Editysaskel: Insight-luotain laskeutui Marsiin

NASAn uusin Mars-luotain Insight on laskeutunut onnistuneesti Marsin Elysium tasangolle, lähelle Marsin ekvaattoria planeetan länsiosassa. Avaruusmatka oli kestänyt noin puoli vuotta, sillä matkaan luotain laukaistiin toukokuun 5. päivänä Ilmavoimien Vanderbergin laukaisukeskuksesta Kaliforniasta.

Insight-luotain Marsin pinnalla. Havainnekuva NASA.

Laskeutuminen oli koko lennon vaikein vaihe, sillä se on monivaiheinen ja kaikkien laitteiden täytyy suoriutua tehtävästään täydellisesti. Luotain saapui Marsin ilmakehään hyvin suurella nopeudella (5,5 km/s). Vaikka Marsin ilmakehä on tiheydeltään vain 1 % maapallon ilmakehästä, se vastustaa samalla tavalla avaruudesta putoavien kappaleiden liikettä. Ilman kompressoituu ja kuumentaa laskeutuvan luotaimen ympärillä olevia kaasuja useiden tuhansien asteiden lämpötilaan ja tältä kuumuudelta tutkimuslaitteisto oli suojattu lämpökilvillä.

Lämpökilven etureuna kohtaa suurimman kuumuuden, jolloin se kuumenee korkeaan lämpötilaan. Lämpökilpi on kuitenkin ablatiivinen eli se haihtuu ja kuten tunnettua, haihtuminen sitoo lämpöä. Näin tässäkin tapauksessa, lämpökilven haihtuminen ja kuluminen mahdollisti hyötykuorman säilyvän toimintakuntoisena ja lämpötilaltaan normaalina.

Lämpökilvin suojattuna luotain laskeutui Marsin ilmakehässä yliääninopeudella, kunnes vauhti oli alentunut riittävästi, jotta laskuvarjo voitiin avata. Tämä tapahtui noin 11 km korkeudessa, jolloin laskeutumisnopeus oli noin 385 m/s. Heti laskuvarjon avauduttua, nyt tässä vaiheessa ylimääräisenä painolastiksi muuttunut lämpösuoja poistettiin noin 10 km korkeudella ja laskutelineinä toimivat luotaimen kolme jalkaa vapautettiin. Laskeutumistutka käynnistyi noin 6 km korkeudella.

Laskeutumisen viimeinen vaihe käynnistyi siinä vaiheessa, kun laskeutuminen oli edennyt noin 1 km korkeuteen. Laskeutumisvauhti oli pudonnut tässä vaiheessa noin 60 m/s. Silloin laskuvarjo ja siihen vaijerilla kiinnitettynä ollut yläpuolinen lämpösuoja irtosivat. Välittömästi tämän jälkeen luotaimen kaksitoista jarrurakettia käynnistyi. Jarruraketteja pystyttiin säätämään lennon edistyessä ja itse luotainta käännettiin niin, että aurinkopaneelit tulivat mahdollisimman edulliseen asentoon (itä-länsisuuntaan) sähköenergian turvaamiseksi. Oikea asento varmisti, että luotaimen työkalut kuten käsivarsi ei varjosta paneeleita.

Laskeutumisvauhti oli 7,7 m/s noin 50 metrin korkeudella ja lähestyminen tapahtui vakionopeudella. Kosketus Marsin pintaan tapahtui vielä hitaammalla vauhdilla noin 15 sekuntia myöhemmin. Kohtaamisnopeus oli noin 2,24 m/s ja se otettiin vastaan laskutelineiden iskunvaimennuksen avulla.

Kaikki edellä kerrotut toimenpiteet olivat ohjelmoitu luotaimen päätietokoneeseen, sillä yhteys Maahan pitkän viiveen vuoksi ei ollut mahdollinen. Lisäksi tulipallona ilmakehään syöksyvä luotain ei olisi edes saanut syntymään minkäänlaista radioyhteyttä, sillä hehkuva ja sähköäjohtava plasma toimii erittäin tehokkaana radioyhteyksien estäjänä.

