Hyppää pääsisältöön

Suomi-satelliitti auttaa sään ennustamisessa – nimen takana ei ole valtio vaan sääsatelliittitekniikan pioneeri Verner Suomi

Maapallo tänään (31.12.2019) Meteosatin kuvaamana
Maapallo vuoden 2019 viimeisenä päivänä (31.12.2019) Meteosatin kuvaamana. Maapallo tänään (31.12.2019) Meteosatin kuvaamana Kuva: EUMETSAT Meteosat,EUMETSAT,sääsatelliitti

Sääennusteita haukutaan aina epätäsmällisyydestä, mutta ne ovat nykyisin erinomaisen tarkkoja ja hyviä. On vaikea kuvitella aikaa, jolloin huomisen sää oli vain perinneuskomusten ja iltaruskon ihmettelyn varassa.

Kattavan säähavaintoverkon ja tutkien lisäksi satelliitit ovat nykyin tärkeässä roolissa. Kymmenet satelliitit lähettävt koko ajan rutiinininomaisesti tietoja, joita käytetään apuna sään ennustamisessa ja tutkimusessa. Eräs näistä on amerikkalaissatelliitti nimeltä Suomi NPP. Sen ottamia kuvia otetaan vastaan myös Suomessa, Ilmatieteen laitoksen Sodankylässä sijaitsevalla maa-asemalla.

Kuvia käytetään moneen tarkoitukseen sääennustemallien kehittämisestä Itämeren jääkarttojen tekemiseen.

Satelliitin nimessä kirjaimet NPP tulevat sanoista National Polar-orbiting Partnership, mikä tarkoittaa sitä, että kyseessä on monen yhdysvaltalaisen organisaation yhteiskäytössä oleva, maapallon napojen kautta kulkevalla radalla oleva sääsatelliitti. Sen operaattori on NOAA, eli National Oceanic and Atmospheric Administration, eli USA:n kansallinen sää- ja valtamerentutkimusorganisaatio.

Suomi nimessä ei kuitenkaan tarkoita valtiota nimeltä Suomi, sillä Suomi ei ollut juurikaan tekemisissä avaruustekniikan kanssa 1960-luvulla. Nimi viittaakin amerikansuomalaiseen tutkijaan Verner Suomeen.

Hän keksi niin sanotun skannaavan radiometrin, eli sääsatelliiteissa käytetyn kuvantamislaitteen. NOAA kunnioitti Suomea ristimällä vuonna 2012 laukaistun satelliitin hänen mukaansa.

Verner Suomi ja hänen mukaansa nimetty satelliitti
Verner Suomi ja hänen mukaansa nimetty satelliitti. Verner Suomi ja hänen mukaansa nimetty satelliitti Kuva: NOAA Verner Suomi,sääsatelliitit

Verner Suomi syntyi amerikansuomalaiseen perheeseen Evelethin kylässä Minnesotassa vuonna 1915. Toisen maailmansodan alussa hän hakeutui ilmavalvontakurssille, missä hän tutustui meteorologiaan. Myöhemmin hän hakeutui ja pääsi Chicagon yliopistoon lukemaan meteorologiaa.

Tohtorinväitöksensä Verner Suomi teki maissipeltojen lämpötaseesta. Aiheesta hän ei ollut kovin innostunut, mutta se johdatti hänet tutkimaan tarkemmin koko maapallon lämpötasetta.

Ja nyt satelliitit astuivat mukaan kuvaan: avaruusaika oli orastamassa 1950-luvun puolivälissä ja Verner Suomi oli ensimmäinen, joka ehdotti lämpötaseen mittaamista avaruudesta.

Verner Suomi maissipellolla työryhmineen tekemässä mittauksia
Verner Suomi (oikealla) maissipellolla työryhmineen tekemässä mittauksia. Verner Suomi maissipellolla työryhmineen tekemässä mittauksia Kuva: Wisconsin-Madisonin yliopisto Verner Suomi,radiometri

Paras tapa mitata tätä oli käyttää radiometriä. Se on eräänlainen kamera, joka on herkkä vain tietynlaiselle valolle ja tekee kuvansa "skannaamalla" kuvakenttäänsä. Laite jakaa periaatteessa kuvansa pikku pisteisiin, pikseleihin, ja mittaa kunkin kirkkauden tietyllä aallonpituudella.

