Geofysiikkaa 1700- ja 1800-luvun Euroopassa Heikki Nevanlinna Ilmatieteen laitos XXV Geofysiikan Päivät, Oulu 11.-12.5.2011 5/5/11
ESITYKSEN SISÄLTÖ Karakteristisia kehityslinjoja geofysiikan alalla 1700-luvulta 1800-luvun lopulle Suomessa ja muualla Euroopassa Näkökulma ja painotus on Ilmatieteen laitoksessa harjoitettu geofysiikka: meteorologia, geomagnetismi, revontulet jne. Esitysmateriaali (pdf) on täällä: http://www.space.fmi.fi/magn/gfp_nevanlinna/ 5/5/11 2
FYSIIKKAA 1700-LUVULLA Havaitseva tähtitiede ja Newtonin taivaanmekaniikka olivat keskeisiä tutkimusalueita. Maan muodon ja aurinkokunnan absoluuttisten dimensioiden selvittäminen olivat tärkeitä tutkimuskohteita Muissa empiirisissä tieteissä tutkimuksen malli otettiin tähtitieteestä: tarkat ja systemaattiset havainnot, aikasarjat ja syklisten ilmiöiden etsintä Auringon, Kuun ja planeettojen jaksollisten liikkeiden mukaan Sähkömagnetismia ei tunnettu: magneettiset ja sähköiset ilmiöt katsottiin fysikaalisesti eri ilmiöiksi ja niistä haettiin lainalaisuuksia Newtonin mekaniikan mukaan (esim. Coulombin laki) F N = G m 1 m 2 r 12 2 ˆ r 12 Newtonin gravitaatiolaki 1687 F C = k q 1 q 2 r 12 2 ˆ r 12 Coulombin laki 1786 5/5/11 3
GEOFYSIIKKAA 1700-LUVULLA Ennätyskylmä (1500-2000) talvi 1708-09 ja sen jälkeen voimakas lämpenemisen kymmenvuotisperiodi. Näiden innoittamana lämpötilahavaintoja käynnistettiin eri puolilla Eurooppaa. Lämpömittarit ja -asteikot otettiin laajempaan käyttöön. Kiinnostus pohjoisten alueiden säähän ja ilmastoon kasvaa 1700-luvun valistus- ja hyötyajan hallitsijat näkivät, että ilmastollisilla olosuhteilla oli kansantaloudellista merkitystä mm. maanviljelyssä ja alamaisten terveydentilaan. Tämä kannusti systemaattisten ilmastotietojen kokoamisen eri maissa Meteorologisten havaintojen systematisointi tapahtui 1780-luvulla Saksassa Mannheimin Meteorologisen Seuran (1780-1795) koordinoimana yli 30:ssa maassa, myös Suomessa (useilla paikkakunnilla) Meteorologisten ilmiöiden katsottiin seuraavan lähinnä astronomisten tekijöiden säännöllisiä muutoksia (auringon, kuun ja planeettojen liikkeitä). Tuntemalla meteorologisten vaihteluiden syyt voitaisiin laatia ennusteita mm. maanviljelyä varten 5/5/11 4
GEOFYSIIKKAA 1700-LUVULLA Systemaattiset revontulihavainnot Euroopassa alkavat paljolti 17.3.1716 tapahtuneet voimakkaan revontulimyrskyn inspiroimana (de Mairain, Halley) Samalla päättyi auringon aktiivisuuden ns. Maunderin minimi, jonka aikana revontulia ei nähty Keski-Euroopassa yli 50 vuoteen juuri lainkaan. Aktiivisten revontulien esiintyminen samanaikaisesti magneettikentän häiriöiden kanssa merkittävin avaruussäähavainto (1.3.1741; Celsius, Hjorter, Graham) Kansainvälinen vuorovaikuttava tiedeyhteisö muodostuu uusien tiedeakatemioiden ja -seurojen verkostosta. Koordinoituja havaintoja (mm. maapallon astemittaukset ja Venus-ohikulku) 5/5/11 5
GEOFYSIIKKAA 1700-LUVULLA SUOMESSA Säännölliset meteorologiset havainnot Turun Akatemiassa käynnistyvät v. 1748 (Leche), mutta ensimmäiset mittaukset jo 1730-luvulla (Spöring) Revontulien esiintymisiä tilastoitiin säähavaintojen yhteydessä. Vanhan aristotelisen ajattelumallin mukaan revontulet ovat osa ilmakehän meteorologisia tapahtumia Itämeren vedenvähennys (nyk. postglasiaalinen maannousu) kiinnostuksen kohteena Ranskan Tiedeakatemian astemittaukset Tornionlaaksossa Maupertuisin johdolla (1736-37). Suomen geodeettiset mittaukset käynnistyivät 1748 (Turku-Ahvenanmaa) (Gadolin) Maupertuisin geodeettisen retkikunnan muistomerkki Ylitornion Aavasaksalla 5/5/11 6
