ETELÄMANNER
Maanmittauslaitoksen Paikkatietokeskuksen ja Ilmatieteen laitoksen tutkimustiimi on parhaillaan Etelämantereella suorittamassa antarktisen lumen ja merijään mittauksia LAS3R-projektissa. Perillä Aboalla tutkijat olivat 13. marraskuuta ja tutkimusmatka kestää helmikuun alkuun 2023 saakka. Retkikunnassa on mukana kirkkonummelainen Antero Kukko (MML), muita lumitutkijoita ovat Aleksi Rimali (IL) ja Leena Leppänen (IL, Arktinen keskus). Lisäksi retkikuntaan osallistuu geologeja sekä FINNARPin henkilökuntaa.
Projekti on Suomen Akatemian rahoittama ja sen Etelämantereella tehtävä kenttätutkimusmatka toteutetaan FINNARPin tukemana. Projektin tutkimusosapuolina ovat Maanmittauslaitoksen Paikkatietokeskus ja Ilmatieteen laitos.
LAS3R-projektissa tutkitaan menetelmiä lumen pinnankarkeuden määrittämiseen laajoilta alueilta, mitä ei aiemmin ole pystytty tekemään. Tiimin Etelämantereella keräämiä aineistoja vertaillaan samanaikaisiin satelliittihavaintoihin; pyrkimyksenä on suorittaa paikan päällä lumen fysikaalisten ominaisuuksien mittauksia lumikuopissa (kidekoko, lämpötilaprofiili, kerroksellisuus, pinnan heijastuvuus spektrometrillä), toteuttaa laserkeilaus ja hyperspektrikuvaus drooneilla sekä mitata keilauksen ja kuvausten aikainen tuleva ja lumesta heijastuva Auringon säteily puolen vuorokauden tarkkuudella suoraan tiettyjen satelliittien ratojen alapuolelta. Mielenkiinnon kohteena ovat optiset satelliitit kuten Sentinel-2, Maapallon jäätiköitä ja merijäätä vihreällä laserilla luotaava ICESat-2, mikroaaltosatelliitti CryoSat sekä eri tutkasatelliitit.
Havaintojen perusteella pyritään parantamaan antarktisen lumen ja jään heijastuvuusmalleja ja laajojen alueiden satelliittiaineistojen tulkinnan luotettavuutta, millä on vaikutusta globaaleihin sää- ja ilmastomalleihin.
LAS3R-lumitutkimustiimin käytössä on kirkkonummelaisen Avartekin valmistama Boxer multikopteridrooni, jossa on kahdeksan roottoria, kaksi eri suuntiin pyörivää päällekkäin neljän, kuljetusta varten kokoon taittuvan varren päässä. Droonin Käyttövoimana on 2,5% kaksitahtibensiini, joka käyttää kaksisylinteristä generaattoria tuottamaan sähköä roottorien pyörittämiseen ja keilausjärjestelmän käyttämiseen. Boxerilla voidaan laserkeilausvarustuksessa suorittaa jopa kolmen tunnin yhtäjaksoisia lentoja, ja se kykenee suunnistamaan automaattisesti suunnitellun lentokuvion tai reitin mukaisesti, tai sitä voidaan lennättää tarvittaessa ohjaimella.
Tutkimuslennoilla käytetään hyötykuormana laserkeilauslaitteistoa, joka koostuu itävaltalaisen Rieglin valmistamasta VUX-120 keilaimesta sekä kanadalaisesta NovAtel CPT7B satelliitti-inertiapaikannuslaitteesta (GNSS-IMU). Lisäksi tarkkaan lentoreitin laskentaan tarvitaan satelliittipaikannuksen maatukiasema, jollaisena toimii Trimble R10-vastaanotin.
Laitteiston ripustuksen suunnittelu ja valmistus sekä sensori-integraatio on toteutettu Maanmittauslaitoksen Paikkatietokeskuksessa, joka muutti aiemmin tänä vuonna Masalasta Otaniemeen.
Sensoripaketti on värinävaimennettu, ja se saa tarvitsemansa sähkövirran droonin sähköjärjestelmästä.
GNSS-IMU laitteiston 400 hertsin taajuudella tallentamista lennonaikaisista paikka-, kiihtyvyys- ja kulmakiihtyvyyshavainnoista lasketaan jälkikäteen droonin lentämä tarkka reitti ja asento. Lisäksi paikannuslaitteistoa hyödynnetään tarkan kellonajan syöttämiseen laserkeilaimelle sen tekemien mittausten ajastamiseen. Näiden perusteella voidaan lopulta tuottaa kohteesta, eli tässä tapauksessa lumen tai merijään pinnasta, tarkka kolmiulotteinen pistepilvi.
Laserkeilain toimii 1550 nanometrin aallonpituusalueella, ja pystyy tuottamaan 1,8 miljoonaa lyhyttä laserpulssia sekunnissa tarkkojen etäisyysmittausten tekemiseen. Lasersädettä ohjataan pyörivällä monitahokaspeilillä siten, että lasersäde tuottaa kolme lentosuunnassa peräkkäistä, keskenään 10 asteen välein olevaa poikittaista profiilia lumen pintaan. Näitä toistetaan suurella taajuudella droonin lentäessä automaattisesti suunnitellulla lentoreitillään. Etäisyysmittausten lisäksi laserkeilain mittaa ja tallentaa kohteesta heijastuneen lasersäteen voimakkuuden ja muuntaa sen kalibrointitietojen perusteella reflektanssiksi, eli heijastuvuudeksi.