Lämpötasapainoa on parasta mitata lämpösäteilyllä, eli infrapunavalon alueella, joten Suomen laite viritettiin toimimaan sillä. Erikoisuutena jo aiemmin kehitettyihin radiometreihin oli se, että laite käytti skannaamisessa hyväkseen satelliitin pyörimistä. Ammoin suuri osa satelliiteista laitettiin pyörimään, koska silloin ne pysyivät hyrrän tapaan automaattisesti oikeassa asennossa.

Ongelmana näissä oli kuitenkin se, että kameran kuvakenttä pyöri myös koko ajan kameran mukana, ja siksi tarkkojen, hyvien kuvien ottaminen oli hankalaa.

Kuuntele lisää modernista sääsatelliittitekniikasta:

Suomen idea oli tehdä radiometri, joka periaatteessa skannasi vain viirumaista aluetta pystysuunnassa, ja kun satelliitin pyöriessä kuvakenttä pyyhkäisi maapallon yli ja näitä pystyskannauksia tehtiin koko ajan, saatiin aikaan kuva, kun tuloksena olleet pystyskannauksen laitettiin peräkkäin vaakatasossa.

Kyse oli siis vähän kuin TV-kuvan tekemisestä, missä pyöriminen hoitaa vaaka-akselin. TV-kuvaa tekniikka vastasi myös siten, että kuvia tuli koko ajan lisää, sillä periaatteessa jokaisella pyörähdyksellä saatiin maapallosta uusi kuva.

Toinen raketeista rysähti vain vajaan sadan metrin päähän paikasta, missä Verner Suomi oli seuraamassa laukaisua.

Suomen yhdessä Robert Parentin kanssa tekemä "Spin-Scan Camera" oli ensimmäinen avaruuteen lähetetty meteorologinen mittalaite. Se oli mukana kahdessakin satelliitissa vuonna 1959, mutta kummankin laukaisu epäonnistui.

Toinen raketeista rysähti itse asiassa vain vajaan sadan metrin päähän paikasta, missä Suomi oli seuraamassa laukaisua. Tutkijat odottivat tunnin ajan liekkien sammumista ja ruuvasivat rikkoontuneen mittalaitteensa irti satelliittiromusta.

Avaruuteen laite pääsi viimein lokakuussa 1959 Explorer 7 -satelliitin mukana.

Explorer 7 osoitti, että periaate toimi. Erityisen sopivaksi Suomen radiometri osoittautui kuitenkin geostationaariradalle lähetetyissä sääsatelliiteissa. Tuolla noin 36 000 kilometrin korkeudessa olevalla radalla satelliitti kiertää maapallon täsmälleen samassa ajassa kuin maapallo pyörähtää akselinsa ympäri, joten satelliitti näyttää pysyvän koko ajan paikallaan Maan suhteen.

Geostationaariradalla oleva satelliitti pystyy siis tarkkailemaan koko ajan samaa kohtaa maapallon pinnalla, ja siksi se sopii erinomaisesti niin tietoliikennesatelliiteille kuin sääsatelliiteillekin.

Explorer 7:n radiometrillä otettu kuva ja ATS-1:n ensimmäinen kuva
ATS-1:n ottama kuva ja vertailun vuoksi vasemmalla pikkukuvana Explorer 7:n radiometrin ottama ensimmäinen kuva. Pientä kehittymistä havaittavissa! Explorer 7:n radiometrillä otettu kuva ja ATS-1:n ensimmäinen kuva Kuva: NOAA radiometri,Verner Suomi,Explorer 7,ATS-1

Ensimmäinen pyöräskannaava radiometri olikin Yhdysvaltain ensimmäisen geostationaarisen sääsatelliitin, ATS-1:n, päähavaintolaite. Se laukaistiin avaruuteen vuonna 1966. Seuraavana vuonna lähetetyssä ATS-3:ssa oli jo väriversio laitteesta – kun kanavia on enemmän, pystytään kuvista tekemään värillisiä.

Kameransa lisäksi Suomi osallistui monien muiden tutkimuslaitteiden kehittämiseen. Hän myös johti sääsatelliittikuvien käsittelysysteemin kehittämistä.

