Paprikantaimi heijastaa voimakkaasti lähi-infrapunan (850 nm) aallonpituutta. Kuva: Mika ToivonenIhmissilmä kykenee havaitsemaan sähkömagneettisesta säteilyspektristä varsin kapean alueen. Näkyvä valo kattaa silmän yksilöllisestä herkkyydestä riippuen noin 380 .. 750 nanometrin väliset aallonpituudet. Spektrin punaisella laidalla, aallonpituuden edelleen kasvaessa saavumme infrapunaksi kutsutulle alueelle.
Infrapunan aallonpituudet voidaan luokitella karkeasti kahteen eri päätyyppiin: lähi- ja termiseen infrapunaan. Jaottelu on todellisuudessa yksityiskohtaisempi, mutta käytännössä on hyvä erottaa ainakin näkyvän valon kaltaisesti heijastuva lähi-infrapuna sekä kohteen itsensä passiivisesti säteilemä terminen infrapuna.
Wienin siirtymälakina tunnetun fysiikan lain mukaisesti säteilyspektrin huippu on kääntäen verrannollinen (mustan) kappaleen lämpötilaan. Kylmätkin kappaleet, mutta aina lämpöliikettä omaavina ne säteilevät kyseiselle lämpötilalle ominaisella aallonpituudella.
Auringon pintalämpötilaksi on arvioitu 5780 Kelviniä (+6053 astetta Celciusta), mikä vastaa 500 nanometrin säteilyspektrin huippua. Ihmiskehon säteilemä termisen infrapunasäteilyn aallonpituus on noin 12 mikrometriä. Tämän alueen aallonpituuksille herkkiä lämpökameroita hyödynnetään monin tavoin esimerkiksi meren- ja maanpinnan pintalämpötilojen selvittämiseen. Kameroita käytetään myös kadonneiden henkilöiden jäljittämisessä maastosta sekä
rakennustekniikassa asuntojen lämpövuotojen selvittämiseksi.
Kuuman juotoskolvin "valossa" voi jopa lukea. Yllä näkyvän valon alueella kuvattu kuuma juotoskolvi (+380 Celcius-astetta) sekä sama kuvattuna infrapunalle herkällä CCD-kamerakennolla. Kuva: Mika Toivonen
Auringosta maan ilmakehään saapuvasta säteilystä yli puolet sijaitsee infrapunan aallonpituuksilla. Kaukokartoituksessa lähi-infrapunan tiettyjä kapeita kaistoja hyödynnetään esimerkiksi eri kasvillisuustyyppien luokitteluun. Kasvit heijastavat voimakkaasti juuri lähi-infrapunan aallonpituuksia.
Analyyttisessä kemiassa emissio- ja absorptiospektrien voidaan ajatella toimivan tunnistettavan aineen sormenjälkinä. Vastaavaa menetelmää hyödynnetään myös tähtitieteessä taivaankappaleiden koostumuksen selvittämiseen.
Käytöstä poistettu digitaalikamera voi joskus saada paremman elämän, jos kameran CCD-kennon edestä poistaa infrapunasäteilyltä suojaavan suotimen. Kameran kenno on mallista riippuen herkkä myös infrapunan aallonpituuksille.
Varsinaista lämpökameraa ei digitaalikamerasta valitettavasti pysty rakentamaan, mutta riittävän kuumat kappaleet on mahdollista valokuvata.
Mielenkiintoisia valokuvaushetkiä kaikille! Omalla vastuulla sitten, jos rikotte kameranne…
Foucault'n heilurin liikerata kiertyy pohjoisella pallonpuoliskolla oikealle. Kts. lisätiedot alla. Kuva: Mika ToivonenRanskalainen fyysikko Jean Bernard Léon Foucault esitteli Pariisissa vuonna 1851 heilurin, joka koostui pitkän teräslangan päähän sijoitetusta messinkipallosta. Peruukkien alla varmasti kuhisi jännittynyt tunnelma, kun heilurin kärki piirsi hiekkaan aluksi vain suoraa viivaa, mutta yleisön hämmästykseksi piirtojälki alkoi kiertymään!