Droonissa on kaksi 6000 mAh kuusikennoista litiumpolymeeriakua virrantuoton puskurina, jota siis polttomoottorigeneraattori jatkuvasti lataa lennon aikana. Lentoa varten sekoitetaan 2,5%
kaksitahtipolttoainetta puhtaasta pienkonebensiinistä ja arktisiin olosuhteisiin soveltuvasta kaksitahtiöljystä 20 litran täyttösäiliöön, josta valmis polttoaine pumpataan akkukäyttöisellä pumpulla
suljettua letkupiiriä käyttäen droonin tankkeihin. 3,5 litran vetoisia tankkeja on droonissa kaksi, yksi kummallakin puolella. Tähänastiset lennot Aboan ympäristössä ovat osoittaneet, että polttoainetta kuluu 2-3 litraa tunnissa riippuen tuuliolosuhteista sekä käytettävästä lentonopeudesta (maanopeus). Pakkasta on lentojen aikana ollut 5-20 astetta. 20 solmun tuulennopeutta on pidetty lentotoiminnan ylärajana. Säteilymittaukset edellyttävät pilvetöntä säätä.
Aboalla on pressupäällysteinen kaarihalli, jonka suojissa on tilaa tehdä droonin asennus- ja huoltotöitä. Polttoaineen sekoitus tehdään täällä, droonin tankkaus suoritetaan tarvittaessa lentokohteissa jäätiköllä. Kaikessa polttoaineen käsittelyssä on noudatettava varovaisuutta polttoainevahinkojen välttämiseksi. Jos niin kuitenkin kävisi, mahdollinen polttoaineen saastuttama lumi kerätään talteen ja kuljetetaan pois Etelämantereelta jätteenkäsittelyyn Etelä-Afrikassa. Polttoainehuollon lisäksi ajoittain tarkistetaan jäähdytysjärjestelmän ilmaus, sytytystulpat vaihdetaan 50 lentotunnin välein, joka lennolle tarkistetaan roottorien laakeroinnin kunto sekä kiristellään mahdollisesti löystyneet ruuvit. Yksi roottorin lapa on jouduttu tähän mennessä vaihtamaan siihen osuneen, tärinässä irronneen kannen ruuvin vuoksi. Onneksi vaurio oli vähäinen, eikä droonille aiheutunut muita vahinkoja. Toisen kerran hajosi yksi sähkömoottori, varaosa saatiin Kirkkonummelta asti asemalle kuudessa vuorokaudessa, sillä onnekkaasti ruotsalainen retkikunta oli juuri lähdössä Oslon kautta Aboan viereiselle Wasa asemalleen, ja rahti ehdittiin saada mukaan samaan kuljetukseen.
Drooni sekä muu tarvittava kalusto kuljetetaan tutkimuskohteille yleensä moottorikelkan reessä. Boxer kuljetetaan yhdessä polttoaineen täyttösäiliön kanssa suuressa alumiinilaatikossa, johon on asennettu pohjalle kiskot ja hihnakiinnikkeet droonin ja säiliön turvallista kiinnitystä varten kuljetuksen ajaksi. Droonin kauko-ohjain, maastokannettava keilausjärjestelmän käyttämiseen, dronen akut sekä muu tarpeellinen kulkevat mukana pienemmässä laatikossa. Akut asennetaan drooniin vasta kun ohjaimella tehtävä lentosuunnitelma on valmis. Lähtöaika, lentokorkeus ja -nopeus, kesto ja polttoaineen kulutus kirjataan ylös lentopäiväkirjaan. Tarvittaessa koordinoidaan lennätystä Aboan kanssa, kun on tiedossa muuta lentotoimintaa Aboalle tai eri etelämannertukikohtien välillä ja koneiden lentoreitit suuntaavat Aboan kautta tai läheltä. Aboa välittää kulloisenkin lentopaikan ja lentolentokorkeudet tiedoksi muille asemille, vaikka toimimmekin alle 120 metrin korkeuksissa. Lähimmillään on samanaikaisesti laskeutunut ja noussut Twin Otter Aboalle (10 km) ja ollut tutkauslentoja Fossilryggenillä (80 km).
Boxerin moottori käytetään lämpimäksi ennen ilmaan nousua, tähän kuluu muutama minuutti. Droonissa on nestejäähdytys, ja jäähdyttimen läpi virtaava lämmennyt ilma ohjataan droonin rungon lisäkoteloinnin avulla akuille, mikä auttaa niiden pitämisessä riittävän lämpiminä lennon aikana, jotta ne varaavat ja purkavat tehokkaasti virtaa roottorien sähkömoottoreille sekä keilausjärjestelmälle. Keilausjärjestelmä käyttää 12-volttista tasajännitettä, ja sen kokonaistehonkulutus on noin 55 wattia. Lennon kulkua ja akkujen varaustilaa seurataan ohjaimen näytöltä. Lisäksi Boxerissa on käännettävä kamera, joka lähettää reaaliaikaisesti videokuvaa lähettimeen.
Kohteeseen saavuttaessa pystytetään ensimmäiseksi GNSS-tukiasema kolmijalalle ja aloitetaan satelliittihavaintojen tallennus. Tukiasema on päällä koko lennon ajan, ja sammutetaan viimeisenä, kun kaikki muut työt on kohteessa saatu tehtyä, jotta saadaan mahdollisimman pitkä havaintoaika tarkan paikannuksen ratkaisuun. Käytössä oleva vastaanotin havainnoi GPS ja GLONASS paikannusjärjestelmien satelliitteja.
LAS3R projektissa hyödynnetään laserkeilausta lumenpinnan mikrotopografian eli pinnanmuotojen mittaamiseen erittäin suurella resoluutiolla. Tyypillisesti lennot suoritetaan joko 75 tai 100 metrin korkeudesta, vastaavasti joko 6 tai 8 metrin sekuntinopeudella lentäen, ja 0,3 milliradiaanin kulmaresoluutiolla. Suoraan droonin alapuolella pisteväli on 100 metrin korkeudella lentäen noin 30 mm sekä poikittais- että lentosuunnassa. 75 metrin korkeudesta hieman hitaammin lentäen pisteväli on 20 mm.
