ESA title
Aranda ankkurissa CryoSatin validointikampanjan aikana maaliskuussa 2005. Kuva: Tuomo Roine.
Agency

CryoSatin tutkaa testattiin talvella Perämerellä

19/09/2005 276 views 1 likes
ESA / Space in Member States / Finland

ESAn jääntutkimussatelliitti CryoSat laukaistaan matkaan vasta lokakuun alussa, mutta sen tutkalaitteisto oli täydessä työn touhussa jo viime maaliskuussa. Satelliitin SIRAL-tutkaa testattiin silloin Perämerellä suomalaisten ja saksalaisten johdolla toteutetulla validointikampanjalla. Sen ansiosta tutkan toiminta tunnetaan nyt hyvin todellisissa olosuhteissa - jo ennen CryoSatin laukaisua.

Merentutkimuslaitoksen tutkimusalus Aranda on kolunnut Itämeren läpi moneen kertaan ja on käynyt jopa Etelämantereen vesillä, Viime talvena aluskonkari sai kuitenkin eteensä uudenlaisen tehdävän: se lähetettiin Perämerelle testaamaan avaruustutkaa, joka ei ollut vielä käynytkään avaruudessa.

CryoSatin tutka, SIRAL (Synthetic aperture Interferometric Radar ALtimeter), on kokonaan uudenlainen tutkalaite, joka kykenee mittaamaan maailmanlaajuisesti jääpeitteiden paksuuksia senttimetrien tarkkuudella. SIRALin havaintotarkkuus on huomattavasti aikaisempaa parempi, joten satelliitin lähettämät tiedot mahdollistavat uudenlaisten tutkimuksten tekemisen. SIRAL on erityisen hyvä mantereen päällä olevan jään ja jäätiköiden reuna-alueiden tutkimuksessa.

Useita tutkakorkeusmittareita on lähetetty avaruuteen, mutta CryoSatin tutka SIRAL on erilainen kuin sen aikaisemmat kollegat. Edeltäjät ovat toimineet siten, että tutka on lähettänyt signaalin kohti maanpintaa ja odottanut sen heijastumista takaisin avaruuteen. Sen jälkeen tutka on laskenut korkeuden signaalin matkaan kuluttaman ajan perusteella. SIRAL lähettää sen sijaan nopealla tahdilla pulsseja alaspäin ja ottaa niitä vastaan koko ajan. Yksittäiset pulssit voidaan tunnistaa ja edelleen järjestää niiden taajuudessa tapahtuneen pienen muutoksen, niin sanotun Doppler-siirtymän avulla, jolloin saadaan aikaan tarkka ja kattava kuva alla olevasta maastosta. SIRAL hakkaa tarkkuudessa kaikki aiemmat jään paksuutta mitanneet tutkat. Ja samalla suurimman osan kaikista muistakin avaruustutkista.

SIRAL-tutkan lentokoneversio ASIRAS täyttää lähes kokonaan Dornierin matkustamon.
SIRAL-tutkan lentokoneversio ASIRAS täyttää lähes kokonaan Dornierin matkustamon.

Arandan tehtävänä oli tutkan toiminnan varmentaminen ja tutkan tekemien mittausten tarkistaminen, eli "validointi", kuten sanotaan. CryoSatin tutkan kaksoiskappale oli asennettu saksalaiseen Dornier 228 -tutkimuslentokononeeseen, joka lensi jään peittämän Perämeren päällä. Samalla kun tutka lensi taivaalla ja mittasi, tekivät Arandalla matkassa olleet tutkijat mittauksia jään päällä samoilla alueilla: he kirjasivat ylös jään paksuuden, koostumuksen ja termodynaamiset ominaisuudet sekä pinnan muodon.

Kun tutkan tekemiä mittauksia ja kenttämittauksia verrataan toisiinsa, voidaan tutkan toiminta varmentaa. Jääpeitteen muoto, jään paksuus ja sen koostumus näkyvät tutkasignaalissa eri tavoilla, minkä lisäksi ne vaikuttavat kaikki toisiinsa. Lisäksi esimerkiksi jään päällä oleva lumi saattaa huijata tutkaa: lumikerros painaa jäätä syvemmälle veteen, jolloin tutka mittaa vain veden pinnan päällä olevan jään ja tulkitsee siten jään paksuuden liian pieneksi. Kiinteä, kovan pinnan alla oleva lumi saattaa taas näkyä havainnoissa kuin jää. Tämän vuoksi kenttäkokeet ja tutkan mittausten vertaaminen niihin on tärkeää koko lennon onnistumisen kannalta - vain siten voidaan olla varmoja siitä, että mittaukset vastaavat todellista tilannetta.

Viimetalvinen mittauskampanja ei suinkaan ollut ensimmäinen laatuaan. Edellisenä talvena CryoSatin tutkaa koeteltiin Grönlannissa ja Kanadan pohjoisilla alueilla, ja silloin päähuomio oli mantereen päällä olevan jääkerroksen mittaamisessa. Perämeren kampanja keskittyi puolestaan merijään mittaamiseen ja Itämeren pohjoinen kolkka valittiin tutkimuspaikaksi paitsi sen hyvän jääpeitteen vuoksi, niin myös siksi, että paikka on helppo saavuttaa ja saatavilla on korkeatasoista kenttämittauskalustoa helposti. Perämeri osoittautuikin erinomaiseksi paikaksi validointiin.