Laskeutumista seurattiin kahdella pienoisatelliitilla (CubeSat) MarCO-A ja MarCo-B, jotka vietiin avaruuteen samalla kantoraketilla kuin Insight-luotainkin. Pienoissatelliitit ovat 10 cm sivunmittaisia kuutioita ja tarvitsemansa sähköenergia ne saavat avattavista aurinkopaneeleista. Niiden erikoisuus on tietoliikenteeseen käytetty antennijärjestelmä, joka on muodoltaan taso. Antennin rakenteen ansiosta radiolähetys on hyvin suunnattua, joten pienoissatelliitti ei tarvitse massiivista ja suhteellisen tehotonta lautasantennia tietoliikenteeseensä.

X-bandin tasoantenni ei ole ainoa antenni, vaan laitteessa on myös avattava UHF-antenni, jonka avulla satelliitti seurasi Insight-luotaimen laskeutumista. UHF-laitteisto pystyi vain ottamaan vastaan saapuvan signaalin mutta X-bandin laitteistossa ovat molemmat: lähetin ja vastaanotin.

Molemmissa pienoissatelliiteissa on myös kamerat, jonka laajakulmankameran kuvakentän laajuus on 139 astetta ja kapeakenttäisen kameran kuvakenttä on 6,8 astetta laaja. Kamerat on suunnattu UHF-antennin suuntaan eli kohti Marsia laskeutumisosan laskeutumisen aikaan. Kameroista MarCo-A:n kapeakenttäinen kamera todettiin toimimattomaksi heti laukaisun jälkeen, joten tältä osin matkassa oli hieman huonoa tuuria. Kaikkien kameroiden kuvan koko on vaatimattoman tuntuisesti 752 × 460 pikseliä.

Pienoissatelliitit siis mahtuvat kämmenelle, mutta niissä on paljon laitteita jo mainittujen kameroiden ja antenni-radiolaitteiden lisäksi. Satelliitin varusteisiin kuuluu suunnistamisessa käytettävä tähti-jäljitin, aurinkotunnistin, gyroskooppi ja reaktiopyörät, joiden avulla säädetään satelliitin suuntausta ja asentoa. Satelliitin propulsiojärjestelmä toimii paineistetulla kaasulla (R236FA, 

hexafluropropaania), joka on sitä samaa ainetta, jota käytetään kylmälaitteissa tai tietokonekeskusten sammutinlaitteissa. Suuttimia yhdessä satelliitissa on kahdeksan kappaletta. Satelliittien laitteiden kuntoa, lämpötilaa ja toimintaa valvottiin koko lennon ajan Maasta Marsiin. Lämpötilan säätöön satelliiteissa on lämmittimiä, useita lämpömittareita, lämpösuojia herkille laitteille ja jäähdyttimet liian lämmön poistamiseen.

Kaiken kaikkiaan pienoissatelliitit ovat täydellisiä tutkimusluotaimia, jotka oli suunniteltu lähinnä tarkkailemaan Marsin laskeutunutta Insight-luotainta laskeutumisaikana. Vaikeus siinä oli oikea ajoitus, satelliittien piti suorittaa Marsin ohilento sekunnilleen oikeassa aikataulussa, jotta niistä olisi saatu suurin mahdollinen hyöty tutkijoiden ja insinöörien käyttöön. Huomatkaa kuitenkin, että Insight-luotaimen laskeutuminen tai toiminta ei ollut mitenkään riippuvaista pienoissatelliittien toiminnasta tai olemassa olosta.