Foucault’n heiluri on mielenkiintoinen mittalaite maapallon pyörimisliikkeen tutkimiseen. Maapallon pyöriminen akselinsa ympäri tuottaa nk. Coriolis-ilmiön, joka saa tykinkuulat kaartumaan oikealle sekä matalapaineet pyörimään pääsääntöisesti vastapäivään pohjoisella pallonpuoliskolla.
Suomessa ensimmäinen Foucault’n heiluri asennettiin Eurajoen vesitorniin vuonna 1986. Foucault’n heiluria voi heilutella myös Vantaan tiedekeskus Heurekassa. Huonekorkeuden salliessa Foucault’n heilurin voi valmistaa kätevästi myös kotioloissa.
Henkilöauton sisälle kiinnitetty vappupallo liikahtaa kiihdytyksessä eteenpäin. Oikealle kaartaessa vappupallo kallistuu myös oikealle. Jarruttaessa pallo liikahtaa taaksepäin. Tiheyserojen muodostuminen ja tasoittuminen on läsnä kaikessa, mikä ilmaa tai vettä liikuttaa.
Vappupallon erikoista käyttäytymistä selitetään Arkhimedeen lain nosteella. Vappupallon helium on ympäröivää ilmaa kevyempää kaasua, joten auton kiihdytyksessä heliumin syrjäyttämä ilmamassa muodostaa ylöspäin suuntautuvan nosteen lisäksi vaakasuuntaisen nosteen (tai painegradientin), mikä puskee palloa pienemmän tiheyden suuntaan. Kattoon kiinnitetty omena ei käyttäydy samalla tavoin, sillä omena on ympäröivää ilmaa tiheämpää materiaalia. Painottomassa tilassa (nollakiihtyvyydessä) nostetta ei esiinny lainkaan.
Kuvassa vasemmalle suuntautuvassa kiihtyvässä liikkeessä oleva vatupassi. Ilmakupla liikkuu kiihtyvyyden suuntaan. Kuva: Mika Toivonen
Vaakasuoralle pöytäpinnalle asetetun vatupassin ilmakupla pystyttelee merkkiviivojen välissä. Mikäli vatupassin toiseen päähän kohdistetaan sormella nopea isku, ilmakupla liikahtaa kohti kiihtyvyyden suuntaa.
Inertia eli hitaus (tai massa) on kaikkeen materiaan liittyvä fysikaalinen ominaisuus, joka vastustaa liiketilan muutoksia.
”Heureka! Olen löytänyt sen!”, kerrotaan Arkhimedeen huutaneen ja juosseen suoraan kylpyammeesta alastomana kaupungille. Mitä Arkhimedes sitten todella oivalsi?
Ehkä sen, että kylpyammeeseen upotettuun litran kokoiseen kumiankkaan kohdistui 9,81 Newtonin noste huolimatta siitä, minkä muotoinen tai painoinen ankka on, kunhan vain on väriltään keltainen.
Lähteet:
MIT OpenCourseWare, Physics I, Classical Mechanics, Prof. Walter Lewin http://ocw.mit.edu/courses/physics/8-01-physics-i-classical-mechanics-fall-1999/
Valokuva:
Kuvassa kahdeksan kilon kahvakuulasta valmistettu Foucault’n heiluri. Kuvattu koejärjestelyn alussa (punainen) ja lopussa (sininen) havaitut kuulan liikeradat. Yhdistetty samaan valokuvaan. Kuvakulma katosta lattiaan.
Tämä lisko syö Lorenzin attraktoreita aamupalaksi. Kuva: Mika Toivonen
“Voiko perhosen siipien heilahdus Brasiliassa aiheuttaa tornadon Teksasissa?” – Edward Lorenz.
Kentänhoitaja istuu ruohonleikkurin istuimelle ja ryhtyy leikkaamaan golf-kentän nurmikkoa. Aurinko paahtaa saaden hikipisaran helmeilemään golfaajan ohimolla. Nahkaiset hansikkaat puristuvat naristen mailan ympärille. Tilanne on äärimmäisen jännittynyt. Swingin pitää osua kohdalleen.
