4/2009

Roistoaalto on merimiehen painajainen ja tutkijan unelma

Miro Erkintalo

Erkintalo demonstroi superkontinuumia TTY:n laboratoriossa.

Roistoaaltoja tutkitaan, koska kukaan ei oikeastaan tiedä, miksi ne ovat olemassa.

Merien roistoaaltoja on tutkittu vuosikymmenien ajan. Valtavien tyhjästä ilmestyvien aaltojen on oletettu olevan syy lukuisiin merionnettomuuksiin. Tiedemaailmassa ajatusta tällaisesta luonnonilmiöstä pidettiin lähinnä absurdina, kunnes vuonna 1995 tapahtui käänne.

- Draupnerin öljylautta Pohjanmerellä tallensi tällaisen äärimmäisen aallon tammikuun 1. päivänä 1995. Havainto oli melkoinen onnenkantamoinen, sillä ilmiö on erittäin harvinainen ja meret valtavia, kertoo TTY:n fysiikan laitoksen tutkija Miro Erkintalo.

Kun roistoaaltojen olemassaolo oli tieteellisesti vahvistettu, alkoi niiden laajamittainen tutkimus. Sittemmin niitä on maailman meriltä havaittu kymmeniä muun muassa Euroopan avaruusjärjestön satelliittien avulla.

Sama ilmiö löytyy optiikasta

Optiikassa ensimmäiset roistoaallot havaittiin vuonna 2007, kun Kalifornian yliopiston tutkijat kytkivät lyhyitä valopulsseja erikoisvalmisteiseen valokuituun, fotonikidekuituun. Hieman yllättäen he havaitsivat kuidun ulostulossa pienen määrän suunnattomia pulsseja, jotka muistuttivat ominaisuuksiltaan merien roistoaaltoja. Löytö herätti suurta kiinnostusta, sillä se osoitti, miten yksinkertaista optista laboratoriojärjestelyä voi käyttää äärimmäisten ilmiöiden tutkimiseen.

Roistoaalto

Roistoaaltoja tutkitaan kytkemällä satoja tuhansia optisia pulsseja
valokuituun ja tarkastelemalla kunkin pulssin synnyttämää ulostuloa.

-Optisessa kontekstissa roistoaaltojen tutkiminen on tavattoman paljon helpompaa kuin avomerellä. Merien olosuhteita on hyvin vaikea systemaattisesti muunnella tai toistaa, Erkintalo toteaa.

-Valopulsseille tyypilliset äärimmäisen pienet aikaskaalat mahdollistavat satojen tuhansien yksittäisten mittausten tekemisen sekunneissa. Merissä vastaavaan otantaan voi tuhlaantua ihmisikä.

Laboratoriokokeissa saadut tulokset voidaan siirtää merelliseen ympäristöön, sillä merien aaltojen ja kuituihin kytkettyjen pulssien mallintamiseen käytetyt matemaattiset mallit muistuttavat toisiaan.

Optinen tuuli voi nostattaa aallon

Kokeissa syötteen kohina toimii "optisen tuulen" tavoin rikkoen pulssin rakenteen ja muodostaen lukuisia ultralyhyitä pulsseja. Pulssien ominaisuuksia verrataan toisiinsa, ja etsitään tilastollisia poikkeavuuksia. Kokeita tehdään erilaisia syötepulsseja ja valokuituja käyttämällä. Laboratoriokokeiden lisäksi tärkeä osa tutkimusta ovat numeeriset simulaatiot.

-Simulaatioiden avulla pystymme näkemään, mitä kuidun sisällä tapahtuu ja mitkä eri mekanismit vaikuttavat kokeissa havaittavan ulostulon syntyyn. Luonnollisesti kokeet ja simulaatiot tukevat toisiaan: kokeista näemme pelkän lopputuloksen, mutta ilman kokeita simulaatio ei välttämättä ole luotettava.

UCLA:n tutkijat demonstroivat optisten roistoaaltojen olemassaolon tutkiessaan superkontinuumiksi kutsuttua ilmiötä. Se syntyy, kun kuituun kytketty lyhyt pulssi rikkoutuu suureksi määräksi ultralyhyitä pulsseja ja se on erittäin herkkä syötteen kohinalle. Ilmiön syntymekanismi on ollut tiedossa pitkään, mutta UCLA:n tutkijat havaitsivat ensimmäisenä syntyneiden pulssien joukossa harvinaisen suuria optisia roistoaaltoja.

Mikä on roistoaalto?

Roistoaalto on tyynen merenpinnan keskellä syntyvä äärimmäisen korkea aalto. Se häviää syntypaikalleen yhtä nopeasti kuin ilmestyikin. Näin se eroaa esimerkiksi tsunamista, joka etenee avomereltä rantaan asti.