Keilauskuvion suurin mahdollinen leveys on 100 metrin korkeudesta 240 metriä. Lentokuvio laaditaan ennen lentoa ohjaimen avulla, ja on perusmuodoltaan yleensä ristikkäinen
suorakaide, ja lentojonojen väli on 50 metriä (Kuva 6). Boxerilla voidaan tuottaa tällaisia pintamalleja parhaimmillaan neliökilometrien kokoisilta alueilta kerrallaan, mitä ei aiemmin ole voitu tehdä.
Tarkoituksena on saada katettua riittävästi lumipintaa satelliittien tekemien havaintojen vertaamiseksi tilastollisesti merkittävällä havaintojen määrällä. Lisäksi lentokuvio suunnitellaan satelliitin rataan nähden poikittain riittävän leveäksi siten, että se myös huomioi rataennusteiden epävarmuudet, millä pyritään varmistamaan, että havaintoja saadaan alueelta, johon satelliittihavainnot lopulta osuvat, erityisesti tämä koskee altimetrityyppisiä profiloivia satelliitteja, kuten ICESat-2.
Pinnankarkeus on tärkeä parametri lumen kokonaisheijastuvuuden, eli albedon määrittämisessä. Lumen ja merijään pinnankarkeus vaikuttaa satelliittihavaintoihin, mutta määrää ei tunneta kovin hyvin johtuen pinnankarkeuden määrittämisen vaikeudesta varsinkin riittävän laajoilla alueilla satelliittihavaintojen selittämiseksi. Jotta pinnankarkeuden vaikutusta satelliittihavaintoihin voidaan korjata, tarvitsee ymmärtää minkä mittakaavan pinnankarkeus vaikuttaa merkitsevästi havaintoihin. Tästä syntyy tarve mitata eri mittakaavoissa, ja laserkeilaus on erittäin varteenotettava menetelmä. Näiden mittausten perusteella voidaan laskea lumen pinnankarkeus eri mittakaavoissa senteistä satojen metrien aallonpituuksiin.
Tarkoilla kidemittauksilla päästään kiinni hienoimpaan lumen rakenteeseen, suuremmilla jaksoilla nähdään tuulen ajaman lumen muodostamat pintakuviot, pienet harjanteet, suuremmat kinokset ja sastrugit sekä lopulta jäätikön pitkillä aallonpituuksilla kumpuileva pinta. Heijastuksen voimakkuuteen vaikuttava säteenosumiskulma lumen pinnan suhteen voidaan laskea pinnankarkeusmallista; kohtisuoraan lumenpintaan osuva säde antaa voimakkaamman heijastuksen kuin viistolla kulmalla osuva. Laserin etuna on, että mittaus
ei riipu ulkoisesta valonlähteestä toisin kuin passiiviset hyperspektri- ja RGB-kuvauksen tapauksissa.
Toisaalta heijastuvuusnäyte saadaan vain yhdeltä aallonpituudelta, joten tekniikat yhdessä antavat täydellisemmän kuvan lumen pinnan ominaisuuksista. Aiempia havaintoja on hyvin vähän Etelämantereen lumen ja merijään pinnankarkeudesta, eikä tällaisella järjestelyllä ole tehty vastaavaa toteutusta aiemmin.
Lumitutkimuksen lisäksi laserkeilaus soveltuu erinomaisesti topografiseen kartoitukseen. Aboa sijaitsee Basen nimisellä nunatakilla kuningatar Maudin maalla. Kauden alussa suoritettujen testilentojen tuottaman data perusteella keilausjärjestelmä saatiin kalibroitua, ja samalla saimme tehtyä Aseman ympäristöstä kolmiulotteisen kartan. Samalla alueella on myös ruotsalaisten Wasa asema, ja yhdessä Aboaa ja Wasaa kutsutaan Nordenskiöld asemaksi. Mikäli kauden aikana tulee aikataulullisesti ja säiden puolesta mahdolliseksi, niin keilaamme Basenin aluetta sopivina paloina laajemminkin tarkan topografisen mallin luomiseksi. Lisäksi pohdimme yhteistyössä geologitiimin kanssa Basenin pohjois- ja länsipuolen 300 metriä korkeiden pystysuorien basalttijyrkänteiden keilaamista muinaisten tulvabasalttikerrostuminen paksuuden ja rakenteen mittaamiseksi. Lisäksi Plogen nunatakin alueella voisi olla mahdollista tehdä samantapaisia laserkeilauksia.
Asemalla majoitutaan joko erillisissä asuinkonteissa tai päärakennuksen huoneissa. Päärakennuksessa on messi ja keittiö, jotka toimivat koko retkikunnan yhteisenä ruokailu ja ajanviettopaikkoina. Lisäksi käytössä on sauna, pesutilat ja pyykkikone. Ensimmäiset viikot retkikunta sulatti tarvitsemansa veden lumesta, nyt antarktisen kesän edetessä sulaa vettä saadaan Basenin alla olevasta jääjärvestä, johon valuu vuorenrinteiltä sulamisvesiä. Aboalla on myös radioasema, jolla pidetään yhteyttä muihin Etelämantereen asemiin, ja jopa koti-Suomeen saakka. Toki käytössä on myös satelliittipohjainen internet välttämättömän sähköpostin, säätietojen ynnä muun välittämiseen.