Tutkijat poraavat jäätä ja Dornier lentää ylitse.
Tutkijat poraavat jäätä ja Dornier lentää ylitse.

Kampanja alkoi, kun Aranda ankkuroitiin jääkenttään keskiviikon, maaliskuun 9. päivän illalla viime talvena, noin 15 kilometriä Hailuodosta etelään. Suomalaiset, ruotsalaiset, saksalaiset ja brittitutkijat aloittivat työnsä seuraavana päivänä vetämällä mittauslinjan, jolla mitattiin tasaisen jään paksuutta ja jääahtaumien ominaisuuksia.

Saksalaisesta Alfred Wegner -instituutista (AWI) ollut ryhmä mittasi ahtojään huokoisuutta elektrodiantureilla ja Teknillisen korkeakoulun ryhmä keskittyi lumipeitteen vesiarvon, tiheyden ja kiderakenteen määrittämiseen. TKK:n tutkijoilla oli käytössään myös pohjoismaiden eräs ainoista tutkimuslentokoneista, laatikkomainen työjuhta Shorts Skyvan, joka sondasi jäätä omilla kaukokartoituslaitteillaan. AWI:n ryhmä teki puolestaan havaintoja myös helikopterista, jossa oli jään paksuutta mitannut laite.

Ruotsin meteorologian ja hydrologian instituutin (SMHI) ryhmä asetti Perämeren ajojäille kolme ajopoijua, joiden avulla havaittiin jään ajelehtimista.

Ja itse mittauskampanjan tähti, CryoSatin tutkalaitteiston lentokoneversio (viralliselta nimeltään ASIRAS, Airborne Synthetic Aperture and Interferometric Radar Altimeter System), lensi saksalaiseen Dornieriin asennettuna ristiin rastiin mittauslinjan päällä.

CryoSat pystyy mittaamaan merijäätä ennätyksellisen tarkasti.
CryoSat pystyy mittaamaan merijäätä ennätyksellisen tarkasti.

Tutkijat keräsivät kaikkiaan 1600 kilometrin verran mittaustietoa ilmasta eri korkeuksilta. Kalibrointilinjalle oli valittu erilaisia jääalueita sileistä jääpinnoista rosoisiin ahtojäihin, kiinteästä jäästä huokoiseen lumen peittämään ja jään paksuus vaihteli hyvin paljon - mittausten mukaan se oli ohuimmillaan 19 cm ja paksuimmillaan 20 metriä.

"Meillä oli hyvä onni monessa mielessä", totesi Merentutkimuslaitoksen tutkija Jari Haapala kampanjan jälkeen. "Onnistuimme pääsemään haluttuihin paikkoihin jäässä Arandalla, joskin kaikkein paksuimmat jääkentät olivat sillekin liikaa. Kampanjan hektisimmät kolme päivää olivat kuitenkin jäätutkijalle herkkua, sillä sää oli hyvä ja aurinkoinen, järjestelyt pelasivat ja laitteet toimivat. Ehdimme jopa rentoutumaan iltaisin laivan saunassa."

"Saimme Arandalle reaaliajassa satelliittihavaintoja, joiden mukaan pystyimme suunnittelemaan parhaimmat mittauskohdat. Koska merijää liikkuu pinnalla kelluessaan, eräs suurimmista haasteista oli tehdä samanaikaisesti mittauksia lentokoneesta ja helikopterista. Sää oli onneksemme selkeä ja rauhallinen, joten onnistuimme saamaan noin 120 kilometriä tällaista mittausdataa."

CryoSat
CryoSat

Vaikka mittauskampanjan tulokset ovat odotettua paremmat, oli mittausten aloittaminen hieman hankalaa. Juuri silloin sää oli huono ja Aranda, joka on talvipurjehduskyvyltään liki jäänmurtajan luokkaa, kykeni puskemaan jäässä eteenpäin vain pari mailia tunnissa. Suurin jään paksuus oli tuolloin parikymmentä metriä. Pian alun jälkeen sää parani ja pääasiallisten mittausten aikaan 13.-14. maaliskuuta, oli keli täydellinen.

"Olemme hyvin tyytyväisiä Perämeren mittauksiin kahdestakin syystä", iloitsee myös ESAn Malcolm Davidson, joka vastaa CryoSatin validoinnista. "Ensiksi saamamme mittaustiedot auttavat meitä varmistamaan ja jopa parantamaan CryoSatin merijäämittauksia. Toiseksi kyseessä oli ensimmäinen kerta, kun testasimme ASIRAS-tutkaa matalilla lentokorkeuksilla. Tulemme testaamaan tutkaa vuoden 2006 talvella laajamittaisella mittauskampanjalla, joten Perämeren onnistunut testaus auttaa meitä valmistautumaan uusiin muttauksiin."

Ensi talven mittauskampajan aikaan CryoSat on jo avaruudessa, joten silloin tuloksena on vertailukelpoisia mittauksia kenttäkokeista, lentokoneesta ja itse CryoSatista. Viime talven mittauskampanjan rahoituksesta vastasi ESA yhdessä TEKESin ja kansallisten sekä eurooppalaisten tutkimusrahoittajien kanssa.

Related Links

Related Links