Golf-pallon lyöntiä voi ajatella alkuarvoherkkänä tilanteena. Pieni muutos mailan lyöntikulmassa tai voimassa vaikuttaa pallon lentorataan. Pallon pinnan rosoisuus tuo lentovaiheessa pintaturbulenssia, mikä saa pallon lentämään pidemmälle kuin sileän pallon laminaarisessa virtauksessa.
Ilman liikettä kuvaavilla matemaattisilla malleilla on alkuarvoherkkyyden lisäksi muitakin ongelmia. Ne ovat vain kalpea aavistus luonnon tilasta silloin, kun pitäisi mallintaa joko riittävän pieniä, esimerkiksi juuri perhosen siiveniskun kokoluokkaa olevia ilmanpaineen muutoksia tai turbulenttisen suuria ilmavirtauksia. Koko sääjärjestelmä on hyvin monimutkainen. Maapalloa tulisi ajatella dissipatiivisena systeeminä, joka tuottaa, kuluttaa sekä vaihtaa niin ainetta kuin energiaa ympäristönsä kanssa. Ei ole aivan helppoa sanoa, että millä tarkkuudella mallit mallintavat todellista maailmaa. Aiheuttaako perhosen siivenisku todella pyörremyrskyn vai vaimeneeko ilmanpaineen muutos jo muutaman sentin päähän perhosesta? Aihe on kiistanalainen.
Samaan aikaan perhonen liitelee pelikentän laidalla ja istahtaa kukalle. Herkullinen mesi houkuttelee janoista perhosta, mutta laskeutuminen oli mennä perhosella ohi. Asentoa korjatessaan tämä harmiton siivekäs muuttuisi Lorenzin teorian mukaan oikeaksi kaaoksen perhoseksi, kunhan kerran heilauttaa siipiään.
Perhosen siivenisku saa kukan siitepölyn irtoamaan. Tuulenvireen mukana siitepöly osuu astmaattisen ruohonleikkaajan nenään. Kuljettaja aivastaa pahasti ja epäonnekseen putoaa leikkurin kyydistä. Leikkurin kaasuvaijeri oli huonosti huollettuna jumittunut, joten tuo miehittämätön, pärisevä hirvitys jatkaa matkaansa kohti vääjäämätöntä, mutta vielä kirjoittamatonta kohtaloaan.
Pelikentällä satunnaisen deterministisesti kiemurteleva ruohonleikkuri pelästyttää golfaajan juuri ratkaisevalla hetkellä. Pallo saa vaikean kierteen ja kopsahtaa joella seilaavaa lauttakuskia takaraivoon. Tästä kimpaantuneena lauttakuski vääntää lisää kaasua ja tulee kolhaisseeksi joessa hiljaa lipuvaa vieraan vallan sukellusvenettä. Lautan ohittamiseen piti olla navigointijärjestelmien mukaan turvallisesti aikaa, mutta jotain meni pahasti pieleen.
Sukellusveneen järjestelmät näkevät tapahtuman torpedoiskuna. Kauhistunut miehistö kirkuu. Kapteeni tulkitsee tilanteen suorastaan kaoottiseksi. Huonosti yönsä nukkuneena kapteeni menettää lopulta hermonsa. Hän hakee hyttinsä kassakaapista laukaisukoodit ja päästää Bulava-ohjukset viimeiselle matkalleen. Ohjusten lämpöaalto tuottaa valtaisan pystyvirtauksen ilmakehään, joka kasvattaa systeemin energiaa aivan uuden mittakaavan pyörremyrskylle.
Voi perhonen sentään! Vaikuttaisi siltä, että kaaoksen perhonen onnistui ainakin näin blogimuodossa tuottamaan pyörremyrskyn.
Toivotaan, että oikeassa elämässä pusikossa lymyillyt maailmanrauhan lisko nappaa perhosen pitkällä kielellään.
Lähteet:
Lorenz, Edward N., 1963: Deterministic Nonperiodic Flow. J. Atmos. Sci., 20, 130–141.
