Putoamiskiihtyvyys eli populaaristi ilmaistuna painovoima on Maan pyörimisliikkeen seurauksena päiväntasaajan kohdalla pienempi kuin navoilla. Sen lisäksi painovoiman suuruuteen vaikuttavat monet muutkin tekijät. Niiden jäljillä on tutkimuspäällikkö Jyri Näränen, joka työskentelee Paikkatietokeskuksen Geodesian ja geodynamiikan osastolla.

Suomessa ensimmäiset painovoimamittaukset teki Alexis Clairaut 1736–37 Maupertuis’n johtamien Lapin astemittausten yhteydessä. Paikkatietokeskuksen edeltäjä, Geodeettinen laitos, perustettiin heti itsenäistymisen jälkeen, ja sen ensimmäisiä tehtäviä oli tehdä valtakunnallisia painovoimamittauksia, jotka aloitettiin 1924.

Alkuun mittauksia tehtiin heilurin liikkeeseen perustuvilla laitteilla, myöhemmin siirryttiin jousen varassa liikkuvaa kappaletta tarkkaileviin gravimetreihin. Mittausten pohjalta luotiin Suomen painovoimajärjestelmä ja geoidi eli teoreettinen merenpinta, jonka suhteen karttojen korkeudet määritetään.

Painovoimaa on mahdollista mitata kahdella tavalla. Absoluuttisesti sitä mitataan nykyisin ”pudottamalla kappaleita tyhjiössä”, kuten Näränen tekniikkaa luonnehtii.

”Mittalaitteemme tiputtaa peiliheijastinta tyhjiössä ja mittaa laserinterferometrilla sen kiihtyvyyden. Absoluuttigravimetrissä käytettävä laserlähde on aallonpituudeltaan niin tarkka, että sitä voisi käyttää metrin standardina. Siitä saadaan mittausmatkan pituus, aika saadaan atomikellosta, jonka taajuus voidaan jäljittää yhteen sekuntiin.”

Pituuden muutos ajan suhteen. Putoavan kappaleen yhtälö. Kuulostaa yksinkertaiselta perusfysiikalta, mitä se pohjimmiltaan onkin. Painovoimamittauksissa on kuitenkin huomioitava monia tekijöitä suhteellisuusteoriasta lähtien, joten mittaustuloksen eli putoamiskiihtyvyyden arvon laskeminen ei ole ihan yksinkertaista.

”Menetelmä on todellisuudessa melko vaikea, ja absoluuttigravimetrit ovat raskaita ja monimutkaisia laitteita, mutta niillä saadaan määritettyä painovoiman absoluuttinen arvo metriä sekunnissa toiseen -yksiköissä, kahdeksanteen desimaaliin saakka. Tätä tarkempia painovoiman absoluuttista arvoa määrittäviä laitteita ei ole.”

Relatiivigravimetriä käytetään esimerkiksi painovoimakartoituksia tehtäessä. Siinä on jousen varassa pystysuunnassa liikkuva massa, johon vaikuttavan painovoiman suuruus saadaan määritettyä mittaamalla jousen venymä: mitä suurempi painovoima, sitä isompi venymä.

”Relatiivigravimetri on aina kalibroitava tunnettujen absoluuttisten mittapisteiden suhteen, jotta mittaustulokselle saadaan skaala. Muuten se ei kerro oikein mitään. Relatiivigravimetrin etu on kuitenkin se, että ne ovat niin pieniä, että ne mahtuvat reppuun ja mittaukset vievät parhaillaan vain minuutin.”

Tällä hetkellä Suomessa on 19 absoluuttipainovoimapistettä, jotka mitataan kerran kolmessa vuodessa. Niiden lisäksi on noin 35 000 painovoimapistettä, joissa mittaus on tehty kertaalleen relatiivigravimetrillä.

Jälkimmäisten tarkkuus ei ole läheskään yhtä hyvä kuin absoluuttipisteiden, mutta toisaalta ne kattavat koko maan. Lisäksi järjestelmää pystytään päivittämään ja tarkentamaan absoluuttigravimetreillä tehtävien mittausten avulla.

