Taivaan sirottajat halutaan valjastaa ilmastonmuutosta kuvaaviin malleihin

18.12.2012

Pikkupoikana Timo Nousiaista kiinnosti yötaivas, mutta tulevan tutkijan katse pysähtyi avaruuskohteita peittäviin ilmakehän ilmiöihin – kuten pilviin. Nyt hiukkaset, jääpilvet ja sade ovat työuran keskipisteessä.

Kohteena ei-pallomaiset sirottajat

Biljardipallon saa liikkeelle törmäyttämällä siihen toisen biljardipallon. Sen sijaan kun sähkömagneettinen säteily kohtaa kappaleen, se 'ravistelee' siinä olevia varauksia ja saa ne säteilemään. Näin syntyy sironnut säteily, joka leviää ympäristöön kuin sähkömagneettiset biljardipallot.

Helsingin yliopiston fysiikan laitoksella työskentelevä akatemiatutkija Timo Nousiainen tutkii, miten sähkömagneettinen säteily – esimerkiksi valo – siroaa erilaisista ilmakehän hitusista.

Sähkömagneettisen säteilyn ja aineen vuorovaikutuslait tunnetaan, mutta jos sirottajan koko on paljon aallonpituutta suurempi, voi yksittäisen hiukkasen tutkinta vaatia enemmän laskentaresursseja kuin ilmastosimulaatio. Laskenta-aikaa säästetään ratkaisemalla ongelma analyyttisesti. Pallon muotoisille sirottajille ratkaisu löytyy,  mutta ongelmia aiheuttavat ei-pallomaiset sirottajat, kuten ilmakehän pöly. Niiden mallintaminen on haastavaa, sillä yleistä analyyttistä sirontaratkaisua ei ole.

Nousiainen pitää esitelmää Tähtitieteellinen yhdistys Ursa ry:n ilmakehä-jaoston kesätapaamisessa Artjärvellä, toukokuussa 2011. (Kuva: Jari Luomanen.)

Sirontatutkimuksella paljon sovelluksia

Analysoimalla sironnutta säteilyä saadaan tietoa itse sirottajasta. Sironta onkin usein apuväline, jolla tutkitaan ”sitä oikeasti kiinnostavaa asiaa”. Tällä on kaksi seurausta.

Ensinnäkin tutkimuskenttä on hajanainen. Sirontatutkimuksen keskittämisestä olisi synergistisiä etuja. ”Suomi on perinteisesti ollut hyvin vahva valonsironnan tutkimuksessa, joten tässä olisi tilaisuus nostaa profiilia kansainvälisestikin.”

Toinen seuraus on sovellusten monipuolisuus, sillä käytännössä kaikki aine sirottaa sähkömagneettista säteilyä: ”Prosessiteollisuudessa tarkkaillaan laatua, papereihin suunnitellaan heijastavia pintoja ja lääketieteessä kehitetään kudosta säästäviä diagnoosimenetelmiä.” Arkisia esimerkkejä ovat kännykän antenni tai vaikkapa silmälasit, joiden kyky taittaa valoa perustuu sirontaan. Eksoottisemmalta kuulostavat mikroskooppinen roottori, joka pyörii ympyräpolarisoidulla valolla valaistaessa, sekä avaruuskaivosteollisuus, joka etsii  metallipitoisia asteroideja  tutkalla. ”Sotilaallisiakin sovelluksia riittää.”

Suorimmat sovellukset Nousiaisen nykyiselle tutkimukselle ovat ilmastonmuutokseen liittyvissä säteilytaselaskelmissa ja kaukomittauksissa. ”Ilmakehän maailmanlaajuinen monitorointi edellyttää satelliittien käyttöä, paikallisissa mittauksissa myös tutka, lidar (eli lasertutka) ja erilaiset radiometrit ovat tärkeitä .”

Malleilla havaintoja tulevasta

Nousiaisen johtamassa projektissa tutkitaan, miten hiukkaset, jääkiteet ja sadepartikkelit sirottavat ja absorboivat sähkömagneettista säteilyä. Tarkoituksena on löytää mahdollisimman hyviä   menetelmiä niiden sironnan ja absorption laskemiseen sekä hyödyntää niitä ilmakehään liittyvissä sovelluksissa. Esimerkiksi ilmastomallituksessa suurimpina epävarmuustekijöinä ovat aerosolihiukkasten ja pilvien vaikutukset säteilyyn.

Sironnan kuvausta tarvitaan myös hiukkasten ja pilvien havainnointiin, sillä se tapahtuu yleensä analysoimalla kohteista sironnutta säteilyä. Mitä täsmällisemmät havainnot, sitä enemmän hyötyä niistä on erilaisissa sovelluksissa, kuten ilmastomalleissa.  Ilmastomallit ovat ainoita työkaluja, joilla saamme ”havaintoja” tulevaisuuden säästä. Sadepartikkelien mallintamisella voidaan puolestaan parantaa etenkin talvisateiden mittaamista tutkalla ja satelliitti-instrumenteilla.

Nousiainen lomamatkalla Yhdysvalloissa keväällä 2012, jossa hän kiersi ystävänsä kanssa USA:n lounaisnurkkaa kahden viikon ajan. Taustalla näkyy Death Valley. Vaaleat viirut laakson pohjalla ovat suolaa. (Kuva: Timo Holopainen.)