Kaaosteorian yksi ongelma ratkesi Jyväskylän yliopiston ja Pietarin yliopiston yhteistyönä
https://www.jyu.fi/ajankohtaista/arkisto/2011/09/tiedote-2011-09-01-09-36-09-360448
Bragin V.O., Vagaitsev V.I., Kuznetsov N.V., Leonov G.A. (2011). Algorithms for finding hidden oscillations in nonlinear systems. The Aizerman and Kalman conjectures and Chua’s circuits. Journal of Computer and Systems Sciences International, Vol. 50, No. 4, pp. 511–543.
Rajakerroksen Fysiikka II, luentomoniste, Timo Vihma
Teknisten ammattien matematiikka, differentiaaliyhtälöt, usean muuttujan funktiot
Launonen, Sorvali, Toivonen
Etelä-Suomi heräsi maanantaina räntäsateeseen. Sateen olomuotoennuste 19.3.2012 klo 8:00. Kuva: (C) 2012 Foreca Ltd
Räntä muodostuu lämpimään ilmakerrokseen sataneesta lumesta. Lumi sulaa osin vedeksi ja muodostaa niin liikennettä kuin jalankulkijoitakin riivaavan vetisen sohjon. Räntä kastelee vaatteet, tekee kävelemisen vaivalloiseksi ja tiet vaarallisen liukkaiksi. Uskaliaimmat lehtilööpit ennakoivat viikonlopun perusteella jopa terassikelejä alkavaksi, mutta laajalti Etelä-Suomessa saimme nauttia aamukaljamme rännän sataessa oluttuoppiin.
Sää on keskeinen tekijä yhteiskunnan toimintojen sujuvuudessa. Vaikeat sääolosuhteet lisäävät loukkaantumisia, sairastumisia ja kuolemantapauksia. Liikenteen takkuaminen hidastaa tavaroiden ja ihmisten liikkuvuutta. Pienikin myöhästyminen ei ainoastaan harmita yksittäistä ihmistä. Kertautuessaan myöhästymiset tuovat yhteiskunnalle aina mojovan lisälaskun.
Taivaalta on luonnollisesti otettava vastaan kaikki mitä sieltä annetaan. Vaarallisten säätilanteiden ennakointiin on totetutettu varoitusjärjestelmiä, mutta tilanteen ollessa päällä se ei enää lohduta.
Tapaninpäivän myrsky muistutti jälleen kerran, että leppoisaa säätä ei välttämättä voi pitää niin itsestäänselvyytenä. Suomessa on noin puoli miljoonaa sähkölämmitteistä omakotitaloa. Useat muutkin lämmitysmuodot ohjausjärjestelmineen ovat riippuvaisia sähkönsaannista.
Kuinka monessa taloudessa on varajärjestelmä lämmitykseen? Kuinka moni omistaa aggregaatin jääkaappien ja pakastimien sähkönsaannin turvaamiseksi? Onko sinulla omaa kaivoa ja maakellaria? Mitä tekisit, jos sähköt olisivat poikki yhtäjaksoisesti kuukauden? Onhan kaikki sähkökaapelit jo kaivettu maan sisään? Putoaako taivas niskaan? Käytätkö foliohattua?
Näissä merkeissä on hyvä muistaa, että kaikkeen ei voi varautua. Elämä heittelee. Taivas ei ehkä sittenkään tipu niskaan. Välttämättä saunaa ei kannata sulloa täyteen sokeria. Sokeria voi lainata myös naapurista.
Kevään korvalla lisääntynyt auringonpaiste tuntuu virkistävän ja piristävän monia meistä. Valon tiedetään tutkitusti vaikuttavan monella tavoin ihmisten mielialaan ja vireystilaan.
Silmän verkkokalvon aistinsolut ovat herkistyneet auringosta saapuville valon aallonpituuksille. Silmiin tuleva valo aktivoi näköaistinsolut ja vaikuttaa aivojen hypotalamuksessa sijaitsevaan suprakiasmaattiseen tumakkeeseen, minkä voi ajatella toimivan eräänlaisena elimistön keskuskellona. Monien elimistön hormonien, välittäjäaineiden ja kasvutekijöiden eritys ohjautuu tämän kellon mukaan.