Jouluviikolla retkikunta valmistautui varsinaisten töidensä ohella joulun viettoon, ja tiedossa olikin leivontaa, ruuanlaittoa, aseman koristelua ynnä muuta, musiikkia unohtamatta. Aboalla järjestettiin tänä vuonna Etelämantereen lyhytelokuvafestivaali (Antarctis short, documentary and animation film festival) 13. kerran. Vaikka kaukana ollaankin, kotoisat asiat ovat tärkeitä, ja retkikunta rentoutuu pelaamalla pöytälätkää, lukemalla, musisoimalla, lenkkeilemällä Basenille rakennetun suunnistusradan reiteillä ja vaeltamalla vuorella muutoinkin. Yhteyttä kotijoukkoihin pidetään WhatsAppin välityksellä, ja retkikunnan tekemisistä julkaistaan säännöllisesti tiedotteita Ilmatieteen laitoksen sivuilla.
Aboa sijaitsee kuningatar Maudin maaksi kutsutulla alueella, hieman etelään 73 eteläiseltä leveyspiiriltä. Kotiin on matkaa reilu 15 000 kilometriä. Mannerjäätä on Etelämantereella keskimäärin 2300 metrin paksuudelta, enimmillään lähes viisi kilometriä. Jäätikkö peittää 98 prosenttia Etelämantereen pinnasta, ja kaikkineen 41 kertaa Suomen pinta-alan kokoisen alueen. Päivälämpötila pysyttelee kesällä muutamassa pakkasasteessa, pakkasennätys on -89 astetta. Tuuli yltyy usein hirmumyrskylukemiin, tälläkin kaudella jo neljästi retkikunta on pidellyt myrskyä yli 60 solmun tuulissa.
Basenilla linnusto koostuu kalliojyrkänteillä pesivistä lumi- ja etelämantereenmyrskyliitäjistä sekä satunnaisemmin vierailevista kihuista. Muuta elämää ovat vain harvat antarktiset levät, sammalet ja jäkälät. Muutoin maisema on vulkaanista kiveä, jäätä jalunta, tuuli suhisee lakkaamatta korvissa eikä aurinko laske – onhan antarktinen kesä.
Tammikuun alkupuolella on tarkoitus toteuttaa tutkimusretki 150 km päähän länteen merijäälle, ja tehdä merijään pinnankarkeuden määritystä laserkeilaamalla. Samalle retkelle on lähdössä myös pingviinitutkijoita saksalaiselta Neumayerin tutkimusasemalta, joka sijaitsee 400 km päässä pohjoiseen Aboalta. Mutta se on sitten oman juttunsa aihe. Leppoisia tuulia ja pakkasia sekä hyvää uutta vuotta koti-Suomeen!
ANTERO KUKKO
tutkimusprofessori
Autonominen kartoitus ja Ajaminen
Paikkatietokeskus
Maanmittauslaitos
Antero Kukko asuu Kirkkonummella ja toimii Paikkatietokeskuksessa tutkimusprofessorina erityisalanaan laserkeilausjärjestelmät, kartoituksen automaatio ja dataprosessit. Lisäksi hän toimii adjunct professorina Aalto yliopiston Rakennetun ympäristön laitoksella.
RETKIKUNTAAN osallistuvat lumitutkijat sekä Luonnontieteellisen keskusmuseon geologit rahdin lastauspuuhissa Norjan Polaari-instituutin ylläpitämällä Troll asemalla Etelämantereella. Vasemmalta Arto Luttinen, Jussi Heinonen, Aleksi Rimali, Leena Leppänen ja Antero Kukko.
Jussi Salo
LENNÄTYSASEMANA toimii reessä oleva droonin kuljetuslaatikko. Laatikko antaa myös oivan työskentelytason kenttäolosuhteissa.
Jussi Salo
AUTOMAATTINEN sääasema (AWS5) sijaitsee jäätiköllä 10 km itään Aboalta. Kuvassa laserkeilaimen tuottama pistepilvi asemasta ja sen haruksista. Aseman edessä lumen pinnalla näkyy tähys, jollaisia käytetään toisella droonilla kerättyjen hyperspektrikuvien rekisteröimiseen samaan koordinaatistoon laserkeilausaineiston kanssa. Lumen pinnanmuodot erottuvat sinisen sävyillä esitetyssä lasersäteen heijastuvuusarvoissakin.
Jussi Salo
ABOAN ”droonihangaari”, jossa on hyvät tilat tehdä asennus- ja huoltotoimenpiteitä. Hallissa varastoidaan myös aseman moottorikelkat ja reet.
Jussi Salo
2-TAHTIPOLTTOAINEEN sekoitus on hyvä tehdä kaarihallissa vuotomaton päällä.
Jussi Salo
DROONIN tankkien täyttö ennen lentoa tapahtuu kohteessa täyttösäiliöstä akkukäyttöisellä pumpulla letkun avulla. Piiri on suljettu, joten vuotoja ei pääse helposti tapahtumaan. Taustalla näkyy GNSS-tukiasema kolmijalalla ja Plogen nunatak, joka sijaitsee noin 60 kilometrin päässä etelä-kaakkoon Aboalta. Tutkimuskohteesta toiseen kuljetaan moottorikelkalla ja reellä, ajonopeus on noin 20 km/h.
Jussi Salo
OHJAIMEN näyttö kertoo lentotehtävän suoritusvaiheen sekä koneen lentotilan. Tässä työn alla hieman yli kahden tunnin lento 100 metrin korkeudesta, droonin lentonopeus on 5 m/s. Vasemmasta alanurkasta voi vaihtaa näkymän droonin käännettävään kameraan.
Jussi Salo
LASERKEILAIMEN mittaama lumipinnan reflektanssi (kuvan skaala -15 - -12 dB) kertoo jo itsessään paljon lumen pinnan vaihtelusta ja pinnamuodoista. Tummemmat alueet ovat tuulen kasaamaa irtolunta, keltaiset ja punaiset ovat voimakkaammin heijastavia kovia lumipintoja, joissa erottuu tuulen ja sen kuljettamien jääkiteiden hiomia kuvioita. 1550 nm aallonpituudella kuiva lumi heijastaa noin 10% siihen osuvasta laservalaisusta, kostean lumen ja jään heijastus on vieläkin heikompi.
