4/2010

Roistoaallon prototyypin jäljillä

Peregrinen solitoni

Kuva Peregrinen solitonista havainnollistaa,
kuinka voimakas aaltomuodostelma
voi äkillisesti syntyä epäsäännöllisellä
pinnalla, kuten avomerellä. On helppo
kuvitella, kuinka tuhoisa tällainen jyrkkä
epälineaarinen aalto voi olla.

Peregrinen solitoni löytyi 25 vuotta sitten, mutta suorat mittaukset sen ainutlaatuisista ominaisuuksista onnistuivat vasta nyt.

Howell Peregrine (1938-2007) oli brittiläinen tutkija, joka teki uraauurtavaa työtä sovelletun matematiikan ja fysiikan aloilla. Vuonna 1983 hän keksi matemaattisen ratkaisun kuvaamaan roistoaaltoja. Peregrinen solitonilla on keskeinen rooli epälineaarisissa systeemeissä ja sitä on pidetty roistoaallon prototyyppinä.

Roistoaallot ovat tyynen merenpinnan keskellä syntyviä äärimmäisen korkeita aaltoja, joiden oletetaan aiheuttaneen lukuisia merionnettomuuksia. Ne häviävät syntypaikalleen yhtä nopeasti kuin ilmestyivätkin. Peregrinen ratkaisu - joka nykyään tunnetaan nimellä Peregrinen solitoni - on johdettu epälineaarisesta Schrödingerin yhtälöstä (Nonlinear Schrödinger Equation, NLSE), mutta sen matemaattinen rakenne on hämmästyttävän yksinkertainen.

Genty

Akatemiatutkija Goëry Genty TTY:n fysiikan laitoksen
optiikan laboratoriossa.

Vaikka Peregrine teki löytönsä yli 25 vuotta sitten, suorat mittaukset sen ainutlaatuisista ominaisuuksista eivät ole onnistuneet ennen tätä. Ryhmä tutkijoita Ranskasta, Irlannista, Australiasta sekä Suomesta - Tampereen teknillisestä yliopistosta - julkaisivat ensimmäiset tulokset aiheesta Nature Physics -lehdessä.

Korkeatasoista tutkimusta kilpaillulla alueella

Vuosi sitten akatemiatutkijaksi viisivuotiskaudelle nimitetty Goëry Genty on valmistunut maisteriksi ranskalaisesta Ecole Supérieure d'Optiquesta ja tekniikan tohtoriksi Teknillisestä korkeakoulusta. Tällä hetkellä Genty työskentelee Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) optiikan laboratoriossa.

Gentyn tutkimusryhmä keskittyy ultranopean, epälineaarisen optiikan tutkimukseen. Tutkimusalaan kuuluvat muun muassa ultralyhyet laserpulssit, ääriarvot ja epälineaarisissa kuiduissa esiintyvät roistoaallot (optical rogue waves), joilla saattaa olla yhteys meressä esiintyviin äkkinäisiin hyökyaaltoihin (oceanic rogue waves) sekä optisen diagnostiikan alaan kuuluvien laajakaistaisten valonlähteiden kehittämiseen.

Tutkimusryhmä tekee yhteistyötä useiden arvostettujen laboratorioiden kanssa Ranskassa, Tanskassa, USA:ssa ja Australiassa, joihin Gentyllä on toimivat suhteet.

Valo on vettä turvallisempaa tutkittavaa

Veden sijasta tutkijat käyttivät valoa kokeiden suorittamiseen, muun muassa siksi, että se ei aseta kokeen suorittajia vaaraan. Tutkijat testasivat Peregrinen ennusteita käyttämällä hyväkseen merten roistoaaltojen ja optisissa kuiduissa esiintyvien voimakkaiden valopulssien synnyn välistä matemaattista vastaavuutta. Kuituoptiikka ja ultranopea optinen teknologia on kehittynyt valtavasti vuosikymmenten aikana, joten tutkijat onnistuivat mittamaan luomansa solitonin ominaisuuksia ja vertaamaan tuloksiaan Peregrinen ennusteisiin.

Yksi kansainvälisetn tutkimusryhmän jäsenistä oli akatemiatutkija Goëry Genty TTY:n fysiikan laitoksen optiikan laboratoriosta. Gentyn osuus tutkimusryhmän työssä keskittyi erityisesti merten aaltojen ja kuituoptisten kokeiden välisen dynamiikan ymmärtämiseen. Lisäksi hän kehitti analyyttisia ja numeerisia työkaluja, joilla kokeellisia havaintoja todennettiin.

On mahdollista, että matemaattisesti täydellistä Peregrinen solitonia ei tulla koskaan havaitsemaan käytännössä, mutta ryhmän tutkimustulokset havainnollistavat, kuinka voimakkaita roistoaaltoja voi syntyä jopa ei-ideaalisessa, häiriöisessä ympäristössä avomerellä.

Tutkimustulokset osoittavat, että monet tieteenalat voivat hyötyä optisista kokeista. Vastaavia ilmiöitä esiintyy monissa muissakin systeemeissä, kuten esimerkiksi Bose-Einstein kondensaateissa ja plasma-aalloissa, joten tulosten odotetaan stimuloivan uusien tutkimussuuntauksien kehittymistä myös muilla aloilla. Ryhmän tulokset todistavat, että Howell Peregrinen työllä on ollut kestävä vaikutus.
 

Teksti: Anna Naukkarinen
Kuva: Miro Erkintalo

 

 

Kerro kaverille
Aurinkosähkön läpimurto lähestyy
Aurinkosähkön läpimurto lähestyy
4/2010
Aurinkosähkön läpimurto lähestyy
Ennätysmäärä insinöörejä ja arkkitehteja valmistuu TTY:ltä
Ennätysmäärä insinöörejä ja arkkitehteja valmistuu TTY:ltä
4/2010
Ennätysmäärä insinöörejä ja arkkitehteja valmistuu TTY:ltä
CCS-menetelmä antaa jatkoaikaa hiilenpoltolle
CCS-menetelmä antaa jatkoaikaa hiilenpoltolle
4/2010
CCS-menetelmä antaa jatkoaikaa hiilenpoltolle
Pyörällä päästään Euroopassa - miksei Suomessakin?
Pyörällä päästään Euroopassa - miksei Suomessakin?
4/2010
Pyörällä päästään Euroopassa - miksei Suomessakin?
Putkien peruskorjauksen puolesta
Putkien peruskorjauksen puolesta
4/2010
Putkien peruskorjauksen puolesta
Kenian vesihuolto uudistuu TTY:n opeilla
Kenian vesihuolto uudistuu TTY:n opeilla
4/2010
Kenian vesihuolto uudistuu TTY:n opeilla
Professori Sirpa Jalkanen TTY-säätiön hallitukseen
Professori Sirpa Jalkanen TTY-säätiön hallitukseen
4/2010
Professori Sirpa Jalkanen TTY-säätiön hallitukseen
Professorit lahjoittivat TTY:n säätiöpääomaan
Professorit lahjoittivat TTY:n säätiöpääomaan
4/2010
Professorit lahjoittivat TTY:n säätiöpääomaan
Korkea opetuksen laatu ja huippututkimus edellyttävät investointeja
Korkea opetuksen laatu ja huippututkimus edellyttävät investointeja
4/2010
Korkea opetuksen laatu ja huippututkimus edellyttävät investointeja
Tiivistelmä rehtori Kivikosken avajaispuheesta
Tiivistelmä rehtori Kivikosken avajaispuheesta
4/2010
Tiivistelmä rehtori Kivikosken avajaispuheesta
 
4/2010
 
4/2010

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