TUTKIMUS ORGANISOITUU Suuri Pohjan sota (1700-1721) ja Isoviha Suomessa (1713-1721) lamauttivat yliopisto-opetuksen ja tutkimuksen Ruotsissa ja Suomessa Tiede elpyy sodan jälkeen: Kungliga Svenska Vetenskapsakademien perustetaan v. 1739. Newtonin taivaanmekaniikka, differentiaali- ja integraalilaskenta saapuvat valtakuntaan (Wallenius) Tutkimuksessa teologiasidonnaisuus vähenee: Hyödyn aikakausi (1718-1772) korosti tutkimuksen käytännöllisiä ja taloudellisia tuloksia. Näitä tarvittiin, koska valtakunnat olivat suuresti köyhtyneet Suuren Pohjan sodan aikana Kuninkaallinen Suomen Talousseura perustetaan v. 1797. Meteorologiset ja fenologiset (jäiden lähtö, muuttolinnut, kevään tulo, järvien jäätyminen jne.) havainnot saavat valtakunnallisesti kattavammat muodot 5/5/11 7
Tähtitieteelliset observatoriot geofysikaalisten havaintojen esikuvina Keisari Nikolai I Turun Akatemian observatorio 1796-1855 (1819) (Bass & Engel) Helsingin yliopiston observatorio (1834) (Engel) 5/5/11 8
Ilmatieteen laitos perustetaan v. 1838 Keisari Nikolai I 1796-1855 28.3.1838 Venäjän Keisari Nikolai I allekirjoitti Pietarissa laitoksen perustamisjulistuksen, jossa luki:... Me olemme armollisesti päättäneet, että Suomen Aleksanterin Yliopistoon perustetaan Magneettinen Observatorio, mikä täten Konsistorille tehdään tiettäväksi... 5/5/11 9
Magneettinen observatorio J.J. Nervander Keisari 1805-1848 Nikolai I 1796-1855 Keisarin päätöksen mukaan määrättiin vielä, että:... Olemme myös nähneet armollisesti hyväksi nimittää Yliopiston adjunktin Johan Jacob Nervanderin Observatorion esimieheksi... 5/5/11 10
Ensimmäisiä magneettis-meteorologisia observatorioita Näkymä 1800-luvun magneettisen observatorion havaintosaliin (Lontoo) Lontoo 1817 Pariisi 1818 Kazan 1824 Berliini 1827 Pietari 1829 Praha 1830 Göttingen 1833 Dublin 1834 Helsinki 1838 Washington 1840 Toronto 1840 Kapkaupunki 1840 Bombay 1840 Singapore 1840 Oslo 1843 5/5/11 11
Ensimmäiset magneettis-meteorologiset observatoriot Venäjällä ja Suomessa HEL = Helsinki, STP = Pietari, EKA = Ekaterinburg, BAR = Barnaul, NER = Nertchinsk, PEK = Peking ja SIT = Sitka. Observatorioiden havainto-ohjelma alkoi vuonna 1837 (STP ja EKA), 1838 (BAR), 1844 (HEL), 1850 (SIT) ja 1851 (PEK) 5/5/11 12
Observatorio- ja havaintoverkot tänään Maapallon magneettiset observatoriot v. 2009. Toiminnassa noin 160. Suomessa IL:n Nurmijärvi ja Sodankylä (Oulun yliopisto) Meteorologiset pintahavaintoasemat v. 2009. Havaintopaikkoja on tuhansia. 5/5/11 13
Ensimmäiset magneettis-meteorologiset Euroopassa ennen vuotta 1860 5/5/11 14
Ensimmäiset magneettis-meteorologiset maailmalla ennen vuotta 1860 5/5/11 15
Miksi magneettinen observatorio perustettiin - 1? Hypoteesi: Ilman lämpötilan muutokset säätelevät magneettikentän vaihteluja Sähkömagneettisten ilmiöiden keksiminen 1800-luvun alussa oli fysiikan tutkimuksen suurimpia saavutuksia kautta aikojen. 1800-luvun ajattelun mukaan magneettikentän vuorokautinen ja vuodenaikainen vaihtelu selittyi Auringon lämmittävästä vaikutuksesta aiheutuvista lämpösähköisistä virroista. Näin meteorologisten ja magneettisten ilmiöiden välillä ajateltiin olevan syy-seuraussuhde Uskottiin, että tiedemiehiä vuosisatoja askarruttanut kysymys Maan magneettikentän fysikaalisesta olemuksesta on ratkeamassa sähkömagnetismin kautta eli maapallo on suuri sähkömagneetti. Sähkömagneettinen geofysiikka alkaa H.C. Örsted (1777-1851) Sähkömagneettisten ilmiöiden keksijä (1820) 5/5/11 16