Suomalaiselle painovoimatutkimukselle antaa erikoisaseman jääkauden jälkeinen ja edelleen ilmenevä maankohoaminen. Painovoima muuttuu jatkuvasti, joten kertamittaukset eivät riitä ja tilannetta on tarkkailtava kaiken aikaa. Se on osaltaan vaikuttanut siihen, että Suomi on ollut pitkään alan johtavia maita maailmassa.

Etenkin 1900-luvun puolivälissä ja siitä eteenpäin suomalaiset tutkijat, kuten professorit V. A. Heiskanen ja Tauno Honkasalo, olivat geodesian perustan kehittäjinä jopa maailmanmaineessa. Professori Markku Poutanen puolestaan toimi vastikään  kansainvälisen geodeettisen yhdistyksen IAG:n (International Association of Geodesy) pääsihteerinä, ennen kuin hän jäi eläkkeelle.

”Olemme pyrkineet olemaan mukana paitsi tieteen myös tekniikan kehityksessä. Heilureista siirryttiin jousitekniikkaan ja vuonna 1988 hankittiin ensimmäinen absoluuttigravimetri, jollaisia oli siinä vaiheessa rakennettu koko maailmassa vasta kuusi kappaletta.”

Perinteet paitsi velvoittavat myös kantavat pitkälle. Mittaustekniikan saralla Paikkatietokeskuksella on Pohjoismaiden ja koko pohjoisen Euroopan ainoa metrologinen painovoimalaboratorio, seuraavaksi lähin on Saksassa.

Image

Maanmittauslaitoksella tarkastellaan kahta metrologian eli mittaustekniikan suuretta: yli metrin pituuden kanssa ollaan tekemisissä Nummelan perusviivalla, vielä laajemman skaalan ilmiöitä mitataan gravimetreillä.

Painovoima vaikuttaa aina ja kaikkialla, mutta se siis vaihtelee. Miksi näiden muutosten seuraaminen on tärkeää?

”Yksi syy on juuri se, että painovoima ei ole luonnonvakio. Se tulee vastaan hyvin monissa fysiikan kaavoissa. Siksi on välttämätöntä tietää sen tarkka arvo tehtäessä esimerkiksi tarkkuusmittauksia, jotka tavalla tai toisella liittyvät painoon.”

Painovoiman suuruuteen tietyllä paikalla ja tiettynä ajanhetkenä vaikuttavat monet asiat. Paikallinen geologia, esimerkiksi malmiesiintymä, kasvattaa painovoiman arvoa. Tuhansien järvien maassamme painovoimamittaukset ovat tärkeitä myös siksi, että painovoima määrää, mihin vesi virtaa.

”Virtaussuunta on aina kohti suurempaa painovoimaa. Yksi Maanmittauslaitoksen tehtävistä on määrittää Suomen korkeusjärjestelmät. Geometrinen eli maantieteellisen maastonmuoto ei välttämättä kerro, mihin suuntaan vesi virtaa. Se voi virrata jopa ylämäkeen, jos korkeammalla on jokin painovoimatihentymä.”

Suomessa tilanne on pääsääntöisesti se, että vesi virtaa maalaisjärjen mukaisesti alamäkeen, mutta vuoristoisilla seuduilla, äärimmäisenä esimerkkinä Himalaja, painovoima voi paikallisesti saada aikaan kummallisia ilmiöitä: luotiviiva ei olekaan siellä pystysuorassa.

Meillä merkittävin painovoimaa muuttava tekijä pitkällä aikavälillä on maankohoaminen. Viimeisimmän jäätiköitysvaiheen aikana Fennoskandiaa peitti 2–3 kilometrin paksuinen jäätikkö, joka painoi maankuoren lommolle. Tuhansien vuosien ajan kuoppa on oiennut.

Edelleen maa kohoaa vauhdikkaimmin länsirannikolla, noin yhdeksän millimetriä vuodessa eli melkein metrin vuosisadassa. Se muuttaa merkittävästi paitsi rantaviivan sijaintia, myös painovoimaa.