Yksittäisestä sirottajasta kokonaiseen ilmastomalliin

Ainutlaatuista projektissa on eteneminen yksittäisestä sirottajasta kokonaiseen ilmastomalliin. Lähtöruutuna on mallintaminen. Mitä se tarkoittaa? ”Malli on yksinkertaistettu kuvaus todellisuudesta, mutta sen  tekijöitä voidaan hallita. Muutetaan yksityiskohtia ja katsotaan, mitä tapahtuu.” Laboratoriossa se ei yleensä onnistu. Mallia tietenkin testataan: selvitetään matemaattisin testein, onko tulos fysiikan lakien mukainen, ja verrataan tuloksia mittauksiin.

”Ensin mallinnetaan itse sirottaja.” Esimerkiksi jääkiteistä saadaan satojatuhansia kuvia lennättämällä mittalaitteet jääpilven läpi. ”Sitten lasketaan sirontamallilla yksittäisten sirottajien sirontaominaisuudet, joita sitten käytetään säteilynkulkumallissa.”

Säteilynkulkumallilla tutkitaan yksittäisten tekijöiden, esimerkiksi pilvien tai hiukkasten, vaikutuksia säteilyenergian jakaumaan ilmakehässä.

”Akatemiahankkeen suurimmassa mittakaavassa onkin globaali ilmastomalli, jossa säteily on yksittäinen mutta keskeinen osatekijä, ilmastonmuutoksen ajuri.” On siis mahdollista tutkia, miten yksittäisten hiukkasten ominaisuudet, tai jopa se, miten ne on mallinnettu, vaikuttavat globaaliin ilmastoon. Lähestymistapa palvelee myös kaukomittaamista.

”Kun tunnemme tutkimuskohteemme ominaisuudet pienimpiä yksityiskohtia myöten, voimme laskea, kuinka erilaiset säteilyinstrumentit nämä kohteet näkevät”.

”Taivaskaan ei ole rajana”

Ensimmäisessä työpaikassaan Nousiainen tutki Marsin ilmakehää. Ironista, koska tähtitiede sai aikanaan väistyä meteorologian tieltä kehnompien työllisyysnäkymien takia. Seurasi elämän ”kovimmat kaksi vuotta”: päivät tehtiin töitä, illat opiskeltiin aivan uusia työmenetelmiä. ”Sen aherruksen varaan rakentui koko urani, ja sain poikkeuksellisen työkalupakin meteorologisten ongelmien ratkaisemiseksi.”

Tutkijan ammatti edellyttää halua ymmärtää asioita, kärsivällisyyttä, luovuutta ja tylsienkin työvaiheiden sietokykyä. Se sopii Nousiaiselle kuin nakutettu – vaikka lukion opinto-ohjaaja aikanaan pelottelikin yliopistofysiikan vaikeudella.

Nousiainen väitösjuhlassaan (karonkka) vuonna 2002. Geodynamo-bändi toimii edelleen. Bändiläiset ovat pääasiassa yliopiston ja Ilmatieteen laitoksen tutkijoita ja lähes kaikilla soittajilla on tohtorin tutkinto. Nousiainen etualalla sähkökitaran kanssa, frakki päällä. (Kuva: Timo Roschier.)

Arkena ajankäyttö on pirstaleista: ”opetusta, opiskelijoiden ohjausta, hallinnollista sälää, työmatkoja, omaa tutkimusta ja yhteistyöverkon rakentamista”. Atlantin toiselle puolelle yhteyttä on näppärintä pitää aikaeron takia iltaisin kotoa.

Akateemisilla pätkätyöläisillä on vakiostressi: ulkopuolinen rahoitus on epävarmaa ja lyhytjänteistä. Realismi ohjailee myös tutkimusta: ”Ei ole varaa jättää huomiotta, mistä saisi helpoiten ja nopeimmin julkaisuja.

Vastaavasti suuren riskin avauksia ja liian isoja kokonaisuuksia joutuu välttelemään. Nykyinen akateeminen toimintaympäristö ei tunnu kovin optimaaliselta ainakaan akateemisen pätkätyöläisen vinkkelistä, eikä ehkä tieteenkään edun kannalta.

Akatemiatutkijan vakanssi lienee yksi parhaista, mitä akateemisella maailmalla on tarjota: työrauha ja riippumattomuus. "Voisin jatkaa akatemiatutkijana vaikka eläkkeelle asti, jos se olisi mahdollista.”

”Taivaskaan ei ole rajana”, toteaa Nousiainen jatkosta – ja on jo selvittänyt mallinnusmenetelmiä Marsin kaasukehän pölylle. Lähimpänä tutkijan sydäntä ovat kuitenkin omaan ilmakehään kauniita optisia ilmiöitä loihtivat jääpilvet, jotka ovat haastavia mallintaa ja vaikuttavat ilmakehän säteilytaseeseen.  Niiden tutkimiseen hän haluaisi panostaa vielä heinäkuun jälkeenkin, kun akatemiatutkijan pesti päättyy. Sironnan saralla tutkittavaa riittää, ja ainakin ilmakehätieteissä sitä kannattaa tehdä  kansainvälisenä hyvin koordinoituna yhteistyönä. Nousiaisen tavoite onkin selvä: ”Haluan kasvaa tutkijana isompiin saappaisiin”.

Teksti: Nina Mäki-Kihniä
Kuvat: Timo Roschier, Sini Merikallio, Timo Holopainen ja Jari Luomanen.