Insight-luotaimen tutkimuslaitteisto on hyvin monipuolinen. Erityisen ilahduttavaa on, että laitteistoon on saatu mahdutettua seisminen tutkimuslaitteisto, jolla voidaan jäljittää Marsissa tapahtuvia seismisiä ilmiöitä (järistyksiä) ja määrittää havaittujen järistysaaltojen suunta ja taajuus hyvin laaja-alaisesti. Seisminen laitteisto on koottu erilliseen yksikköön, joka asetetaan Matsin kamaralle työkalukäsivarren avulla.

Seisminen tutkimuslaitteisto on nostettu käsivarren avulla laskeutuneen luotaimen viereen ja lämpötilaa mittaava laitteisto on kaivautunut marsperään. Kuva NASA.

Seisminen tutkimuslaitteisto ei ole pelkästään monipuolinen seismometri, vaan se myös voi tärisyttää Marsin kamaraa. Kamaran rakenne ja liike tietysti havainnoidaan ja siitä tutkijat voivat päätellä hyvin monia asioita marsperän rakenteesta, tiheydestä ja koostumuksesta.

Toinen ja aikaisemmin Marssiin lähettämätön tutkimuslaitteisto on marsperän lämpöjakaumasta tehtävät mittaukset. Mittauslaitteiston ydin on itsekaivautuva mittauselin, joka pyrkii mittaamaan marsperän lämpöjakauman kerroksittain. Mittaus ulotetaan jopa 5 metrin syvyyteen mutta onnistuakseen sen on kaivauduttava kuitenkin vähintään 3 metrin syvyyteen.

Laitteistoon kuuluu myös lämmitin, jonka avulla tutkijat pyrkivät selvittämään marsperän lämmönjohtavuuden. Eri syvyyksistä suoritettu lämpötilamittaukset yhdessä lämmönjohtavuuden kanssa paljastavat lämpövuon suuruuden, joka virtaa kohti Marsin pintaa. Tästä puolestaan on mahdollista selvittää Marsin ytimen lämpötila ja mahdollisesti se, mikä on lämmön lähde ja sitä tietä myös Marsin sisäinen rakenne.

Kolmas lennon päätavoitteista on selvittää Marsin pyörimistä. Sen testaamiseen ei kuitenkaan tarvita erillistä laitteistoa, sillä tarvittavat tiedot saadaan koottua luotaimen ja Maan välisen radioliikenteen avulla. Marsin pyörimisakselin vähäiset muutokset näkyvät vastaanotetun signaalin taajuuden hyvin vähäisenä muutoksena. Mars prekessoi samalla tavalla kuin Maa, vaikkakin yhteen kierrokseen kuluu noin 165 000 vuotta (Maan noin 26 000 vuotta). Prekessiotutkimuksen avulla voidaan määrittää Marsin rautasydämen koko ja muita sen ominaisuuksia.

Marsin pyörimisen tarkkailuun sisältyy myös alle vuodenmittaisen nutaation havaitseminen. Nutaattio on hyvin vähäistä ja vaikea havaita. Maapallon pyörimisakselin suunta vaihtelee noin 10 metrin halkaisijaltaan olevalla alueella vuoden aikana. Marsin nutaatio on luultavasti huomattavasti vähäisempää, koska Marsin ytimen uskotaan olevan huomattavasti jähmeämpää kuin maapallon sulassa tilassa oleva ulkoydin. Aikaisempien radiotutkimusten mukaan Marsilla on erittäin tiheä ydin ja sen ulkopuolella voi olla jonkin verran sulaa. Kuinka iso kiinteä ja sula ytimet ovat, toivottavasti selviää tämän liikkumattoman luotaimen avulla.¨

Tutkijat odottavat mielenkiinnolla selvittävänsä muistuttaako Marsin rakenne enemmän Maata vai Kuuta. Kuva NASA.

Tavanomaisempia tutkimuslaitteita edustaa laitteisto, joka tekee mittauksia magneettikentästä, tuulen nopeudesta, lämpötilasta ja ilmakehän paineesta. Marsin pinnalla ei ole aikaisemmin tehty mittauksia magneettikentästä, sillä ne on aina tehty kiertoradalta.