  • Roistoaallot eivät välttämättä ole meren absoluuttisesti suurimpia aaltoja, vaan poikkeuksellisen suuria aaltoja meren tilaan nähden.
  • Optiset roistoaallot ovat ultralyhyitä valopulsseja, joiden intensiteetti on poikkeuksellisen suuri ympäristön muihin pulsseihin verrattuna. Niiden olemassaolo havaittiin vuonna 2007.
  • Optisten roistoaaltojen tilastollinen käyttäytyminen noudattaa äärimmäisille ilmiöille tyypillistä jakaumaa. Tietyissä tilanteissa myös niiden elinikä on äärimmäisen lyhyt, aivan kuin merien roistoaaltojen.
  • Optisia roistoaaltoja tutkitaan toistaiseksi pääasiallisesti kuituoptiikassa.
  • Vastaavia ilmiöitä esiintyy todennäköisesti kaikissa sellaisissa epälineaarisissa systeemeissä, jotka ovat herkkiä kohinan vaikutukselle. Näitä ovat esimerkiksi Bose-Einstein kondensaatit, plasma-aallot ja optiset filamentit.
  • Roistoaaltojen syvällisestä tutkimuksesta voidaan saada käyttökelpoisia tuloksia sovellettavaksi optiikassa, merenkulussa ja alueilla joissa äärimmäisten ilmiöiden suora tutkiminen on erittäin vaikeaa.

Porista kotoisin oleva Miro Erkintalo kiinnostui superkontinuumista opiskellessaan ja työskennellessään TTY:llä. Hän valmistui TTY:ltä tämän vuoden maaliskuussa tekniikan kandidaatiksi ja lokakuussa diplomi-insinööriksi. Diplomityön aiheena olivat optiset roistoaallot ultralyhyillä pulsseilla generoidussa superkontinuumissa. Työ sai parhaan mahdollisen arvosanan.

-Aikomuksenani on suorittaa seuraavaksi tohtorin tutkinto. Sen jälkeen akateeminen urani jatkuu toivon mukaan epälineaarisen kuituoptiikan parissa ulkomailla.

Sovellusalueita voi olla monia

Roistoaaltojen tutkimuksen luonnollisimmat sovellusalueet ovat optiikka sekä meret. Optiikassa ne voivat soveltua superkontinuumin vakauttamiseen. Monessa sovelluksessa tarvitaan erittäin vakaata superkontinuumia, mikä puolestaan vaatii kalliin ja suuren laitteiston. Roistoaaltojen valjastaminen voisi mahdollistaa halvan epävakaan superkontinuumin muuttamisen käyttökelpoiseksi muun muassa lukemattomiin spektroskopian, mikroskopian ja biologian sovelluksiin.

Syksyllä Suomen Akatemia myönsi TTY:n fysiikan laitoksen optiikan laboratoriolle rahoitusta epälineaarista optiikkaa koskeviin hankkeisiin. Akatemiatutkija Goëry Gentyn hanke "Optiset roistoaallot" sai 237 000 euroa vuosille 2010-2013. Gentyn tutkimus voi auttaa löytämään dynaamisia ja tilastollisia menetelmiä, äärimmäisten ilmiöiden tutkimiseen. Näitä menetelmiä voitaneen hyödyntää kaikilla sellaisilla alueilla, joissa äärimmäisiä ilmiöitä on havaittu. Optiikan ja merien lisäksi niitä ovat muun muassa geotieteet sekä ilmasto- ja taloustieteet.

 

Teksti: Marjut Kemiläinen
Kuva: Tarja Luukko


Kerro kaverille
Bosch Rexroth luottaa TTY:n digitaalihydrauliikan osaamiseen
Bosch Rexroth luottaa TTY:n digitaalihydrauliikan osaamiseen
4/2009
Bosch Rexroth luottaa TTY:n digitaalihydrauliikan osaamiseen
Verkko muuttaa tapaamme viestiä
Verkko muuttaa tapaamme viestiä
4/2009
Verkko muuttaa tapaamme viestiä
Alan Thompson: "Opettaminen on elämäntapa"
Alan Thompson: "Opettaminen on elämäntapa"
4/2009
Alan Thompson: "Opettaminen on elämäntapa"
 
4/2009
 
4/2009
 
4/2009
 
4/2009
 
4/2009
 
4/2009
 
4/2009

Tampereen teknillinen yliopisto on teknologisen kehityksen tiennäyttäjä sekä tutkimusmaailman ja elinkeinoelämän yhteistyökumppani. Yliopistosta valmistuu haluttuja osaajia yhteiskunnan eri aloille.

Käyntiosoite:
Korkeakoulunkatu 10,
33720 Tampere

Postiosoite:
PL 527, 33101 Tampere

Puhelinvaihde:
03 311 511
ma–pe kello 8–16.15
kesällä ma–pe 8–15.45

Virallinen sähköpostiosoite:
tty.asiointi@tut.fi