1800-luku: Magneettikentän vaihtelu seuraa ulkoilman lämpötilaa ja auringon säteilyä: syy-seuraussuhde? 2 6 Kompassin eranto (min) 1 0-1 -2-3 LÄMPÖ- TILA ERANTO VUOROKAUSI- VAIHTELU 9 12 Lämpötila ( C) Erannon (deklinaation) vuorokautinen vaihtelu ( ) 0.25 0.20 0.15 0.10 VUODENAIKAISVAIHTELU AURINGON- PAISTETUNNIT ERANTO 300 200 100 Auringonpaistetunnit -4 0 3 6 9 12 15 18 21 15 2 4 6 Kuukausi 8 10 12 Tunti (h) 5/5/11 17
Miksi magneettinen observatorio perustettiin - 2? Magnetismin ja lämpötilavaihtelujen yhteyksien selvittämiseksi perustettiin kansainvälisinä hankkeina magneettis-meteorologisia observatorioita eri puolille maapalloa lyhyessa ajassa 1840-luvulla. The Magnetic Crusade kuten hanketta alan anglosaksisessa kirjallisuudessa kutsutaan oli 1840-luvun kansainvälinen tieteellinen suurhanke Observatorion toiminnan periaatteet olivat puhtaasti tieteellisiä, käytännön tavoitteet tulivat mukaan vasta paljon myöhemmin Venäjällä Keisari Nikolai suosi yliopistoissa luonnontieteellisiä aloja, joita tuettiin avokätisesti. Näköpiirissä oli nousevan sähkömagnetismin tutkimuksen käytännön hyödyt sotilassovellutuksineen (esim. lennätin) Merkittävä tuki Suomen havaintotoiminnalle koko 1800- luvun tuli Pietarin Fysiikan Keskusobservatoriosta, joka perustettiin vuonna 1833 Pietarin (Pulkovo) keskusobservatorion aerologinen asema 1800-luvun lopulla 5/5/11 18
Apurakennus Helsingin magneettisen observatorion ns. absoluuttihuone 1845-1922. Suunnittelu E.B.Lohrmann (1803-1870). Rakennus sijaitsi nykyisen Kaisaniemen koulun paikalla Kaisaniemen koulu Helsingin magneettis-meteorologinen observatorio Päärakennus Helsingin observatorion havainto- ja asuinrakennus (1841-1963) Kaisaniemessä. Muunneltu vaatimattomammaksi C.L. Engelin alkuperäisistä piirustuksista. 5/5/11 19
Observatoriohavainnot alkavat 1.7.1844 Observatorion havaintosali 1900-luvun alussa. Taustalla kirkontornia muistuttavassa rakennelmassa olivat havaintomagneetit Havainto-ohjelmaan kuuluivat magneettiset ja meteorologiset mittaukset Magnetismi: 6 x 3 havaintoa tunnissa Meteorologia: Lämpötila, paine, tuuli 3 kertaa tunnissa. Havaintoja tehtiin 24/7- periaatteella läpi vuoden 12 havaitsijan voimin Yhteensä noin 700 havaintolukemaa vuorokaudessa Observatorio oli Yliopiston suurin ja kallein yksikkö 5/5/11 20
Nervander tutkijana Tutkimukset kohdistuivat maan magneettikentän vaihteluihin ja meteorologisiin aikasarjoihin Helsingin observatorion havainnoista Käynnisti Suomen valtakunnallisen ilmaston fenologisen havaintoohjelman (1846-1852) Aloitti observatorion havaintojen julkaisemisen, jotka valmistuivat postuumisti v. 1852 Palkittiin Pietarin Tiedeakatemian Demidovin palkinnolla v. 1844 (Nobelin palkinnon esikuva) Pietarin Tiedeakatemiarakennus Pavel Demidov 1798-1840 5/5/11 21
Nervanderin tangenttibussoli eli galvanometri Galvanometri on sähkövirran mittalaite, jossa magneettineulan kääntymiskulma sähkövirran aiheuttamassa magneettikentässä on verrannollinen johtimessa kulkevaan sähkövirtaan. Nervanderin laitteesta julkaistiin artikkeli Pariisin Tiedeakatemian sarjassa v. 1830 Nervanderin tangenttibussolin alkuperäisversio v. 1833 (Helsingin yliopistomuseo) IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, June 2008 Nervanderin tangenttibussolin replika v. 2007 (diplomityö, Jukka Venermo, TKK) 5/5/11 22
