torstai 21. heinäkuuta 2016

Kirjauutuus kertoo ilmakehän ilmiöistä

Jari Luomanen
Ilmakehän ilmiöt – Synty, havaitseminen ja valokuvaaminen
Ursa ry.
ISBN 978-952-5985-37-5
Nid. 226 sivua.

Ilmakehässä esiintyvät ilmiöt, olivatpa ne sitten haloja, pilviä tai melkein mitä muuta tahansa, ovat asiaa harrastamattomille tuiki tuntemattomia. Ainostaan sateenkaari tekee tässä listassa poikkeuksen, sen varmasti tunnistaa jokainen vaikka sen syntymistä ei tietäisikään.

Ursan kustannusohjelmassa ilmakehään liittyvät kirjat ovat jo aikaisemminkin olleet hyvin edustettuna. Ne ovat jossain määrin olleet ns. asiantuntijakirjoja, joiden kirjoittajien legitimiteetti perustuu enemmän tai vähemmän ammattiin. Jari Luomasen kirja Ilmakehän ilmiöt perustuu hieman toisenlaiseen lähtökohtaan, nimittäin harrastajien kannalta tarkasteluun. Hyvä näin, sillä tämän näkökulma täydentää mitä parhaiten aikaisempien kirjojen antia.

Kirjan sisällöstä saa hyvä käsityksen vilkaisemalla sisällysluetteloa. Aluksi käsitellään hieman ilmakehän optisia ilmiöitä, sirontaa vesipisaroissa ja pienhiukkasissa. Tämän jälkeen päästää itse asiaan: haloilmiöt, kangastuksen helmiäispilvet, revontulet ja ilmahehku ja vaikkapa erilaiset pilvi-ilmiöt, vain poimiakseni muutamia otsikoita. Otsikot kertovat jo sen mikä kirjassa on oleellista, siinä esitellään kaikki yleisimmät ilmakehän ilmiöt.

Ilmakehäilmiöiden harrastajana Jari Luomanen antaa tietysti opastusta ja neuvoja näiden ilmiöiden harrastamiseen. Näin kokeneen harrastajan vuosien mittaan keräämä käytännön tietotaito voi helpommin siirtyä vasta-alkajille ilman, että kaikki täytyisi oppia ’kantapään kautta’.  Niinpä jos olet kiinnostunut havaitsemaan haloja tai valokuvaamaan sateenkaaria, tästä kirjasta löytyy neuvot lähes kysymykseen kuin kysymykseen.

Pieni kritiikin poikanen, johon kustannustoimittaja olisi voinut puuttua. Kirjassa, etenkin harrastusta käsittelevässä osassa esiintyy yksi sana, jonka itse asetin poikottiin Ursa Minor -lehden päätoimitajana. Se sana on ”kannattaa”. Sana esiintyy lähes jokaisessa kappaleessa, joissakin jopa kaksi tai kolme kertaa. Kirjoittaja (samoin kuin kustannustoimittaja) olisi voinut keksiä monipuolisempia ja elävämpiä ilmaisuja hyödyllisen opastuksen kertomiseen. Puhekielessä sanan käyttö vielä menettelee, mutta painetussa tekstissä se runsaasti käytettynä ennen pitkää alkaa ”hyppiä silmille”.

Ilmakehän ilmiöt on kirja, jonka mahdollinen lukijakunta koostuu hyvin monenlaisesta harrastajajoukosta. Leppoisimmillaan se voi olla hyvää luettavaa kesämökin riippumatossa tai laiturilla, ja vakavimmillaan hyvä opas mielenkiintoisen harrastuksen alkuvaiheessa, eikä vain alkuvaiheessa, sillä kirjasta löytyy varmasti jokaiselle jotain! Suosittelen       Kari A. Kuure


lauantai 16. heinäkuuta 2016

Kosmologiapalkinto gravitaatioaaltojen havaitsijoille

Gravitaatioaaltojen havaitut avaruudenvärähtelyt. Kuva Caltech/MIT/LIGO Lab
Guber säätiön kosmologiapalkinto on luovutettu kolmelle gravitaatioaaltojen löytäjälle ja heidän tutkimusryhmälleen. Palkinnon saajat ovat Ronald Drever, Kip Thorne ja Rainer Weiss. Palkinto luovutettiin heinäkuun 12. Päivänä 21. Kansainvälisessä suhteellisuusteoria ja gravitaatio konferenssissa (21st International Conference on General Relativity and Gravitation) Columbia yliopistossa New Yorkissa.