Hieman yleistäen voisi sanoa, että hänen ansiostaan on vuodesta 1972 alkaen voitu näyttää sääsatelliittien kuvia kätevästi ja lähes reaaliaikaisesti osana TV:n sääennusteita.

Koska Suomi oli maapallon pilvikuvien tulkinnan kenties paras tuntija, hän oli mukana tutkimassa myös Venuksen, Jupiterin ja Saturnuksen pilviä Nasan tutkijaryhmissä. Hänen periaatettaan käytettiin myös näiden planeettojen, sekä Merkuriuksen lämpötasapainon mittaamiseen.

Verner Suomi jäi eläkkeelle vuonna 1986 ja kuoli vuonna 1995.

Suomen perinne elää YLEn sääuutisissakin

Pyöröskannaava radiometri oli myös havaintolaitteena ensimmäisissä eurooppalaisissa sääsatelliiteissa, Meteosateissa.

Meteosat-1 lähetettiin geostationaariradalle vuonna 1978, ja näitä ensimmäisen sukupolven eurooppalaisia sääsatelliitteja tehtiin kuusi, ennen kuin 2000-luvulla niitä alettiin korvata uusilla, toisen sukupolven Meteosateilla. Niissäkin havaintolaitteena oli pyöröskannaava radiometri, tosin paljon parempi ja tarkempi.

Meteosatien tekemisestä ja lähettämisestä on vastannut Euroopan avaruusjärjestö, mutta vuodesta 1986 alkaen satelliittien operoinnista on vastannut kansainvälinen organisaatio nimeltä Eumetsat. Suurin osa tämän eurooppalaisen sääsatelliittijärjestön jäsenmaista on nimensä mukaisesti Euroopan maita ja myös Euroopan avaruusjärjestön jäseniä, mutta lisäksi mukana on esimerkiksi Turkki.

Meteosat ja maapallo piirroksessa
Toisen sukupolven Meteosat piirroksessa. Radiometrin "ikkuna" on soikea aukko satelliitin kyljessä. Meteosat ja maapallo piirroksessa Kuva: ESA ESA,Meteosat Second Generation,EUMETSAT

Nyt tekeillä on jo kolmas Meteosat-sukupolvi, joka on suuri harppaus eteenpäin.

Siinä missä aiemmat Meteosatit pyörivät, niin uudet ovat ns. kolmiakselistabiloituja: niissä on aktiiviset asennonsäätölaitteet, jotka pitävät niiden asennon koko ajan kohti Maata suunnattuna. Nyt mukaan voidaan laittaa paljon tarkempia ja parempia havaintolaitteita, ja siksi uusien satelliittien kyvyt ovat lähes uskomattomia.

Uudet satelliitit tehdään samaan tapaan kuin aiemmatkin: Euroopan avaruusjärjestö vastaa tekemisestä ja laukaisemisesta, mutta operoinnista huolehtii Euroopan sääsatelliittiorganisaatio EUMETSAT.

Kolmannen sukupolven Meteosat
Uusia Meteosat-satelliitteja on kahdenlaisia, jotka näyttävät samanlaisilta, mutta joissa on erilaisia havaintolaitteita. Kolmannen sukupolven Meteosat Kuva: ESA EUMETSAT,ESA,Meteosat,Meteosat Third Generation

Yksi aiempi Meteosat korvataan lisäksi kahdella uudella, joista toisen havaintolaite on enemmänkin kamera, ja toisen radiometri. Toinen kuvaa, toinen skannaa.

Kuvaavat satelliitit pystyvät saamaan kuvia 16 eri kanavalla muutamien satojen metrien tarkkuudella jopa 2,5 minuutin välein, ja skannaavat pystyvät muodostamaan ilmakehästä kolmiulotteisen mallin.

Tietoa uudet satelliitit tuottavat paljon nykyistä enemmän. Joissain maissa sääennustajat tulevatkin olemaan pulassa, kun tietokonejärjestelmiä pitää kehittää ottamaan valtavat tietomäärät vastaan.

Uudet satelliitit antavat kuitenkin lähes uskomattomia välineitä sään parempaan ennustamiseen. Satelliiteista on apua niin pitkän ajanjakson ennusteita tehtäessä, kuin myös etenkin aivan lähituntien ajaksi tehtävissä ennusteissa.