Luotaimen ympäristöä valokuvataan kameroilla mutta mittauksia tehdään myös radiometrillä (säteilymittaus). Kamerat tuottavat kuvia, joiden avulla tutkijat pystyvät seuraamaan Marsin vuodenaikojen vaihtelun aiheuttamia muutoksia luotaimen ympäristössä.

Tulevaisuutta ajatellen Insight-luotaimeen on kiinnitetty vain 5 cm halkaisijaltaan oleva kupu, jossa on kahdeksan laserheijastinta. Heijastimet ovat rakenteeltaan sellaisia, että siihen osunut valo heijastuu tulevan valon suuntaan. Näin avaruudesta laitteeseen kohdistuneen lasersäteen avulla voidaan määrittää laitteiston tarkka sijainti. Myös muut tutkimukset ovat mahdollisia. Vastaavanlaisia heijastimia vietiin Kuuhun Apollo-ohjelman aikana ja niiden avulla on onnistuttu selvittämään mm. se, että Kuu etääntyy Maasta noin 3,82 cm vuodessa.

Kirjauutuus: Filosofiaa ajasta

Carlo Rovelli

Ajan luonne

Suomentanut Hannu Karttunen

Sidottu, 240 sivua

Ursa ry 2018

ISBN 978-952-5985-60-3

Jokaisella on jonkinlainen käsitys ajasta. Joskus se kuluu nopeasti ja joskus se tuntuu mataavan loputtoman hitaasti. Nuorilla on erilainen aikakäsitys ja ikäihmisillä aivan toinen. Vaikka aika on jokaiselle tuttu, harva kuitenkaan tulee ajatelleeksi mitä aika on!

Carlo Rovellin kirja Ajan luonne ei oikeastaan anna vastausta tähän kysymykseen, vaikka kovasti yrittää. Rovellin mukaan aika on perättäisiä tapahtumia ja kytköksiä, sipaistaan hieman valokartioita ja kvattifysiikkaa mutta loppujen lopuksi hän päätyy filosofioimaan, eli siis kertomaan mitä mahdollisesti historiasta tutut henkilöt ovat ajasta sanoneet.

Ajan varsinaista fysiikan ymmärtämään luonnetta kirjailija ei käsittele kovinkaan paljoa eikä syvällisesti. Luultavasti kirjoittaja ei ole edes halunnut tehdä kirjasta varsinaisesti luonnontieteellistä, vaikka kirjan alkupuolisko viittaakin siihen suuntaan. Kirjoittaa on teoreettinen fyysikko, joten ainakin lähtökohdiltaan hänellä olisi ollut mahdollisuus tehdä puhtaasti luonnontieteellinen populaariteos.

Kirjasta voisivat olla kiinnostuneet henkilöt, jotka ovat taipuvaisia filosofiointiin ja lukevat mielellään filosofista kirjallisuutta. Heille mielenkiintoisia lukuhetkiä!

Kari A. Kuure

Kirjauutuus: Zoomataan universumiin

Caleb Schart

Zoomataan universumiin

Kuvitus Ron Miller

Suomennos Suvi Syrjä

Nidottu 224 sivua

Ursa ry 2018

ISBN978-952-5985-59-7

Maailmankaikkeuden ja ihmisen mittakaavat ovat räikeässä ristiriidassa keskenään. Ihmisen on vaikea ymmärtää kuin pitkät etäisyydet maailmankaikkeudessa ovat tai kuinka pieniä kaikkein pienimmät asiat ovat! Kirjan kirjoittajan mukaan ihminen on omassa mittakaavassaan maailmankaikkeuden kaikkein pienimmän ja kaikkein suurimman puolivälissä.

