheuttavan taivaankappaleen törmäyksestä lähiaikoina onkin erittäin pieni, olisivat sen seuraukset pahimmillaan niin valtavat, että NASA-JPL päätti käynnistää NEO-projektin Maata mahdollisesti uhkaavien kappaleitten luetteloinnista ja silmälläpidosta. Syntyi PHA (Potentially Hazardous Asteroids) -lista, jossa vuodenvaihteessa laskettiin olevan 662 avaruuden kulkijaa, pääosin asteroideja. PHA:ksi laskettiin kappale, joka tuli alle 1,3 AU:n eli astronomisen yksikön (Maan ja Auringon keskietäisyys) päähän perihelissään eli ratansa lähimmässä pisteessä. Näitä etsintäohjelmia tunnetaan nykyisin NEO:n lisäksi kymmenkunta, muun muassa LINEAR (Lincoln Near-Earth Asteroid Research), NEAT (Near Earth Asteroid Tracking), LONEOS (Lowell Observatory Near-Earth Object Search) ja JSGA (Japanese Space-Guard Association). Ilmasto lämpenee vai lämpeneekö? Meitä vakavasti uhkaavien katastrofaalisten ilmiöiden ei aina tarvitse olla niin nopeita ja dramaattisia kuin maanjäristykset, tsunamit, hurrikaanit ja asteroidit. Ne voivat myös kehittyä hiljaa ja yllättää tulevaisuudessa, jolloin juuri mitään ei enää ole tehtävissä. Eniten keskustelua on viime aikoina aiheuttanut kasvihuoneilmiö eli ilmakehän lämpeneminen ihmisen teollisen toiminnan aikaansaamien kasvihuonekaasujen, ennen kaikkea hiilidioksidin ja metaanin aiheuttamana. Ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden lasketaan esiteollisena aikana olleen 280 ppm (parts per million eli miljoonasosaa tilavuudesta), vuonna 2000 se oli 368 ppm ja vuoteen 2100 mennessä sen arvioidaan nousevan 540 970 ppm:ään. Lämpötilan nousu tulisi näiden arvioiden pohjalta olemaan vuosina 1990 2100 1,4 5,8 celsiusastetta. IPCC (Intergovernemental Panel of Climate Change) päätyy raportissaan siihen, että keskilämpötilan nousu on vuodesta 1900 lähtien ollut 0,6 astetta, joka on suurempi kuin tuhanteen edeltävään vuoteen. Vuosina 1940 1970 lämpötilan nousu hidastui, ja joidenkin tutkijoiden mielestä ilmasto jopa jäähtyi ja keskiarvo olisi ollutkin vain 0,3 astetta. IPCC selittää tämän ilmassa olevilla rikkiaerosoleilla, jotka heijastivat auringon säteilyä. Aerosolien ja pölyn kokonaisvaikutus on kuitenkin vielä epäselvä. Tällaisten muutosten pitkäaikaiset vaikutukset, esimerkiksi meriveden lämpeneminen ja laajeneminen, joka nostaisi meren pintaa ja jättäisi alavat maat veden valtaan, jatkuisi vielä vuosituhansia, vaikka hiilidioksidin lisääminen ilmakehään lopetettaisiin nopeastikin. Vakavaa aihetta hämmentävät suuren yleisön mielessä yliampuvat tieteiselokuvat. Vastareaktioitakin on, esimerkiksi scifi-kirjailija Michael Crichton kutsuu uusimmassa State of Fear -romaanissaan kasvihuoneuskovaisia ekoterroristien klikiksi. Ilmaston lämpenemisen kehittymistä voimme mitata, vaikkemme sen seuraamuksia voisikaan luotettavasti ennustaa. Sen sijaan sellaisille säännöllisesti toistuville luonnonilmiöille kuin jääkausille tai vasta havaitulle Maan magneettisten napojen siirtymälle emme voi tehdä yhtään mitään. Jääkausi tekisi elämän mahdottomaksi suurelle osalle pohjoista pallonpuoliskoa vuosituhansiksi, magneettisten napojen siirtyminen puolestaan saattaisi alistaa meidät kosmiselle säteilylle ainakin jos magneettikenttä häviää kokonaan ennen muuttumistaan päinvastaiseksi, siis pohjoisnapa eteläksi ja päinvastoin. Geologiset todisteet kertovat, että molemmat ilmiöt tapahtuvat varsin säännöllisin välein Maan historian kulussa.