”Vaasan seudulla etäännytään kaikkein nopeimmin Maan keskipisteestä eli siellä painovoima pienenee suurinta vauhtia.” 

Maankohoaminen ei kuitenkaan ole aina merkittävin painovoimaa muuttava tekijä. Jos on esimerkiksi hyvin kuiva ja sateeton vuosi, jolloin pohjavesivarannot ovat vähäisiä, se vaikuttaa painovoiman muutoksiin enemmän kuin maankohoaminen. Painovoima heikkenee paikallisesti, kun veden aiheuttama suora vetovoima vähenee. Tällaiset seikat ovat kuitenkin yleensä vain paikallisia ja ajoittaisia.

Painovoimamittauksilla pystytään seuraamaan myös muita ympäristössä tapahtuvia muutoksia. Esimerkiksi jäätiköiden nykyinen sulaminen ilmastonmuutoksen edetessä muuttaa merkittävästi paikallista painovoimakenttää. Paitsi että jäätikkö sulaa pois siihen sitoutunut vesi virtaa ja kertyy toisaalle.

GPS-tekniikalla päästään kiinni geometrisiin eli korkeudessa tapahtuviin muutoksiin, mutta painovoimamittaukset kertovat massassa tapahtuvista muutoksista. Suomessa tapahtuva maankohoaminenkaan ei ole pelkästään maankuoren oikenemista ja siihen liittyvää Maan ylävaipan massavirtausta, vaan siihen vaikuttaa myös kallioperän ”turpoaminen”, joka varsinkin heti jäätikön sulamisen jälkeen dominoi maankuoren liikkeitä.

Jäätikön alla kalliot puristuvat jonkin verran kasaan, ja kun paine hellittää kallioperän tilavuus kasvaa. Kun GPS- ja painovoimamittaukset yhdistetään, saadaan tietoa siitä, mikä on eri ilmiöiden – tilavuuden kasvun ja massan liikkeiden – välinen suhde.

”Tarkimpien painovoiman mittaustulosten saavuttamiseksi on tunnettava myös ympäristö ja sen vaikutukset. Esimerkiksi Metsähovin geodeettisella tutkimusasemalla suurin mittauksiin liittyvä epävarmuus johtuu juuri pohjaveden liikkeistä.”

Painovoiman mittaaminen onkin jatkuvaa vuorovaikutusta perustutkimuksen ja soveltavan tieteen välillä.

Tällä hetkellä maailman tarkimpiin mittaustuloksiin päästään suprajohtavilla gravimetreillä, jollainen löytyy Metsähovista Kirkkonummelta. Siinä tarkastelun kohteena on 2,5 senttimetrin läpimittainen niobiumista valmistettu pallo, joka leijuu magneettikentässä. Teknisesti yhtenä haasteena on suprajohtavuuden vaatima alhainen lämpötila: 9,3 kelviniä eli noin −263,9 celsiusastetta. Tähän päästään jäähdyttämällä mittalaite nestemäisellä heliumilla.

Painovoimassa esiintyvien muutosten seurauksena metallipallo pyrkii liikkumaan ylös tai alas, mutta magneettikentän voimakkuutta muuttamalla se saadaan pysymään paikoillaan. Tarvittavan sähkövirran voimakkuudesta voidaan laskea painovoiman suuruudessa tapahtunut muutos.

”Suprajohtavalla gravimetrillä päästään tarkkuuteen 10–11 metriä sekunnissa toiseen. Se on niin herkkä, että sillä on mahdollista havaita rakennuksen katolle kertyneen paksun lumivaipan vetovoima.”

Vastaavia laitteita on maailmassa joitakin kymmeniä, ja Metsähovin gravimetri on Näräsen mukaan maailman tarkin tai ainakin toiseksi tarkin.

Suprajohtavilla gravimetreillä tehdyillä mittauksilla pystytään tekemään päätelmiä myös koko maapallon mittakaavassa. Maanjäristykset saavat Maan ”soimaan”, ja lyhytaikaisia värähtelyjä mittaavasta seismometristä poiketen gravimetri voi tarkkailla maapallon maanjäristysten jälkeistä värinää ja sen vaimenemista jopa kuukausien ajan.