Jussi Salo
ABOA tutkimusasema kaakon suunnasta nähtynä 22.11.2022. Kuvassa on droonilla laserkeilaamalla muodostettu 3D pistepilvi, kuvan väritys kertoo pinnan kirkkauden. Päärakennus sijaitsee lippusalosta oikealle, majoituskontisto sen vasemmalla puolella ja generaattori-verstasrakennus oikealla. Näiden edessä kolme radiomastoa. Varasto- ja ajoneuvokontteja sekä varastoalue on majoituskontista edelleen vasemmalle, sekä ns. vanerihalli, jossa säilytetään ja huolletaan ajoneuvoja. Oikealla alhaalla näkyy moottorikelkat ja reet sekä kaarihalli ja jätteenkäsittelykontti. Vanerihallin läheisyydessä on traktorikaivuri, kaksi Arctic Truck ajoneuvoa sekä telakuorma-auto.
Jussi Salo
KIRKKONUMMI
KIRKKONUMMI
KIRKKONUMMI
INKOO
INKOO
KIRKKONUMMI
Puh: 09 221 9200
toimitus@kirkkonummensanomat.fi
Munkinkuja 4, 02400 Kirkkonummi
ETELÄMANNER
Maanmittauslaitoksen Paikkatietokeskuksen ja Ilmatieteen laitoksen tutkimustiimi on parhaillaan Etelämantereella suorittamassa antarktisen lumen ja merijään mittauksia LAS3R-projektissa. Perillä Aboalla tutkijat olivat 13. marraskuuta ja tutkimusmatka kestää helmikuun alkuun 2023 saakka. Retkikunnassa on mukana kirkkonummelainen Antero Kukko (MML), muita lumitutkijoita ovat Aleksi Rimali (IL) ja Leena Leppänen (IL, Arktinen keskus). Lisäksi retkikuntaan osallistuu geologeja sekä FINNARPin henkilökuntaa.
Projekti on Suomen Akatemian rahoittama ja sen Etelämantereella tehtävä kenttätutkimusmatka toteutetaan FINNARPin tukemana. Projektin tutkimusosapuolina ovat Maanmittauslaitoksen Paikkatietokeskus ja Ilmatieteen laitos.
LAS3R-projektissa tutkitaan menetelmiä lumen pinnankarkeuden määrittämiseen laajoilta alueilta, mitä ei aiemmin ole pystytty tekemään. Tiimin Etelämantereella keräämiä aineistoja vertaillaan samanaikaisiin satelliittihavaintoihin; pyrkimyksenä on suorittaa paikan päällä lumen fysikaalisten ominaisuuksien mittauksia lumikuopissa (kidekoko, lämpötilaprofiili, kerroksellisuus, pinnan heijastuvuus spektrometrillä), toteuttaa laserkeilaus ja hyperspektrikuvaus drooneilla sekä mitata keilauksen ja kuvausten aikainen tuleva ja lumesta heijastuva Auringon säteily puolen vuorokauden tarkkuudella suoraan tiettyjen satelliittien ratojen alapuolelta. Mielenkiinnon kohteena ovat optiset satelliitit kuten Sentinel-2, Maapallon jäätiköitä ja merijäätä vihreällä laserilla luotaava ICESat-2, mikroaaltosatelliitti CryoSat sekä eri tutkasatelliitit.
Havaintojen perusteella pyritään parantamaan antarktisen lumen ja jään heijastuvuusmalleja ja laajojen alueiden satelliittiaineistojen tulkinnan luotettavuutta, millä on vaikutusta globaaleihin sää- ja ilmastomalleihin.
LAS3R-lumitutkimustiimin käytössä on kirkkonummelaisen Avartekin valmistama Boxer multikopteridrooni, jossa on kahdeksan roottoria, kaksi eri suuntiin pyörivää päällekkäin neljän, kuljetusta varten kokoon taittuvan varren päässä. Droonin Käyttövoimana on 2,5% kaksitahtibensiini, joka käyttää kaksisylinteristä generaattoria tuottamaan sähköä roottorien pyörittämiseen ja keilausjärjestelmän käyttämiseen. Boxerilla voidaan laserkeilausvarustuksessa suorittaa jopa kolmen tunnin yhtäjaksoisia lentoja, ja se kykenee suunnistamaan automaattisesti suunnitellun lentokuvion tai reitin mukaisesti, tai sitä voidaan lennättää tarvittaessa ohjaimella.
Tutkimuslennoilla käytetään hyötykuormana laserkeilauslaitteistoa, joka koostuu itävaltalaisen Rieglin valmistamasta VUX-120 keilaimesta sekä kanadalaisesta NovAtel CPT7B satelliitti-inertiapaikannuslaitteesta (GNSS-IMU). Lisäksi tarkkaan lentoreitin laskentaan tarvitaan satelliittipaikannuksen maatukiasema, jollaisena toimii Trimble R10-vastaanotin.
Laitteiston ripustuksen suunnittelu ja valmistus sekä sensori-integraatio on toteutettu Maanmittauslaitoksen Paikkatietokeskuksessa, joka muutti aiemmin tänä vuonna Masalasta Otaniemeen.
Sensoripaketti on värinävaimennettu, ja se saa tarvitsemansa sähkövirran droonin sähköjärjestelmästä.
