Geodeettinen laitos

Metsähovi viimein Suomen virallisessa ajassa - mittaustarkkuus paranee huimasti

To, 08/31/2017 - 21:05 Jarmo Korteniemi
Kuva: New 1lluminati / Flickr

Otaniemi ja Metsähovi on juuri yhdistetty toisiinsa ennennäkemättömän tarkasti. Yhdessä ne pitävät tarkkaa kirjaa Suomen virallisesta ajasta.

Suomen virallinen aika määritellään Otaniemessä. Tehtävä on kuulunut VTT:n Mittaustekniikan keskuksen (MIKES) aikalaboratoriolle jo vuodesta 2000 lähtien. 

Nyt Metsähovin observatorioaluekin on yhdistetty suoraan tähän "aikalähteeseen". Uusi, valokaapelia pitkin toimiva yhteyslinkki rakennettiin jo alkukesästä. Linkin toimintaa ja stabiilisuutta on tutkittu ja mitattu nyt kesän ajan.

Metsähovin observatorioalue sijaitsee Kirkkonummella, 50 kilometrin päässä Otaniemestä. Sieltä löytyvät sekä Maanmittauslaitoksen Paikkatietokeskuksen geodeettinen tutkimusasema että Aalto-yliopiston radiotutkimusasema. Kummankin tahon tutkimustarkkuus paranee (aikaleimojen osalta) Suomen viralliseen aikaan liittämisen johdosta.

Valosignaalin kulkuajan Otaniemestä Metsähoviin ja takaisin huomattiin vaihtelevan yhteydellä seitsemisen nanosekuntia. Syynä on pitkän valokuidun lämpölaajeneminen vuorokauden mittaan. Myös muut valokuidun ominaisuudet muuttuvat samalla hieman.

Ajansiirron tarkkuus on Maanmittauslaitoksen tiedotteen mukaan noin 0,1 nanosekuntia (10-10 s) tai jopa vieläkin parempi. Taajuuden siirrossa taas "päästään tällä hetkellä noin 15 [merkitsevän?] numeron tarkkuuteen".

Wirallinen aika

Suomen virallinen aika määritetään MIKESin aikalaboratoriossa. Ajanmääritykseen käytetään tarkkaa venäläisvalmisteista vetymaseria (CH1-75A). Sen apuna ja varmistuksena toimii lisäksi kaksi muuta vetymaseria sekä kaksi cesium-atomikelloa.

MIKESin ajan virheen sanotaan olevan noin sekunti 100 000 vuodessa. Aikaa myös verrataan jatkuvasti GPS:n avulla välitettyihin kansainvälisiin aikamittauksiin. MIKES ilmoittaa aikansa epävarmuudeksi alle 10 nanosekuntia UTC:hen (universaaliaikaan) verrattuna.

Suomen virallisen ajan poikkeamat kansainvälisestä ajasta vuosina 2011–12.

Aikamittauksessa käytetty vetymaser vastaa toimintaperiaatteeltaan laseria (säteilykimppu on koherentti, samassa tahdissa ja samaa aallonpituutta), mutta siinä käytetään näkyvän valon sijasta mikroaaltoja. Maserit ovat yksi tarkimmista nykyään käytössä olevista keinoista pitää kellot ajassa.

Maserilla tehdyn ajanmäärityksen jälkeen ajanhetki viestitetään (siirretään) Metsähoville valokuitua pitkin.

Siirron apuna käytetään uutta White Rabbit -protokollaa. Sen avulla kelloja voidaan synkronoida alle nanosekunnin tarkkuudella pitkienkin matkojen päästä. White Rabbit kehitettiin alunperin Euroopan hiukkasfysiikan tutkimuskeskuksessa CERNissä. Nimi viittaa kelloaan hermostuneesti vilkuilevaan jänikseen Liisa Ihmemaassa -kirjassa.

VTT MIKES oli yksi ensimmäisistä tutkimuslaitoksista, joka otti White Rabbitin käyttöön ajan ja taajuuden siirtämiseksi pitkien välimatkojen päähän.

Ajansiirto tukee geodeettisia mittauksia Metsähovissa. Rakenteilla oleva geodeettinen radioteleskooppijärjestelmä tarvitsee tarkan ajan ja taajuuden mittaustensa pohjaksi. Eivätkä muutkaan Metsähovin mittaukset tietystikään kärsi entistä paremmasta aikatarkkuudesta.

Aikalinkin kautta Suomen virallinen aika voidaan myös liittää entistä paremmin kansainvälisiin geodeettisiin verkostoihin, kuten GNSS-satelliittipaikannusjärjestelmään.

Radiotutkimusasemalla on lisäksi jo atomikelloja, joita voidaan vastavuoroisesti käyttää Suomen virallisen ajan varmentamiseen.

MIKES tarjoaa kellontarkistuspalvelua myös kotikäyttäjille. Se on tosin paljon Metsähoville toimitettua Suomen virallista aikaa epätarkempi. Nopealla nettiyhteydellä pääsee kuitenkin jopa alle 0,1 millisekunnin päähän virallisesta, mikä lienee riittävä useimpien kotikäyttäjien tarpeisiin.