Palkinto koostui kunniakirjan ja kultamitalin lisäksi 500 000 dollarin rahasummasta, joka jaetaan kolmen palkinnon saajan kesken. ”Tutkijoista ja insinööreistä koostuvan työryhmän monen vuoden kova työ huipentui todella tärkeään löytöön. Tämän havainnon myötä, he eivät ole vain vahvistaneet Einsteinin gravitaatioteoriaa, van myös avanneet uuden alan havaitsevaan tähtitieteeseen”, sanoin Gruber säätiön Kosmologia palkinnon valintalautakunnan puheenjohtaja Robert Kennincutt.

Garvitaatioaaltoja havaittiin ensimmäisen kerran viime syyskuussa tehdyissä havainnoissa Laser Interferometer Gravitational‐Wave Observatory (LIGO) laitteistoilla Hanfordissa (Washington) ja 

Livingstonessa (Luisiana). Löydöstä on kerrottu tämän blogin artikkelissa

ja toisesta löydöstä artikkelissa


Ronald Drever. Kuva IAU.

Kip Thorne. Kuva IAU.

Rainer Weiss. Kuva IAU.

torstai 7. heinäkuuta 2016

Kirjauutuus gravitaatioaaltojen jäljillä

Janna Levin

Mustan aukon blues

ja muita ääniä ulkoavaruudesta
Suomentanut Markus Hotakainen
Ursa ry. 2016
ISBN 978-952-5985-35-1
Nid. 236 sivua

Gravitaatioaaltojen tutkimus on nytkähtänyt viimeisen vuoden aikana merkittävästi eteenpäin ensimmäisten havaintojen myötä. Tähän pisteeseen pääseminen on vaatinut tuhansilta ihmisiltä valtavasti työtä monella mantereella. Silti tälläkin alalla on omat yksinäiset pioneerinsa, joiden usein varmasti turhauttavaltakin tuntunut työ ja usko onnistuneeseen lopputulokseen on ollut välttämätöntä. Jos jotkut heistä olisi ”heittänyt kintaat tiskiin”, tutkijat eivät varmastikaan olisi vielä viime syyskuussa tehneet läpimurtohavaintoa.  Itse asiassa kyse oli vain yhdestä tunnista, johon koko gravitaatioaaltojen havaintohistoria huipentui.

Janna Levin on siis kirjoittanut kirjan gravitaatiotutkimuksen historiasta, ei niinkään fysiikasta vaan enemmän niistä ihmisistä, joiden työpanos on tavalla tai toisella johtanut Advance LIGO observatorioiden suunnitteluun ja rakentamiseen.  Itse tutkimustyö näillä pioneereilla, ei kenelläkään, ole ollut helppoa, niin kuin se ei ole helppoa muillakaan tieteenaloilla. Gravitaatiotutkimuksen pioneerit ovat taistelleet omasta paikastaan, tutkimusten rahoituksista ja koko työn oikeutuksesta. Välillä on riidelty, kiusattu, jätetty huomiotta, annettu potkuja, siirretty toisiin tehtäviin jne. ehkä enemmän kuin missään muualla, tai ehkä ei sittenkään.

LIGO Hanford. Kuva Caltech/MIT/LIGO Lab.
Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) on ollut monivaiheinen tehtävä ennen kuin kaikki on ollut valmista. Se aloitettiin jo 1980-luvulla 40 metrin testilaitteistolla, jolla kehitettiin havaintotekniikkaa. Tällä laitteistolla kukaan tutkijoista ei edes odottanut havaittavan oikeasti gravitaatioaaltoja.  

Täysimittaisten observatorioiden rakentamiseen päästiin vasta 1994, jolloin Yhdysvaltain budjettiin myönnettiin 395 miljoonan dollarin määräraha rakentamisen aloittamiseen. Vielä saman vuonna rakennustyöt aloitettiin Hanfordissa (Washington) ja seuraavana vuonna Livingstonissa (Louisiana).