Meteorologiaa Helsingin observatoriossa Havaintokohteet observatoriossa: Lämpötila (Reaumurasteikko), ilmanpaine, pilvisyys ja tuuli, sademäärä ja revontulet Useimmat havainnot kerran tunnissa. Havaintolaitteiden toimintaperiaatteet pysyivät samoina aina 1900-luvulle saakka Ilmastohavainnot alkavat v. 1846 viidellä asemalla (mm. Oulu). Lisäksi fenologisia havaintoja kymmenissä paikoissa eri puolilla Suomea 5/5/11 23
Societas Meteorologica Palatina 1780-1795 Saksalainen Mannheimin meteorologinen seura organisoi Euroopassa systemaattisia päivittäisiä meteorologisia havaintoja. Mukana enimmillään 30 valtiota yli 10 vuoden ajan. Toiminta tyrehtyi Napoleonin ajan sotiin Havainto-ohjelma toteutettiin samanlaisilla kalibroiduilla instrumenteilla. Havaintotulokset julkaistiin. Esikuva 1800-luvun meteorologisille havainnoille, myös Helsingin observatoriolle 5/5/11 24
Societas Meteorologica Palatina 1780-1795 Mannheimin Meteorologisen Seuran havaintoasemat Euroopassa. Sääasemat oli annettu yliopistojen tai luostareiden vastuulle. Vain osa asemista oli toiminnassa koko havaintokauden 1780-1795 5/5/11 25
Societas Meteorologica Palatina 1780-1795 Mannheimin Meteorologisen Seuran havaintoasemat Keski- Euroopassa 5/5/11 26
Societas Meteorologica Palatina 1780-1795 Mannheimin Meteorologiseen Seuraan kuuluneen Hohenpeissenbergin aseman lämpötilahavainnot 1781-2010 Asema on tänään DWD:n (Deutsche Wetterdienst) meteorologinen observatorio Pitkät havaintosarjat antavat arvokasta tietoa mm. ilmastonmuutoksesta Euroopassa (Luterbacher et al., European seasonal and annual temperature variability, trends and extremes since A.D. 1500, Science, 303, 1499-1502, 2004) 5/5/11 27
Avaruussään vaihtelut geomagneettisista mittauksista 1844-2011 Punainen: Avaruussääaktiivisuus Helsingin magneettisen observatorion havaintojen mukaan 1844-1890 Sininen: Avaruussääaktiivisuus globaalin aineiston perusteella 1868-2011 5/5/11 28
IL: yliopistolta Tiedeseuralle 1881 Magneettis-meteorologinen observatorio siirtyi Yliopistolta Suomen Tiedeseuralle vuonna 1881. Meteorologinen Valiokunta ylin päättävä elin Laitoksen nimeksi muotoiltiin Venäjän Keisarin Aleksanteri III:n allekirjoittamalla asetuksella Suomen Tiedeseuran Meteorologillinen Päälaitos Nimenmuutos kertoi toimintojen painopisteen siirtymisestä meteorologian puolelle Laitoksen johtajaksi nimitettiin v. 1881 N.K.Nordenskiöld (1837-1889) 5/5/11 29
1. Polaarivuosi 1882-1883 Sodankylässä Sodankylässä toimi yksi Polaarivuoden 12:sta kansainvälisestä observatoriosta 1882-1883(1884) Kyseessä oli merkittävä kansallinen panostus geofysiikan kansainvälisessä tiedeyhteisössä. Suomi profiloitui Venäjästä riippumattomana itsenäisenä toimijana Keskeisin vaikuttaja ja organisaattori oli HY:n fysiikan professori Selim Lemström (1838-1904) Sodankylän Polaarivuoden observatorion havaintorakennuksia 4. Polaarivuosi 2007-2009 5/5/11 30
IL:n sääpalvelu alkaa vuonna 1881 Nordenskiöldin johtajakaudella (1881-1889) laitoksen toimintoja suunnattiin tutkimuksesta palveluihin. Sääsähkeita alettiin julkaista keskeisissä päivälehdissä (mm. Hufvudstadsbladet ja Uusi Suometar) vuonna 1881 Synoptisia sääkarttoja ja sääennusteita sanomalehtiin ja rautatieasemille vuonna 1885 Merenkulun edustajat toivoivat päivittäisiä myrskyvaroituksia, mutta Laitoksella ei ollut siihen resursseja Ensimmäisiä sanomalehdissä painettuja sääkatsauksia (Wirallinen Lehti, joulukuu 1885) Säätietojen astrometeorologiset ennustemerkinnät poistettiin kalenterista vuodesta 1886 lähtien 5/5/11 31