Artikkeli perustuu Maanmittauslaitoksen tiedotteeseen.

Lisätietoa: VTT:n Mittatekniikan keskus MIKES

Otsikkokuva: New 1lluminati / Flickr

Maailman tarkin painovoimamittari Suomeen

Ma, 03/10/2014 - 16:36 Jari Mäkinen
Metsähovin gravimetri

Suomessa on otettu käyttöön maailman tarkin painovoiman muutoksia mittaava laite. Kyseessä on Geodeettisen laitoksen Metsähovin tutkimusasemalla Kirkkonummella sijaitseva suprajohtava gravimetri. Sillä voidaan havaita painovoiman vaihteluita, jotka ovat voimakkuudeltaan vain miljoonasosan miljoonasosa normaalista painovoimasta.

Maan painovoima muuttuu jatkuvasti. Tämä ei tunnu, mutta on huomattavissa jokapäiväisessä elämässä esimerkiksi Kuun ja Auringon synnyttämistä valtamerten vuorovesistä. Suprajohtavalla gravimetrillä havaittavat ilmiöt ovat miljoonia kertoja heikompia. Osa muutoksista johtuu esimerkiksi maanjäristysaaltojen tai ilmanpaineen vaihtelun synnyttämistä maankuoren pienistä korkeuden vaihteluista. Osa syntyy paikallisista massan muutoksista, kuten pohjaveden korkeuden tai lumipeitteen paksuuden muuttumisesta.

Uusi laite on niin herkkä, että se pystyy helposti havaitsemaan lähellä seisovan tutkijan vaikutuksen painovoimaan.  

Mikä ihmeen gravimetri?

Yksinkertaisin mahdollinen painovoimamittari on pieni punnus, joka päästetään putoamaan vapaasti tyhjässä tilassa. Kun sen putoamiskiihtyvyyttä mitataan tarkasti, saadaan selville painovoiman – siis putoamiskiihtyvyyden suuruus. Maan pinnalla se on keskimäärin 9,81 m/s², eli tämä on yksi g.

Käytännössä gravimetrit ovat erittäin tarkkoja vaakoja, joilla mitataan kierrejousen avulla metallisen punnuksen painoa.

Nykyaikaisessa suprajohtavassa gravimetrissä metallijousi on kuitenkin korvattu sähkömagneetilla ja mittauksen tarkkuus perustuu suprajohtavaan ilmiöön, jossa aineen sähkönvastus katoaa kokonaan. Tässä nyt käyttöön otetussa maailman tarkimmassa gravimetrissä on niobium-metallista tehdyt sähkökelat, jotka on jäähdytetty lähelle absoluuttista nollapistettä (-273,15 °C).

Vastuksetta kiertävä sähkövirta synnyttää kelan ympärille vakaan magneettikentän ja äärimmäisenkin pienet painovoiman muutokset pyrkivät muuttamaan magneettikentässä leijuvan niobiumpallon paikkaa, jolloin tätä seuraamalla voidaan määrittää painovoimamuutoksen suuruus. Kun yhden ilmaisimen sijaan laitteessa on kaksi samanlaista ilmaisinta, on se vielä aiempia malleja tarkempi.

Mitä gravimetrillä tehdään?

Maanjäristysaaltoja mittaavien seismometrien ohella suprajohtava gravimetri on ainoa laite, jolla pystytään tutkimaan Maan sisärakennetta ja siellä tapahtuvia ilmiöitä. Suuren herkkyyden ja pitkäaikaisen mittausvakauden ansiosta sillä voidaan seurata myös hitaita painovoiman muutoksia.

Metsähovissa tutkitaan paikallisen hydrologian, kuten pohjaveden ja lumipeitteen massanmuutosten aiheuttamia painovoiman muutoksia, ja Itämeren vedenkorkeuden vaihtelun vaikutusta. Suomessa tehtyjä havaintoja on yhdistetty koko maapallon painovoimamuutoksia mittaavien satelliittien havaintoihin, jolloin voidaan selvittää eri ilmiöiden vaikutusta. Näin saadaan entistä tarkempia tietoja esimerkiksi jäätiköiden sulamisesta ja merenpinnan noususta.

Metsähovin suprajohtava gravimetri on osa maailmanlaajuista verkkoa, johon kuuluu 32 asemaa. Havainnot kootaan kansainväliseen datapankkiin, jossa ne ovat tutkijoiden vapaasti käytettävissä.

Uusi gravimetri korvaa vuodesta 1994 toimineen laitteen, joka on maailman vanhin yhtäjaksoisesti toiminnassa oleva suprajohtava gravimetri.

Kuvassa erikoistutkija Heikki Virtanen ja Richard Warburton ovat siirtämässä nesteheliumia uuteen gravimetriin (sininen laite oikealla).

Teksti perustuu Geodeettisen laitoksen tiedotteeseen. Kuvat: Jyri Näränen / Geodeettinen laitos