Painottomuuslennon jälkeen...

"Näyte tuppasi paakkuuntumaan", toteaa Jyri Näränen ja katselee harmissaan pienessä purkissa olevaa hiekkaa Helsingin yliopiston tähtitieteen laitoksen vanhassa luentosalissa: "se lenteli painottomuudessa vain näyterasian seinillä, joten voi olla, että osassa kuvia on vain signaali vain takaseinästä". Näränen selittää viimeviikkoista painottomuuslentoaan Jukka Piiroselle, joka vetää valon takaisinsirontaa tähtitieteen laitoksella tutkivaa ryhmää.

Pienestä paakkuuntumisesta huolimatta tuloksena oli kuitenkin runsaasti kuvia, jotka nopean ensisilmäyksen jälkeen vaikuttavat kiinnostavilta. Suomalaisryhmän tekemä koejärjestely mittasi valon ns. oppositioilmiötä Kuun pinta-ainetta jäljittelevässä näytteessä.

Kokeessa lasersäde ohjattiin puoliläpäisevän peilin kautta näytteeseen, joka puolestaan heijasti valon tähtitieteellisissä havainnoissa normaalisti käytettävään digitaalikameraan. Puoliläpäisevän peilin avulla laserin valo voidaan taittaa 90 astetta sivuun, jolloin lasersäde osuu näytteeseen lähes suorakulmaisesti ja heijastuu miltei suoraan takaisin tulosuuntaansa, missä säde osuu kameraan. Tietokone ohjasi kameraa ja tallensi muistiinsa tuloksena saatavat epäterävää täplämäistä pistettä muistuttavat kuvat.

"Osasimme odottaa vähän näytteenä olevan mineraalipitoisen hiekan paakkuuntumista, joten rakensimme laitteeseen näytekammiota täristävän sähkömoottorin", kertoo Näränen tyytyväisenä. Alunperin tähtitieteen laitoksen tutkimuskäytössä ollut laitteisto vaati muitakin muutoksia ennen painottomuuteen viemistä. Suurin osa modifikaatioista liittyi tiukkoihin turvamääräyksiin, mutta myös laitteen toimiminen omalaatuisissa olosuhteissa vaati omat virityksensä. "Rakensimme tähtitieteen laitoksen osista koostuvaa laitetta varsin ahkerasti toukokuusta kesäkuun loppuun TKK:n Sähkötekniikan osastolla, eli tässä oli oppilaitosten välistä hyvää yhteistyötä käytännössä. Lisäksi sain apua matkaan Geodeettiselta laitokselta, missä olen nyt työssä", hymyilee Näränen.

"Homma toimi siten, että käänsimme jokaisen paraabelin välissä, eli jokaisen painottomuusjakson jälkeen peiliä hyvin vähän sivuun, jolloin pystyimme mittaamaan takaisinheijastumaa erilaisilla hyvin pienillä kulmilla", selittää Näränen. Painottomuuden alkaessa laser valaisi näytteen ja kamera otti kuvan heijastuvasta valosta. "Yhden kuvan ottaminen kestää melkein sen vähän yli 20 sekuntia, minkä painottomuus kestää, joten pystyimme ottamaan kullakin kerralla yhden kuvan."

Tutkimuslentoja kampanjan aikana tehtiin kaksi, joista ensimmäisen aikana mukana koneessa laitetta käyttämässä olivat Jyri Näränen ja Seppo Heikkilä. Toisella lennolla kuvia ottivat Ville Saarinen ja Mikael Granvik. Ensimmäisen lennon aikana tehtiin normaaliin tapaan 31 paraabelia, mutta toisella jouduttiin tyytymään pariinkymmeneen.