Pimeään suljetut laboratoriorotat saavat tutkimusten mukaan masennusoireita. Piirros: Mika ToivonenTalvisin luonnonvalon tuoma aikamerkki aivoille hiipuu. Elimistöllä on tiettyjä, metabolisiksi sykleiksi kutsuttuja mekanismeja vuorokausivaihtelun tuoman aikamerkin puutteen korvaamiseksi. Pitkäkestoisella jatkuvalla pimeydellä voi kuitenkin olla haitallisia seurauksia. Pimeään suljetut laboratoriorotat saavat tutkimusten mukaan masennusoireita. Saman ilmiön voi havaita ihmisillä. Valon puute alentaa dopamiinieritystä, vaikuttaa sokeritasapainoon ja heikentää jopa muistia. Olemme riippuvaisia auringon nousun ja laskun tuomasta tahdistuksesta sisäiseen kelloomme.
Aurinko vaikuttaa terveyteemme myös muilla tavoin. Auringonpalvojilla on vakava vaara polttaa nahkansa korpulle ja vanhentua ennen aikojaan, mutta kohtuudella nautittuna auringolla on suotuisia vaikutuksia terveydelle.
Mikäli auringon säteilystä nauttii Suomen oloissa turvallisen lyhyitä jaksoja kerrallaan, huomaten samalla olla estämättä UV-säteilyn hyödyllisiä vaikutuksia korkean suojakertoimen aurinkovoiteilla, voi elimistön päivittäisen D-vitamiinitarpeen saada tyydytetyksi jo 15 minuutin auringonotolla. Pidempiä jaksoja auringossa oleilevien on syytä suojata nahkansa. Auringolla on myös vaaransa.
Kesän valoisat yöt voivat vaikeuttaa nukkumista, sillä aivojen pimeähormoniksi kutsutun melatoniinin eritys vähenee. Unensaannin helpottamiseksi voi tilkitä ja pimentää makuuhuoneen huolellisesti.
Lisääntyneellä valoisuudella voi kuitenkin olla yllättäviä seurauksia. Vähentynyt melatoniinin eritys naisilla lisää prolaktiinihormonin eritystä, minkä seurauksena naisten hedelmällisyys voimistuu juuri kesäisin. Uneton yö yhdistettynä kohonneeseen hedelmällisyyteen voi olla hyödyllistä perheenlisäystä kaipaileville pariskunnille.
Annetaan auringon paistaa. Odotetaan kesää ja kärpäsiä.
Lähteet:
Lääketieteellinen Aikakausikirja Duodecim
2009;125(6):609-16, Valon vaikutus terveyteen
Ani Englund ja Timo Partonen
http://www.terveysportti.fi/xmedia/duo/duo97925.pdf
Auringonpaistetta Helsingin Ruoholahdessa. Kuva: Mika ToivonenArmas aurinkomme tarjosi viikonloppuna mukavan ulkoilukelin. Viikonlopun havaintohistorian perusteella vaikuttaisi siltä, että auringon paisteesta on saatu nauttia laajalti koko Suomessa. Talven niska näyttää taittuneen ainakin Etelä-Suomen korkeuksilla, mutta tiedä tuosta. Sää on ollut varsinkin lumen suhteen melkoinen Pandoran lipas jo koko talven.
Aurinko säteilee jatkuvasti melko tasaisella teholla. Auringon säteilyvuon tiheyttä ilmakehän ulkorajalla nimitetään aurinkovakioksi. Keskimäärin päiväntasaajan kohdalla yläilmakehässä auringon koko säteilyspektri huomioiden aurinkovakion arvoksi on mitattu 1,366 kW/m2. Hyvin pientä vaihtelua on havaittavissa vuodenajan ja auringon aktiivisuuden mukaan. Historiankirjoihin on jäänyt muutamia nimettyjä kausia, mm. Maunderin ja Daltonin auringonpilkkuminimit, pilkkumaksimi 1950-luvun lopulla sekä nyt alkanut vuosien 2012-2013 maksimi.