Ensimmäinen havaintokausi käynnistyi vuonna 2002 ja kesti vuoteen 2010 asti. Tänä aikana ei kuitenkaan havaittu gravitaatioaaltoja. Oikeastaan tutkijat eivät näin uskoneet edes käyvän, sillä samaan aikaan kehitettiin uutta tekniikkaa herkkyyden parantamiseksi ja kohinan vähentämiseksi. Havaintojen keskeyttämisen jälkeen observatoriot kokivat lähes täydellisen muutoksen, vain alkuperäiset 4 km mittaiset tyhjiöputket olivat ensimmäisen vaiheen LIGOsta jäljellä. Uudistetut observatoriot saivat nimikseen Advanced LIGO.

Suunnitellun aikataulun mukaan observatorioiden käyttöönotto piti tapahtua syyskuun puolivälissä 2015. Laitteiston virittäminen kuitenkin oli vienyt niin paljon aikaa, että varsinaista käyttöönottoa oli päätetty lykätä viikolla tai parilla. Alkuperäisen suunnitelman mukaisen käyttöönottoviikonloppuna tehtiin virityksiä. Laitteisto saatiin viimein lukittua sunnuntai-iltana syyskuun 13. päivänä Hanfordissa ja laitteisto jätettiin havaintomoodiin. Livingstonissa tehtiin sama varhain maanantaiaamuna syyskuun 14. päivänä. Mitä sitten tapahtui, voit lukea sen itse kirjasta! – Kari A. Kuure.


Vuoden loppuun lisätään karkaussekunti

Maapallon pyörimisen hidastyminen aiheuttaa
karkaussekunnin lissämistarpeen. Kaaviossa on
esitetty hidastumisen aiheuttamat aikajärjestelmän
muutokset.
International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS) on päättänyt lisätä karkaussekunnin tämän vuoden loppuun. Sekunti lisätään UTC [1]aikaan (1.1.2017 kello 1.59.59 Suomen aikaa) seuraavasti:
2016 December 31, 23 h 59 m 59 s
2016 December 31, 23 h 59 m 60 s
2017 January 1, 0 h 0 m 0 s

Karkaussekunnin lisäämistarve johtuu maapallon pyörimisen hidastumisesta, joka lisää vuorokauden pituutta nykyisin noin 1,7 ms vuosisadassa. Maapallon pyörimistä hidastaa[2] vuorovesi-ilmiö ja maapallolla tapahtuvat massojen siirtymiset sekä jotkut meteorologiset ilmiöt. Esimerkiksi talvella lumipeitteen kertyminen napa-alueille nopeuttaa pyörimistä ja vastaavasti keväällä lumien sulaminen ja virtaaminen meriin hidastaa pyörimistä. Lisäksi seismisten ilmiöiden, esimerkiksi maanjäristysten aiheuttamat massojen siirtymiset voivat vaikuttaa maapallon pyörimisnopeuteen.

IERSn havainnot maapallon pyörimisen hidastumisesta päivittäin
ja vuosittain. Yhtenäinen punainen viiva on
kumulatiivinen pyörimisen hidastuma ja punaiset pisteet
osoittavat lisätyt karkaussekunnit. Kuva IERS.
IERS tarkkailee maapallon pyörimistä ja määrittelee sen mukaan karkaussekuntien lisäämis- tai poistamistarpeen.  Karkaussekunti lisätään koordinoituun yleisaikaan, joka pidetään synkronoituna maapallon pyörimiseen sekunnin tarkkuudella. Synkronoinnin avulla esimerkiksi vuorokausi vaihtuu keskiyöllä eikä siirry hiljalleen vuosituhansien aikana iltayöhön. Karkaussekunteja joudutaan lisäämään hieman alle 50 kertaa vuosisadassa.

Mistä sitten tiedetään, että maapallon pyöriminen hidastuu? Siihen tarvitaan tietysti hyvin tarkka kello ja sellainen on ns. atomikello ja sen mittaama aika tunnetaan lyhenteellä TAI (International Atomic Time).  Atomikellot[3] otettiin käyttöön vuonna 1972. Siitä lähtien karkaussekunteja on lisätty alkuasetuksena 10 sekuntia ja varsinaisia karkaussekunteja on lisätty 26 kertaa.  Lisäys tapahtuu joko kesäkuun tai joulukuun lopussa, edellisen kerran näin tapahtui kesäkuussa 2015 (UTC-aikaa).