GNSS-IMU laitteiston 400 hertsin taajuudella tallentamista lennonaikaisista paikka-, kiihtyvyys- ja kulmakiihtyvyyshavainnoista lasketaan jälkikäteen droonin lentämä tarkka reitti ja asento. Lisäksi paikannuslaitteistoa hyödynnetään tarkan kellonajan syöttämiseen laserkeilaimelle sen tekemien mittausten ajastamiseen. Näiden perusteella voidaan lopulta tuottaa kohteesta, eli tässä tapauksessa lumen tai merijään pinnasta, tarkka kolmiulotteinen pistepilvi.
Laserkeilain toimii 1550 nanometrin aallonpituusalueella, ja pystyy tuottamaan 1,8 miljoonaa lyhyttä laserpulssia sekunnissa tarkkojen etäisyysmittausten tekemiseen. Lasersädettä ohjataan pyörivällä monitahokaspeilillä siten, että lasersäde tuottaa kolme lentosuunnassa peräkkäistä, keskenään 10 asteen välein olevaa poikittaista profiilia lumen pintaan. Näitä toistetaan suurella taajuudella droonin lentäessä automaattisesti suunnitellulla lentoreitillään. Etäisyysmittausten lisäksi laserkeilain mittaa ja tallentaa kohteesta heijastuneen lasersäteen voimakkuuden ja muuntaa sen kalibrointitietojen perusteella reflektanssiksi, eli heijastuvuudeksi.
Droonissa on kaksi 6000 mAh kuusikennoista litiumpolymeeriakua virrantuoton puskurina, jota siis polttomoottorigeneraattori jatkuvasti lataa lennon aikana. Lentoa varten sekoitetaan 2,5%
kaksitahtipolttoainetta puhtaasta pienkonebensiinistä ja arktisiin olosuhteisiin soveltuvasta kaksitahtiöljystä 20 litran täyttösäiliöön, josta valmis polttoaine pumpataan akkukäyttöisellä pumpulla
suljettua letkupiiriä käyttäen droonin tankkeihin. 3,5 litran vetoisia tankkeja on droonissa kaksi, yksi kummallakin puolella. Tähänastiset lennot Aboan ympäristössä ovat osoittaneet, että polttoainetta kuluu 2-3 litraa tunnissa riippuen tuuliolosuhteista sekä käytettävästä lentonopeudesta (maanopeus). Pakkasta on lentojen aikana ollut 5-20 astetta. 20 solmun tuulennopeutta on pidetty lentotoiminnan ylärajana. Säteilymittaukset edellyttävät pilvetöntä säätä.
Aboalla on pressupäällysteinen kaarihalli, jonka suojissa on tilaa tehdä droonin asennus- ja huoltotöitä. Polttoaineen sekoitus tehdään täällä, droonin tankkaus suoritetaan tarvittaessa lentokohteissa jäätiköllä. Kaikessa polttoaineen käsittelyssä on noudatettava varovaisuutta polttoainevahinkojen välttämiseksi. Jos niin kuitenkin kävisi, mahdollinen polttoaineen saastuttama lumi kerätään talteen ja kuljetetaan pois Etelämantereelta jätteenkäsittelyyn Etelä-Afrikassa. Polttoainehuollon lisäksi ajoittain tarkistetaan jäähdytysjärjestelmän ilmaus, sytytystulpat vaihdetaan 50 lentotunnin välein, joka lennolle tarkistetaan roottorien laakeroinnin kunto sekä kiristellään mahdollisesti löystyneet ruuvit. Yksi roottorin lapa on jouduttu tähän mennessä vaihtamaan siihen osuneen, tärinässä irronneen kannen ruuvin vuoksi. Onneksi vaurio oli vähäinen, eikä droonille aiheutunut muita vahinkoja. Toisen kerran hajosi yksi sähkömoottori, varaosa saatiin Kirkkonummelta asti asemalle kuudessa vuorokaudessa, sillä onnekkaasti ruotsalainen retkikunta oli juuri lähdössä Oslon kautta Aboan viereiselle Wasa asemalleen, ja rahti ehdittiin saada mukaan samaan kuljetukseen.
Drooni sekä muu tarvittava kalusto kuljetetaan tutkimuskohteille yleensä moottorikelkan reessä. Boxer kuljetetaan yhdessä polttoaineen täyttösäiliön kanssa suuressa alumiinilaatikossa, johon on asennettu pohjalle kiskot ja hihnakiinnikkeet droonin ja säiliön turvallista kiinnitystä varten kuljetuksen ajaksi. Droonin kauko-ohjain, maastokannettava keilausjärjestelmän käyttämiseen, dronen akut sekä muu tarpeellinen kulkevat mukana pienemmässä laatikossa. Akut asennetaan drooniin vasta kun ohjaimella tehtävä lentosuunnitelma on valmis. Lähtöaika, lentokorkeus ja -nopeus, kesto ja polttoaineen kulutus kirjataan ylös lentopäiväkirjaan. Tarvittaessa koordinoidaan lennätystä Aboan kanssa, kun on tiedossa muuta lentotoimintaa Aboalle tai eri etelämannertukikohtien välillä ja koneiden lentoreitit suuntaavat Aboan kautta tai läheltä. Aboa välittää kulloisenkin lentopaikan ja lentolentokorkeudet tiedoksi muille asemille, vaikka toimimmekin alle 120 metrin korkeuksissa. Lähimmillään on samanaikaisesti laskeutunut ja noussut Twin Otter Aboalle (10 km) ja ollut tutkauslentoja Fossilryggenillä (80 km).
Boxerin moottori käytetään lämpimäksi ennen ilmaan nousua, tähän kuluu muutama minuutti. Droonissa on nestejäähdytys, ja jäähdyttimen läpi virtaava lämmennyt ilma ohjataan droonin rungon lisäkoteloinnin avulla akuille, mikä auttaa niiden pitämisessä riittävän lämpiminä lennon aikana, jotta ne varaavat ja purkavat tehokkaasti virtaa roottorien sähkömoottoreille sekä keilausjärjestelmälle. Keilausjärjestelmä käyttää 12-volttista tasajännitettä, ja sen kokonaistehonkulutus on noin 55 wattia. Lennon kulkua ja akkujen varaustilaa seurataan ohjaimen näytöltä. Lisäksi Boxerissa on käännettävä kamera, joka lähettää reaaliaikaisesti videokuvaa lähettimeen.