MetOp-satelliitti testattavana
MetOp-satelliitti testattavana Euroopan avaruustekniikkakeskuksen avaruussimulaattorissa. Kolme MetOp-satelliittia täydentävät Meteosatien lähettämiä tietoja tarkoilla havainnoilla. MetOp-satelliitti testattavana Kuva: ESA METOP,ESA,EUMETSAT,ESTEC

Rahanarvoisia etuja suoraan taivaalta

Kalliiksi mielletyn avaruustekniikan hyödyt ovat nykyään paljon kustannuksia suuremmat.

Vuonna 2010 sääpalveluiden arvioidaan tuoneen vähintään 15,7 miljardin säästöt Euroopassa, kun mukaan lasketaan myrskyihin, tulviin ja muihin luonnononnettomuuksiin varautumiset, sekä arkipäiväisten sääennusteiden ansiosta saadut säästöt. Näitä ovat muun muassa liikenteen paremmat reititykset, rakennustyömaiden organisointi ja maataloudessa saadut säästöt. Todennäköisesti luku on suurempi, kenties jopa yli 60 miljardia – siis pelkästään Euroopassa yhden vuoden aikana.

Kaikkein konkreettisimmin sääsatelliittien hyödyt näkyvät meriltä tulevien myrskyjen ennustamisessa. Merillä ei ole kattavaa säähavaintoverkkoa, eikä laivoista ja lentokoneista saada niin hyvää ja tarkkaa tietoa kuin satelliiteista.

Inhimillisiä kärsimyksiä ei tuhoista voi mitata, mutta esimerkiksi New Orleansiin elokuussa 2005 iskenyt hurrikaani Katrina tuotti 125 miljardin dollarin edestä vahinkoja. Vahingot olisivat olleet tuplasti isommat ilman sääennustamisen ansiosta tehtyä varautumista. Kuolonuhreja Katrina aiheutti noin 1200, ja tämäkin luku olisi ollut suurempi ilman tilannetta seuranneita satelliitteja.

Kalliiksi mielletyn avaruustekniikan avulla tehdyt sääennusteet ovat säästäneet rahaa jopa yli 60 miljardia vuoden aikana.

Euroopassa tuhoisin luonnononnettomuus on ollut vuoden 2002 tulvat, jotka peittivät alleen suuria alueita Tsekissä, Saksassa ja Itävallassa. 110 ihmistä kuoli ja vahinkoja koitui 19,2 miljardin euron verran. Satelliittien lähettämien kuvien avulla tulvan etenemistä ja seurauksia voitiin tarkkailla reaaliajassa, jolloin tuhoihin voitiin varaututa paremmin.

Koko eurooppalainen Meteosat-ohjelma on tähän mennessä (ensimmäisen ja toisen sukupolven satelliittien tekeminen ja lähettäminen) on tullut maksamaan noin 1,8 miljardia euroa.

Geostationaariradalla olevien satelliittien lisäksi Eumetsatilla on kolme lähempänä maapalloa kiertävää MetOP-satelliittia, joiden tekeminen ja laukaiseminen on tullut maksamaan noin 2,3 miljardia euroa. Kun kaukaa olevista satelliiteista saadaan tietoa laajoilta alueilta, tuottavat lähempänä olevat satelliitit paljon hetkellisiä, tarkkoja havaintoja. Näistä lähellä olevista satelliiteistakin on tulossa pian uusi sukupolvi.

Eurooppa ei ole tietenkään yksin havaitsemassa säätä avaruudesta. Sääsatelliitteja on Euroopan ja Yhdysvaltain lisäksi mm. Venäjällä, Kiinalla, Intialla ja Japanilla. Lisäksi Yhdysvaltain ja Venäjän sotavoimilla on omia sääsatelliittejaan.

Uusien satelliittien avulla sääennusteista saadaan vielä tarkempia. Vaikka säätä ei niilläkään voi muuttaa, tekevät ne varautumisesta niin luonnononnettomuuksiin kuin kesäisiin grillijuhliin paljon luotettavampaa.

Lue myös - yle.fi:stä poimittua

Tiede

Ylen tiedekirje

Ylen kiinnostavimmat tiedejutut sähköpostiisi joka sunnuntai!

Tilaa

Uusimmat sisällöt - Tiede