Karkaussekuntijärjestelmä on saanut jonkin verran kritiikkiä osakseen. Useita ehdotuksia on tehty järjestelmän korvaamiseksi, mutta mitään järkevää korvaavaa järjestelmää ei kuitenkaan ole keksitty. Jokaisesta korvausehdotuksesta on löydetty sellaisia heikkouksia, että ne on jätetty ns. pöydälle. Heikkoudet liittyvät usein siihen, että karkaussekunnin ja näin ollen muidenkin korjausmenetelmiin liittyy se, että maapallon pyörimisen hidastuminen voidaan todeta vain jälkikäteen tarkkojen havaintojen perusteella, Maan pyörähdysajan muutosta kun ei voi ennakoida mitenkään.


Huomautukset

[1] Koordinoitu yleisaika UTC on aikaviitejärjestelmä johon käytössä oleva ajanmittaus perustuu. Suomen aika on 2 tuntia edellä UTC aikaa ja se perustuu maapallon jakamiseen 24 täyden tuntien aikavyöhykkeeseen. Näiden lisäksi on joitakin puolituntisia aikavyöhykkeitä esimerkiksi Intiassa, jossa paikallisaika on 5,5 tuntia edellä UTC-aikaa. Vastaavia puolituntisia aikavyöhykkeitä on käytössä monissa muissakin valtioissa Aasiassa.

Jotta asia ei olisi näin yksinkertainen, niin esimerkiksi Australiassa noudatetaan aikavyöhykkeitä +8 ¾ h, +9,5 h ja +10 h aikavyöhykkeitä. Eikä Australia ole ainoa, sillä myös Nepalissa on käytössä +5 3/4 h aikavyöhyke.  Ja jotta asia menisi totaalisesti sekaisin Kiribatilla, Samoalla ja Tongalla aikavyöhyke on +13 h, sillä ne sijaitsevat Kansainvälisen päivämäärärajan itäpuolella.

[2] hidastuminen on vain toinen vaihtoehto, sillä pyöriminen voi myös nopeutua jos massojen siirtyminen vien niitä lähemmäksi pyörimisakselia. Näin voi tapahtua suuressa mittakaavassa esimerkiksi jääkausien jäätiköitymisvaiheessa.


[3] Nykyisin yli 400 yli 50 kansallisessa aikalaboratorioissa.

maanantai 4. heinäkuuta 2016

Hiukkastutkijat löysivät kokonaisen uuden hiukkasperheen

Hiukkasfysiikan tutkijat ovat innoissaan! He ovat löytäneet kokonaisen uuden hiukkasperheen, joka ei sisälly ns. standardimalliin. Uusi hiukkasperheen hiukkaset koostuvat neljästä kvarkista (tetrakvarkki) ja näiden lisäksi on havaittu hiukkanen, joka koostuu viidestä kvarkista (pentakvarkki).

Standardimallin sisältämät alkeishiukkaset: kahdessa ylärivissä
on esitetty kvarkit, niiden alla neutriinot ja alimmaisena leptonit
joihin myös elektroni kuuluu.
Kvarkit ovat ydinhiukkasia (esimerkiksi protonit ja neutronit) muodostavia alkeishiukkasia. Niitä on kaikkiaan kuusi erilaista: ylös (up), alas (dawn), ylä (top), ala (bottom), outo (strange) ja lumo (charm). Yleisesti kuitenkin käytetään teksteissä muotoja (samassa järjestyksessä) u-, d-, t-, b-, s- ja c-kvarkit.

Kvarkit ovat sähkövarautuneita hiukkasia. Kvarkeilla u, c ja t on +2/3e varaus (e merkitsee elektronin sähkövarausta) ja kvarkeilla d, s ja b on varaus -1/3e. Näin ollen esimerkiksi protonin +1e varaus syntyy kvarkkien varausten yhteenlaskuna

2/3e+2/3e-1/3e =3/3e=1e

ja vastaavasti neutronin 0e varaus

-1/3e-1/3e+2/3e=0e.