Kohteeseen saavuttaessa pystytetään ensimmäiseksi GNSS-tukiasema kolmijalalle ja aloitetaan satelliittihavaintojen tallennus. Tukiasema on päällä koko lennon ajan, ja sammutetaan viimeisenä, kun kaikki muut työt on kohteessa saatu tehtyä, jotta saadaan mahdollisimman pitkä havaintoaika tarkan paikannuksen ratkaisuun. Käytössä oleva vastaanotin havainnoi GPS ja GLONASS paikannusjärjestelmien satelliitteja.
LAS3R projektissa hyödynnetään laserkeilausta lumenpinnan mikrotopografian eli pinnanmuotojen mittaamiseen erittäin suurella resoluutiolla. Tyypillisesti lennot suoritetaan joko 75 tai 100 metrin korkeudesta, vastaavasti joko 6 tai 8 metrin sekuntinopeudella lentäen, ja 0,3 milliradiaanin kulmaresoluutiolla. Suoraan droonin alapuolella pisteväli on 100 metrin korkeudella lentäen noin 30 mm sekä poikittais- että lentosuunnassa. 75 metrin korkeudesta hieman hitaammin lentäen pisteväli on 20 mm.
Keilauskuvion suurin mahdollinen leveys on 100 metrin korkeudesta 240 metriä. Lentokuvio laaditaan ennen lentoa ohjaimen avulla, ja on perusmuodoltaan yleensä ristikkäinen
suorakaide, ja lentojonojen väli on 50 metriä (Kuva 6). Boxerilla voidaan tuottaa tällaisia pintamalleja parhaimmillaan neliökilometrien kokoisilta alueilta kerrallaan, mitä ei aiemmin ole voitu tehdä.
Tarkoituksena on saada katettua riittävästi lumipintaa satelliittien tekemien havaintojen vertaamiseksi tilastollisesti merkittävällä havaintojen määrällä. Lisäksi lentokuvio suunnitellaan satelliitin rataan nähden poikittain riittävän leveäksi siten, että se myös huomioi rataennusteiden epävarmuudet, millä pyritään varmistamaan, että havaintoja saadaan alueelta, johon satelliittihavainnot lopulta osuvat, erityisesti tämä koskee altimetrityyppisiä profiloivia satelliitteja, kuten ICESat-2.
Pinnankarkeus on tärkeä parametri lumen kokonaisheijastuvuuden, eli albedon määrittämisessä. Lumen ja merijään pinnankarkeus vaikuttaa satelliittihavaintoihin, mutta määrää ei tunneta kovin hyvin johtuen pinnankarkeuden määrittämisen vaikeudesta varsinkin riittävän laajoilla alueilla satelliittihavaintojen selittämiseksi. Jotta pinnankarkeuden vaikutusta satelliittihavaintoihin voidaan korjata, tarvitsee ymmärtää minkä mittakaavan pinnankarkeus vaikuttaa merkitsevästi havaintoihin. Tästä syntyy tarve mitata eri mittakaavoissa, ja laserkeilaus on erittäin varteenotettava menetelmä. Näiden mittausten perusteella voidaan laskea lumen pinnankarkeus eri mittakaavoissa senteistä satojen metrien aallonpituuksiin.
Tarkoilla kidemittauksilla päästään kiinni hienoimpaan lumen rakenteeseen, suuremmilla jaksoilla nähdään tuulen ajaman lumen muodostamat pintakuviot, pienet harjanteet, suuremmat kinokset ja sastrugit sekä lopulta jäätikön pitkillä aallonpituuksilla kumpuileva pinta. Heijastuksen voimakkuuteen vaikuttava säteenosumiskulma lumen pinnan suhteen voidaan laskea pinnankarkeusmallista; kohtisuoraan lumenpintaan osuva säde antaa voimakkaamman heijastuksen kuin viistolla kulmalla osuva. Laserin etuna on, että mittaus
ei riipu ulkoisesta valonlähteestä toisin kuin passiiviset hyperspektri- ja RGB-kuvauksen tapauksissa.
Toisaalta heijastuvuusnäyte saadaan vain yhdeltä aallonpituudelta, joten tekniikat yhdessä antavat täydellisemmän kuvan lumen pinnan ominaisuuksista. Aiempia havaintoja on hyvin vähän Etelämantereen lumen ja merijään pinnankarkeudesta, eikä tällaisella järjestelyllä ole tehty vastaavaa toteutusta aiemmin.
Lumitutkimuksen lisäksi laserkeilaus soveltuu erinomaisesti topografiseen kartoitukseen. Aboa sijaitsee Basen nimisellä nunatakilla kuningatar Maudin maalla. Kauden alussa suoritettujen testilentojen tuottaman data perusteella keilausjärjestelmä saatiin kalibroitua, ja samalla saimme tehtyä Aseman ympäristöstä kolmiulotteisen kartan. Samalla alueella on myös ruotsalaisten Wasa asema, ja yhdessä Aboaa ja Wasaa kutsutaan Nordenskiöld asemaksi. Mikäli kauden aikana tulee aikataulullisesti ja säiden puolesta mahdolliseksi, niin keilaamme Basenin aluetta sopivina paloina laajemminkin tarkan topografisen mallin luomiseksi. Lisäksi pohdimme yhteistyössä geologitiimin kanssa Basenin pohjois- ja länsipuolen 300 metriä korkeiden pystysuorien basalttijyrkänteiden keilaamista muinaisten tulvabasalttikerrostuminen paksuuden ja rakenteen mittaamiseksi. Lisäksi Plogen nunatakin alueella voisi olla mahdollista tehdä samantapaisia laserkeilauksia.