”Parhaimmillaan mittausten avulla päästään Maan ytimeen saakka.”

Gravitaation ja hiukkasfysiikan yhdistävää kvanttipainovoimateoriaa on kehitetty Albert Einsteinin ajoista lähtien eli melkein sadan vuoden ajan, mutta toistaiseksi vaatimattomalla menestyksellä. Painovoiman mittaamiseen sen sijaan on tulossa atomitason ilmiöihin perustuva kvanttigravimetri. Siinä tarkkaillaan ultrajäähdytettyjen rubidium-atomien keskinäistä interferenssiä niiden pudotessa tyhjiössä.

”Etuna on se, että perinteisellä absoluuttigravimetrillä voidaan tehdä mittaus noin 10 sekunnin välein, sillä lasersäteen heijastava peili on hilattava aina uudelleen ylös. Atomeja tiputtelemalla mittaus voidaan tehdä kymmenen kertaa sekunnissa.”

Parhaillaan Maanmittauslaitos on mukana EU:n rahoittamassa tutkimushankkeessa, jossa on mukana 11 maata. Hankkeessa hankitaan sekä ”terrestrisiä” eli maanpinnalle sijoitettavia että lentolaitteisiin kytkettäviä kvanttigravimetrejä. Yksi terrestrisistä gravimetreistä tulee Maanmittauslaitokselle.

Toistaiseksi kvanttigravimetrin absoluuttinen tarkkuus ei päihitä vanhaa tekniikkaa ja kooltaankin se on Näräsen sanojen mukaan jääkaappipakastimen luokkaa. Tavoitteena on kuitenkin tulevaisuudessa pakata kvanttigravimetrit niin pieneen tilaan, että ne on helppo ottaa mukaan lentokoneeseen, lähettää kaasupallon matkassa yläilmoihin tai satelliitin kyydissä Maata kiertävälle radalle.

EU on mukana paitsi tukemassa eurooppalaista alan osaamista myös siksi, että hankittavista kvanttigravimetreistä muodostetaan Euroopan laajuinen ”laitepooli”, josta eri tutkimuslaitokset voivat varata omiin tutkimushankkeisiinsa huipputarkkoja mittalaitteita, jopa useita kerralla.

”Tällä tavoin pystytään eri puolilla Eurooppaa tekemään tutkimusta, jota yksittäinen maa ei lähtisi rahoittamaan: kvanttigravimetrien kappalehinta on tällä hetkellä yli puoli miljoonaa euroa.”

Valtakunnallisista absoluuttigravimetrimittauksista ei olla vielä luopumassa. Niitä on tehty  Suomessa jo melkein 40 vuoden ajan, mutta maankohoamisen hitauden vuoksi painovoiman muutos vuositasolla on aivan tarkimpien gravimetrien mittaustarkkuuden rajoissa…

”…ja siksi empiirisen maannousun painovoimamallin luomiseen tarvitsemme vielä 10–15 vuoden ajan lisämittauksia.” Uudet teknologiat avaavat myös uusia tutkimusmahdollisuuksia.

Vaikka valtakunnalliset absoluuttimittaukset jossain vaiheessa loppuvatkin, niin Paikkatietokeskuksen työ ei siihen pääty. Kvanttigravimetrien avulla voidaan esimerkiksi tarkentaa Suomen 35 000 painovoimapisteen verkkoa, kun laite on paljon perinteisiä absoluuttigravimetrejä helpompi kuljettaa maastoon jo nyt. Lisäksi mittaukset pisteellä valmistuvat suuremman mittaustaajuuden ansiosta melkein kertaluokkaa lyhyemmässä ajassa.

•

Lue myös:

Ihmistuntemusta insinööreille – Professori Janne Lindqvist kertoo, mitä on teknillinen psykologia

Miksi Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria syrjäytti newtonilaisen mekaniikan

Tuomas Lappi ja Kari J. Eskola tutkivat, miten aineen rakenne käyttäytyy äärimmäisissä olosuhteissa