Protonin kvarkkirakenne.
Kuva Arpad Horvath/Wikimedia Commons.
Jotta kvarkit voisivat muodostaa yhdessä massiivisempia (ydin)hiukkasia, niiden välillä täytyy vaikuttaa sitovia voimia. Voimia tunnetaan kaksi: vahva (väri)voima liimahiukkanen eli gluoni (värivoiman välittäjähiukkanen). Sana väri ei tässä yhteydessä merkitse värillisyyttä, vaan kvarkkien värivarausta. Kvarkeilla on sähkövarauksen lisäksi toinenkin varaus, jota siis kutsutaan värivaraukseksi tai lyhyemmin väriksi. Värejä on kolme: punainen, sininen ja vihreä, ja jokaisella kvarkilla ja gluonilla on aina jokin näistä värivarauksesta.

Kaikilla kvarkeilla on myös omat antihiukkasensa, joilla on vastaavat mutta vastakkaismerkkiset sähkö- ja värivaraukset. Eri värivaraukset vetävät toisiaan puoleensa samoin kuin eri sähkövaraukset. Saman värivarauksen omaavat kvarkit hylkivät toisiaan.  

Tuntemamme ainehiukkaset muodostuvat kahdesta tai kolmesta kvarkista, esimerkiksi protoni koostuu kahdesta u- (joilla on eri värivaraus) ja yhdestä d-kvarkista (eri värivaraus). Antihiukkaset puolestaan koostuvat anti-kvarkeista.

Edellä esitetystä huomaamme, että jo standardimalli muodostaa hyvin mielenkiintoisen hiukkasjärjestelmän. Tetra- ja penta-kvarkit ovat siis standardimallin ulkopuolinen hiukkasjärjestelmä, josta ensimmäiset viitteet on saatu vasta parin viime vuoden aikana.
Vuonna 2014 saatiin ensimmäiset viitteet tetrakvarkista CERNin hadronitörmäyttimellä (Large Hadron Collider) hiukkasilmaisimella LHCb tehdyissä kokeissa. Vuonna 2015 sitten saatiin ensimmäiset viitteet pentakvarkista.

Atlantin länsirannalla Fermilabissa (lähellä Chicagoa) havaittiin viitteitä tetrakvarkista tämän vuoden alussa. Havaintoon suhtauduttiin kuitenkin hieman skeptisesti kunnes Syracusen yliopiston tutkimusryhmä LHCb kokeen mittausten perusteella ilmoitti löytäneensä neljä erilaista tetrakvarkkia, jotka muodostivat saman perheen. Toistaiseksi uudet hiukkaset on nimetty vain luettelotunnuksin: X(4140), X(4274), X(4500) ja X(4700) niiden suhteellisen massan perusteella. Hiukkaset koostuvat kahdesta c- ja kahdesta s-kvarkista.

Havainnot ovat todella merkittäviä (Nobel?) ja hiukkasfyysikot joutuvatkin nyt luomaan uuden tai täydentämään standardimallia nyt havaittujen hiukkasten ymmärtämiseksi. Penta- ja tetrakvarkkien lisäksi LHC:lla tehdyt tutkimukset ovat antaneet viitteitä supersymmetristen hiukkasten olemassa olosta, joten uusi teoria tarvitaan mitä kipeimmin.


sunnuntai 3. heinäkuuta 2016

Juno saavuttaa Jupiterin

Taiteilijan näkemys Juno-luotaimesta Jupiteria kiertävällä
radalla. Energiansa luotain saa pitkistä aurinkokennoista.
Kuva NASA.
Nasan Jupiteriin matkalla ollut Juno-luotain saavuttaa määränpäänsä tiistaiaamuna Suomen aikaa. Luotain laukaistiin matkaan elokuun 5 päivänä vuonna 2011 ja se on siitä lähtien matkannut kohti Jupiteria.