Selim Lemström: Nervanderin töiden jatkaja Selim Lemström (1838-1904). Helsingin yliopiston fysiikan professori, Meteor. Keskuslaitoksen vt. johtaja 1889-1890, Meteor.Valiokunnan jäsen 1882-1894 Suomen organisaattori Ensimmäisen kansainvälisen polaarivuoden ohjelmassa 1882-83 Tutki revontulia ilmakehän salamien kaltaisina sähköpurkauksina. Lemströmin revontuliteoria 1880-luvulla oli kansainvälisessä tiedeyhteisössä ilmiön hyväksytyin selitysmalli. Tutkimusalue nykyisin: avaruussää Nervanderin ohella 1800- luvun geofyysikoista kansainvälisesti merkittävin tutkija ja tiedevaikuttaja 5/5/11 32
Tiedeseuran perinnönjako Ilmatieteellisen Keskuslaitoksen henkilökuntaa perheineen 1920luvulla Kaisaniemessä. Henkilökunnan määrä oli noin 20. Tiedeseurasta irroitettiin uusina itsenäisinä tutkimuslaitoksina Meteorologinen Keskuslaitos Valtioneuvoston 15.11.1918 antamalla asetuksella Maatalousministeriön alaisuuteen ja Merentutkimuslaitos (asetus 19.11.1918), jolle siirrettiin meteorologian puolelta mm. merenpinnan korkeusmittaukset ja jäätutkimus. Laitos kuului Kauppa- ja teollisuusministeriöön. Nykyisin sen toiminnot on jaettu IL:n ja SYKE:n kesken (2009-) Vuonna 1918 Itsenäisen aseman vakiinnutti myös sisävesien tutkimusyksikkö Hydrografinen toimisto toimisto nykyisin osana Suomen Ympäristökeskuksen toimintaa 5/5/11 33
Organisatorisia kehityslinjoja IL & SGO Lapin Ilmatieteellinen Tutkimuskeskus Sodankylä 2001- Ilmatieteen laitos (IL) 1968- Ilmatieteellinen Keskuslaitos 1934-1968 Oulun Yliopiston Sodankylän Geofysiikan Observatorio (SGO) 1997- Jokioisten Observatorio 1957- Sodankylän Observatorio 1949-2001 Nurmijärven Observatorio 1953- Valtion Meteorologinen Keskuslaitos 1918-1934 Suomen Tiedeseuran Meteorologillinen Päälaitos 1881-1918 Suomalaisen Tiedeakatemian Sodankylän Geofysiikan Observatorio 1913-1997 Suomen Tiedeseuran Sodankylän Observatorio (I Polaarivuosi) 1882-1884 Ilmalan Observatorio 1912-1967 Helsingin Yliopiston Magneettinen Observatorio 1838-1881 Petsamon observatorio II Polaarivuosi 1932-33 5/5/11 34
PÄÄTELMIÄ 1700- ja 1800-luku: Kaikilla geofysiikan aloilla syvällisempi teorianmuodostus jäi vähäiseksi verrattuna 1900-luvulla saavutettuihin tuloksiin Parasta antia olivat hyvin suunnitellut ja dokumentoidut geofysikaaliset mittaukset ja observatoriotoiminnot maapallonlaajuisine havainto-ohjelmineen, jotka kohdistuivat mm. maapallon ilmakehään, vesikehään ja geomagnetismiin ja niissä havaittuihin muutoksiin. Useat 1800-luvun geofysikaaliset havaintosarjat ovat edelleen käyttökelpoisia tutkimuksessa. Pitkät vuosisataiset havaintosarjat ovat arvokkaita mm. ilmastonmuutostutkimuksissa ja aurinko-maa vuorovaikutuksien analysoinnissa (avaruusilmasto). 1800-luvun alun tieteellinen innostus sähkömagnetismiin ja pyrkimys sen kautta luomaan fysikaalista yhtenäisteoriaa ilmakehän meteorologisten, sähköisten (revontulet ja ilmasähkö) ja magneettisten ilmiöiden välille ei tuottanut odotettuja tuloksia 1800-luvun loppuun mennessä. Tieteenalat erityivät omiksi aloikseen. 5/5/11 35
Vuonna 2013: Ilmatieteen laitos 175 v. OY:n Sodankylän Geofysiikan Observatorio 100 v. PR-hyöty. Miten huomioidaan? 5/5/11 36