Aurinkomyrskyjen tiedetään aiheuttavan ongelmia sähkönjakeluun ja tietoliikenteeseen, mutta auringonpilkkujen vaikutus ilmastoon on ongelmallisempi selvittää. UV-säteilyn osuus auringon säteilyspektrissä vaihtelee pilkkujen aktiivisuuden mukaan, mutta muuten on vaikea sanoa varmaksi mitään. Tutkimuksia on puoleen jos toiseen. Voi olla parempi tyytyä toteamaan, että ilmasto muuttuu joka päivä. Tänään on hieman erilainen ilmasto kuin eilen.
Kaikkien asuntojen voi ainakin jollain osuudella ajatella lämpiävän aurinkoenergialla. Keskellä kylmää talvea tämä osuus ei riitä pitämään torppaa lämpimänä, mutta kesäisin lämpöenergiaa voi helleviikkoina kertyä liiaksi saakka.
Asuntojen energiataseessa pitää peruslämmityksen, tuuletuksen, ikkunoiden laadun, lämmön talteenoton ja eristyksen lisäksi huomioida asunnossa kävelevien säteilylämmittimien lukumäärä, sillä kukin ihminen säteilee lämpöenergiaa noin 100 watin teholla. Aamusuihkun aikana kaadamme suoraan viemäriin suuret määrät lämpöenergiaa, mikäli lämmön talteenottoa ei ole järjestetty.
Rakennustekniikassa on energiakysymykset ovat olleet esillä kautta aikojen. Taloja tiedetään tilkityn sammalella, paperilla ja sahanpuruilla. Tulisijan hormin pelti on syntynyt tarpeesta estää lämmön karkaaminen harakoille kovan lämmityksen jälkeen. Nykyään melko hyvin asiansa ajaneet luonnonmateriaalit on korvattu uusilla materiaaleilla, joten olisi syytä huomioida myös materiaalien valmistukseen käytetyn kokonaisenergian kulutus. Yhtenä eristeaineena käytetyn polyuretaanivaahdon valmistus on varsin paljon energiaa kuluttava prosessi.
Katolle nostetut aurinkopaneelit eivät nekään valmistu itsestään, vaan valmistusmateriaaleja pitää ensin louhia, valmistaa laitteet ja kuljettaa lopulliselle käyttöpaikalleen. Tämä kaikki kuluttaa energiaa. Hyötysuhdekin voi olla jotain muuta kuin mitä mainosmies brosyyreissään lupasi. Tilanne on tosin ratkaisevasti paranemassa uuden sukupolven aurinkopaneeleissa.
Tietenkään lämmitykseen tehtäviä investointeja ei pidä ajatella niin mustavalkoisesti, että ne hetkessä maksaisivat itsensä takaisin. Valmistuttuaan esimerkiksi passiivitalo saa kuluttaa ainoastaan neljänneksen normaalista rakennussäädösten mukaan valmistetusta talosta. Energiankulutusta voi vähentää myös ennakoimalla säätä. Lämmityksen voi aloittaa jo hiukan ennen kylmiä säitä ja pienentää ennakkoon sään lämmetessä jälleen.
Aurinkoenergiaa voi ottaa talteen myös lämpönä aurinkokeräinten avulla. Markkinoilla on useita laitteistoja esimerkiksi käyttöveden lämmittämiseen. Käsistään kätevä isäntä tai emäntä voi rakentaa aurinkokeräimen itsekin. Satunnaista mökkikäyttöä varten voi nostaa mustaksi maalatun vesitynnyrin riittävän korkealle paahteiseen auringonpaisteeseen.
Aurinkoa pitää kiittää elämästä maapallolla. Me syömme päivittäin kasvien yhteyttämää aurinkoenergiaa. Nautitaan siis auringon säteilystä monin eri tavoin!
Tämä sivusto käyttää evästeitä palvelun toimittamiseen, sosiaalisen median jakotoimintojen toteuttamiseen ja liikenteen analysointiin. Jatkamalla sivuston käyttöä hyväksyt evästeiden käytön. Voit myös tutustua uudistettuun tietosuojakäytäntöömme.Ok