Junon on tarkoitus käydä jokaisella kierroksellaan Jupiterin ympäri vain 5 000 km etäisyydellä planeetan pilvipeitteestä. Tämä tarkoittaa sitä, että luotaimeen kohdistuu ennennäkemätön säteilykuormitus, joka voisi vaurioittaa tutkimuslaitteistot hyvin lyhyessä ajassa. Tämän vuoksi kaikki laitteistot on suojattu vahvalla (~13 mm) titaani[1]-kuorella.

Junon tutkimusinstrumentit on suunniteltu tekemään havaintoja Jupiterin pilvikerroksen alaisista rakenteista. Erityisesti Jupiterin ytimen rakenne kiinnostaa tutkijoita. Ytimen arvellaan olevan noin 10–20-kertainen maapallon massaan verrattuna, jonka lämpötila on useita tuhansia asteita. Jupiterin ytimeen kohdistuu korkea paine, joten ytimen olomuotoa ei tunneta. Se voi olla joko kiinteä tai sitten sulassa tilassa.

Luonnollisesti Juno on varustettu Jupiterin magneettikenttää havainnoivilla laitteilla. Ne on sijoitettu pitkän puomin päähän, mahdollisimman etäälle luotaimen massiivisesta (noin 200 kg) metallikuoresta. Jupiterin magneettikenttä on noin 20 000 -kertaa voimakkaampi kuin maapallon magneettikenttä ja se ulottuu noin 100 Jupiterin säteen etäisyydelle[2] Auringon puolella.

Jupiteria ympäröivä säteilyvyöhykkeen voimakkuudelle on kaksi osatekijää: ensimmäinen on voimakas magneettikenttä, joka vangitsee runsaasti aurinkotuulen hiukkasia. Toisena tekijän on se, että hiukkasten määrä kasvaa myös Io-kuusta vapautuvista kaasumaisista hiukkasista (pääosin rikkiä ja rikkidioksidia).  Jupiterin magneettikentässä hiukkaset ionisoituvat, saavat lisäenergiaa (nopeutta) ja saavuttavat lähes valon nopeuden.

Jupiterin yksi mielenkiintoisimmista ilmiöistä ovat planeetan magneettisien napojen ympäristössä esiintyvät revontulet. Ne säteilevät valoaan lähinnä uv-valon aallonpituudella ja niissä on pistemäisiä kirkastumia. Kirkastumat ovat aiheutuneet kuiden ja Jupiterin välillä kulkevista sähkövirroista, joista Ion ja Jupiterin välillä olevat ovat voimakkaimpia.

Juno aloittamasta jarrutuspoltosta vastaanotetaan lyhyt radiosignaali kello 6.18 Suomen aikaa tiistaiaamuna. Signaali ja jarrutuspoltto ovat käynnistyneet jo 48 minuuttia aikaisemmin, mutta radioviestiltä kuluu aikaa Jupiterista Maahan kulkemiseen aikaeron verran. Itse jarrutuspoltto kestää 35 minuuttia, jonka jälkeen luotain lähettää uuden merkkisignaalin polton onnistumisesta.

Ensimmäisen jarrutuspolton jälkeen luotain on erittäin soikealla radalla (kiertoaika 53,5 vuorokautta) jota muutetaan vähitellen tutkimuskäyttöön sopivaksi radaksi. Luotaimen rata Jupiterin ympäri tulee olemaan soikea, yhteen kierrokseen kuluu aikaa noin 14 vuorokautta. Suunniteltu rata saavutetaan lokakuun 19 päivänä.  Juno kiertää Jupiterin 37 kertaa ja sen tehtävä päättyy vuoden 2018 helmikuussa. Tehtävän päätyttyä Juno poistetaan kiertoradalta ohjaamalla se Jupiteriin.

Huomautukset

[1] Titaani (Ti) on siirtymäryhmän metalli, jolla on erittäin suuri lujuus. Titaania yleensä käytetään metallirakenteissa, joissa vaaditaan suurta lujuutta mutta rakenteiden oma massa täytyy olla mahdollisimman pieni. Tyypillisesti titaania käytetään lentokone- ja avaruusteollisuudessa sekä pieniä määriä lääketieteessä etenkin kirurgisissa tukirakenteissa esimerkiksi luunmurtumien hoidossa.


[2] Maapallon magneettikenttä ulottuu vain noin 10 Maan säteen etäisyydelle.