"Ensimmäisten paraabelien aikana emme kuitenkaan kuvanneet, koska painottomuus oli sen verran uusi ja outo asia, että siihen oli parasta ensin totuttautua", kertaa Näränen tapahtumia. "Se oli upea, kerrassaan erinomainen tunne, ja oli sääli, että lento meni niin nopeasti ohi", jatkaa Jyri ja koittaa eläytyä uudelleen tilanteeseen. "Meistä kukaan ei tullut lennoilla sairaaksi, eikä meidän lennollamme ollut montaakaan pahoinvointitapausta", jatkaa Näränen ja kertoo, että jälkimmäisellä lennolla oli epätavallisen paha tapaus: "Se on kuulemma erittäin harvinaista, mutta koska kyse on varsin omalaatuisesta lentämisestä, niin sellaista saattaa tapahtua. Pahoinvointi on pääasiassa psykologista, eli jos jännittää kovasti sairastumista, niin se tapahtuu helpommin juuri silloin."

Takaisin tutkimuksen ääreen

Nyt suomalaisryhmän erikoislaatuinen, epämuotoista T-kirjainta muistuttavaan laatikkoon suljettu optinen penkki on tulossa maakuljetuksena kotimaahan ja ryhmä voi keskittyä kuviensa analysointiin. Kuvat ovat epätarkkoja läikkiä, jotka kertovat kuitenkin tutkijoille paljon: "mittaamme niistä periaatteessa vain valon määrän, eli kuinka voimakkaasti valo heijastuu kameraan eri kulmista näytteeseen osuessaan." Lähellä nollakulmaa olevilla heijastumilla näyte loistaa takaisin kirkkaammin, mitä sen periaatteessa pitäisi; puhutaan ns. oppositioilmiöstä, joka on havaittavissa paljain silminkin täysikuuta katsoessa. Kuu on huomattavasti kirkkaampi kuin sen pitäisi olla pelkästään kuun täyden kiekon heijastuspinta-alasta laskettuna. Ilmiöön liittyvää fysiikkaa on yritetty ymmärtää jo yli sadan vuoden ajan ja useita takaisinsirontaa selittäviä teorioita onkin olemassa, mutta lopullista selitystä ilmiölle ei ole löydetty.

Mittaukset hyvin pienillä heijastuskulmilla ovat siten kiinnostavia, ja erikoisen jännittäviä ovat nyt tulokset painottomuudessa olleesta näytemateriaalista. Maan päällä näyte on painuneena kasaan painovoiman vuoksi, mutta painottomuudessa ollessaan se muistuttaa enemmän Kuun tai asteroidien pinnalla heikossa painovoimakentässä olevaa ainetta. Ilmiötä ei ole tiettävästi koskaan aikaisemmin mitattu painottomuudessa, joten suomalaisryhmän koetulokset saattavat herättää runsaasti kiinnostusta.

Käyttöä myös arkisissa sovelluksissa

Oppositioilmiön tutkiminen ei ole vain akateeminen ongelma, vaan sillä on suoria sovelluksia käytäntöön. Paitsi että tähtitieteilijät kykenevät tutkimaan paremmin kaukaisia taivaankappaleita, auttaa valon takaisinsironnan ymmärtäminen tekemään entistä tarkemia havaintoja Maan pinnasta. Kaukokartoitussatelliittien mittaustiedoista on mahdollista saada paljain silmin näkyvää enemmän tietoa irti esimerkiksi maaperän olemuksesta sen takaisinsironnan avulla. Vaikka lennolla Näränen olikin Helsingin yliopiston tähtitieteen laitoksen opiskelijana, tutkii hän asiaa kuitenkin Geodeettisella laitoksella, missä tehdään myös paljon aiheeseen liittyvää tutkimusta.

Valon heijastusominaisuuksien parempi tunteminen auttaa niin ikään kehittämään erilaisia pinnoitteita ja väriaineita, joilla on käyttöä esimerkiksi tekstiili-, väri- ja paperiteollisuudessa.

Lisätietoja:

Jyri Näränen, matkapuh. 041-528 8255
Ville Saarinen, matkapuh. 050-5259669

Dosentti Jukka Piironen
Helsingin yliopiston tähtitieteen laitos, puh. 09-191 24353