Maailmankaikkeuden halkaisija on kirjoittajien mukaan 10²⁷ metriä ja lyhin mitta on 10^-35 metriä. Näin ollen näiden kahden ääripään väliin mahtuu 62 dekadia. Nämä dekadit muodostavat kirjan rungon maailmankaikkeuden koosta Plankin etäisyyteen, jokainen dekadi on oma tarinansa.

Kirjan tarina alkaa koko maailmankaikkeuden mittakaavasta matka jatkuu viisi dekadia kerallaan kohti pienuutta. Matkalla käsitellään maailmankaikkeuden rakenteet, galaksi, tähdet oma aurinkokuntamme ja samalla myös eksot. Matka jatkuu ihmisen mittakaavan kohteiden esittelyyn ja sitten syöksytään hurjaa vauhtia aina vain pienempien yksityiskohtien kuvailuun. Lopulta kohdataan atomit ja alkeishiukkaset. Matka päättyy Plankin mittayksikköön. Matkan ohessa tutustutaan moniin mielenkiintoisiin kohteisiin.

Kirjan eriomaisena puolena on näyttävä ja hyvin havainnollinen kuvitus. Se on niin loistelias, että teksti jää helposti kuvituksen varjoon. Toisaalta, kun teksti on luettu, kirja toimii erinomaisena kuvakirjana, jonka pariin voi palata aina uudestaan.

Kari A. Kuure

Marsin Arsia Mons ei ole aktivoitunut

Euroopan avaruusjärjestön (ESA) Mars Express on valokuvannut mielenkiintoisen pilven yhden Marsin korkeimman tulivuoren huipulla. Valokuvassa näyttäisi siltä, että tulivuori olisi aktivoitunut ja se syöksee savua Marsin ilmakehään.

Orografinen pilvimuodostelma Arsia Monsilla. Kuva ESA/Mars Express.

Todellisuudessa Marsissa ei ole esiintynyt vulkaanista aktiivisuutta satoihin miljooniin vuosiin, ja tilanne ei ole muuttunut mitenkään – Arsia Mons ei ole aktiivinen! Arsia Mons on kuitenkin osaltaan aiheuttanut pilvimuodostelman, sillä sen korkeus ohjaa ilmavirtauksia ylöspäin. Ylempänä ilmakehässä lämpötila on alempi, jolloin nousevaan ilmavirtauksessa alkaa vesihöyryn tiivistyminen. Tiivistymistä helpottaa viime kesä- ja heinäkuussa vallinnut pölymyrsky, jonka jäljiltä Marsin ilmakehässä on vielä runsaasti pieniä pölyhiukkasia, jotka toimivat tiivistymisytiminä.

Arsia Mons sijaitsee Thrasis alueella. Kuva ESA/Mars Express.

Ylöspäin virtaavalla ilmamassalla on inertiaa (hitautta), jolloin se joutuu korkeammalle kuin sen tiheys tai lämpötila edellyttäisi. Tästä seuraa nostovoiman katoaminen ja ilmamassa alkaa laskeutua, jolloin se lämpenee ja pilvet haihtuvat. Alaspäin laskeutuva ilmamassa saavuttaa jälleen tiheytensä ja lämpötilansa mukaisen korkeuden mutta jälleen inertia pakottaa ilmamassan alemmaksi. Alaspäin mennessään ilmamassa lämpenee ja lopulta aloittaa uuden nousun. Kierto jatkuu vielä monta kertaa, kunnes se rauhoittuu. Tapahtumaa kutsutaan orografiseksi (orographic) ja se tuottaa Arsia Monsin tapauksessa noin 1500 km pitkän pilvimuodostelman, joka kauempaa katsottuna näyttää erehdyttävästi tulivuoren aiheuttamalta vulkaaniselta pilveltä.

Faktat

Arsia Mon sijaitsee Marsin Tharsis alueella.

Arsia Monsin korkeus on 17,8 km Marsin keskipinnasta ja halkaisija noin 250 km.

Arsia Monsin kaldera on halkaisijaltaan noin 110 km.

Arsia Monsin ikä on noin 700 miljoonaa vuotta.

Arsia Monsin rinteiltä on havaittu laajoja aukkoja, jotka ovat sisäänkäyntejä laajempaan luolaverkostoon. Aukot havaittiin ensikerran vuonna 2007 ja aukoille on annettu nimet Dena, Chloë, Wendy, Annie, Abbey, Nikki ja Jeanne (kuvassa A–F). Luolasto on ilmeisesti laavaputkia, joiden katto on romahtanut paikka paikoin.

Aukkoja laavaputkiin Arsis Monsin alueella. Kuva NASA.

Kirjauutuus: Revontulibongarin opas

Minna Palmroth, Jouni Jussila & Markus Hotakainen

Revontulibongarin opas

Sidottu 201 sivua

Kustantaja Into

ISBN 978-952-264-994-2

Kirjastoluokitus 55.5

Revontulien bongaus tai harrastaminen on kasvattanut suosiotaan viime vuosina eikä pelkästään meillä Suomessa vaan myös kaikkialla maailmalla. Lapin matkailu on saanut voimakkaan piristysruiskeen japanilaisista ja kiinalaisista turisteista, jotka tulevat Suomen Lappiin ihastelemaan yöllistä valoshowta. Toivoisikin, että Lapin turistit saisivat rahoilleen vastinetta ja he näkisivät kunnon revontulishown.

Mutta revontulia nähdään muuallakin Suomessa kuin vain Lapissa. Tosin ne käyvät harvinaisemmiksi sitä mukaan, kun etelään päin Lapista tullaan, mutta Tampereellakin saamme nauttia useista kymmenistä revontulinäytelmistä vuosittain, jopa näin Auringon aktiivisuusminimin aikaan.

Revontulien bongaus alkaa olla jo suurien joukkojen harrastustoimintaa, joten kasvavaan tarpeeseen on julkaistu kirja Revontulibongarin opas. Sen kirjoittajat ovat todellisia asiantuntijoita avaruustieteen professori Minna Palmroth, entinen revontulitutkija ja revontulien aktiivinen valokuvaaja Jouni Jussila, sekä tähtitieteen popularisoijana tunnetuksi tullut tiedetoimittaja Markus Hotakainen.

Kirjaan on koottu kaikki revontulibongauksessa tarvittavat tiedot. Jos niitä hyödyntää, niin revontulien näkeminen ja valokuvaaminen ei ainakaan jää siitä kiinni, että ei tiedä milloin revontulia taivaalla on näkyvissä. Harrastamisesta tulee myös paljon mielenkiintoisempaa, kun tietää mitä kaiken taivaalla näkyvän takana on ja millaisia fysiikan prosesseja on päämme yläpuolella menossa!

Kirjan lopusta löytyvät nettilinkit tärkeimpiin internetsaitteihin, joissa kerrotaan revontulien ja aavaruussään tilasta. Ottamalla linkit käyttöön, jokainen voi itse tehdä oman revontuliennusteensa ja jonka osuessa kohdalleen voi olla oikeassa paikassa oikeaan aikaan ja toivon mukaan myös toimivan kameran kera. Mikään ei ole hienompaa kuin itse otetun hienon revontulikuvan katselu ja esittely perheen jäsenelle ja harrastuskavereille.

Kirjan teksti on hyvin selkeää, todella mietittyä ja jokaisen luettavissa, vaikka fysiikan tunnit olisi tullut koulussa nukuttua! Teksti lisäksi kirjassa on runsas ja todella upea kuvitus, johon kuvat on saatu suomalaisilta revontulien valokuvaajilta.

Kirja kuuluu selkeästi jokaisen revontulista kiinnostuneen kirjahyllyyn tai paremminkin hiirenkorville luettuna työpöydälle valmiina jälleen käyttöön. Suosittelen mitä lämpimimmin!

Kari A. Kuure