Asemalla majoitutaan joko erillisissä asuinkonteissa tai päärakennuksen huoneissa. Päärakennuksessa on messi ja keittiö, jotka toimivat koko retkikunnan yhteisenä ruokailu ja ajanviettopaikkoina. Lisäksi käytössä on sauna, pesutilat ja pyykkikone. Ensimmäiset viikot retkikunta sulatti tarvitsemansa veden lumesta, nyt antarktisen kesän edetessä sulaa vettä saadaan Basenin alla olevasta jääjärvestä, johon valuu vuorenrinteiltä sulamisvesiä. Aboalla on myös radioasema, jolla pidetään yhteyttä muihin Etelämantereen asemiin, ja jopa koti-Suomeen saakka. Toki käytössä on myös satelliittipohjainen internet välttämättömän sähköpostin, säätietojen ynnä muun välittämiseen.
Jouluviikolla retkikunta valmistautui varsinaisten töidensä ohella joulun viettoon, ja tiedossa olikin leivontaa, ruuanlaittoa, aseman koristelua ynnä muuta, musiikkia unohtamatta. Aboalla järjestettiin tänä vuonna Etelämantereen lyhytelokuvafestivaali (Antarctis short, documentary and animation film festival) 13. kerran. Vaikka kaukana ollaankin, kotoisat asiat ovat tärkeitä, ja retkikunta rentoutuu pelaamalla pöytälätkää, lukemalla, musisoimalla, lenkkeilemällä Basenille rakennetun suunnistusradan reiteillä ja vaeltamalla vuorella muutoinkin. Yhteyttä kotijoukkoihin pidetään WhatsAppin välityksellä, ja retkikunnan tekemisistä julkaistaan säännöllisesti tiedotteita Ilmatieteen laitoksen sivuilla.
Aboa sijaitsee kuningatar Maudin maaksi kutsutulla alueella, hieman etelään 73 eteläiseltä leveyspiiriltä. Kotiin on matkaa reilu 15 000 kilometriä. Mannerjäätä on Etelämantereella keskimäärin 2300 metrin paksuudelta, enimmillään lähes viisi kilometriä. Jäätikkö peittää 98 prosenttia Etelämantereen pinnasta, ja kaikkineen 41 kertaa Suomen pinta-alan kokoisen alueen. Päivälämpötila pysyttelee kesällä muutamassa pakkasasteessa, pakkasennätys on -89 astetta. Tuuli yltyy usein hirmumyrskylukemiin, tälläkin kaudella jo neljästi retkikunta on pidellyt myrskyä yli 60 solmun tuulissa.
Basenilla linnusto koostuu kalliojyrkänteillä pesivistä lumi- ja etelämantereenmyrskyliitäjistä sekä satunnaisemmin vierailevista kihuista. Muuta elämää ovat vain harvat antarktiset levät, sammalet ja jäkälät. Muutoin maisema on vulkaanista kiveä, jäätä jalunta, tuuli suhisee lakkaamatta korvissa eikä aurinko laske – onhan antarktinen kesä.
Tammikuun alkupuolella on tarkoitus toteuttaa tutkimusretki 150 km päähän länteen merijäälle, ja tehdä merijään pinnankarkeuden määritystä laserkeilaamalla. Samalle retkelle on lähdössä myös pingviinitutkijoita saksalaiselta Neumayerin tutkimusasemalta, joka sijaitsee 400 km päässä pohjoiseen Aboalta. Mutta se on sitten oman juttunsa aihe. Leppoisia tuulia ja pakkasia sekä hyvää uutta vuotta koti-Suomeen!
ANTERO KUKKO
tutkimusprofessori
Autonominen kartoitus ja Ajaminen
Paikkatietokeskus
Maanmittauslaitos
Antero Kukko asuu Kirkkonummella ja toimii Paikkatietokeskuksessa tutkimusprofessorina erityisalanaan laserkeilausjärjestelmät, kartoituksen automaatio ja dataprosessit. Lisäksi hän toimii adjunct professorina Aalto yliopiston Rakennetun ympäristön laitoksella.
RETKIKUNTAAN osallistuvat lumitutkijat sekä Luonnontieteellisen keskusmuseon geologit rahdin lastauspuuhissa Norjan Polaari-instituutin ylläpitämällä Troll asemalla Etelämantereella. Vasemmalta Arto Luttinen, Jussi Heinonen, Aleksi Rimali, Leena Leppänen ja Antero Kukko.
Jussi Salo
LENNÄTYSASEMANA toimii reessä oleva droonin kuljetuslaatikko. Laatikko antaa myös oivan työskentelytason kenttäolosuhteissa.
Jussi Salo
AUTOMAATTINEN sääasema (AWS5) sijaitsee jäätiköllä 10 km itään Aboalta. Kuvassa laserkeilaimen tuottama pistepilvi asemasta ja sen haruksista. Aseman edessä lumen pinnalla näkyy tähys, jollaisia käytetään toisella droonilla kerättyjen hyperspektrikuvien rekisteröimiseen samaan koordinaatistoon laserkeilausaineiston kanssa. Lumen pinnanmuodot erottuvat sinisen sävyillä esitetyssä lasersäteen heijastuvuusarvoissakin.
Jussi Salo
ABOAN ”droonihangaari”, jossa on hyvät tilat tehdä asennus- ja huoltotoimenpiteitä. Hallissa varastoidaan myös aseman moottorikelkat ja reet.
Jussi Salo
2-TAHTIPOLTTOAINEEN sekoitus on hyvä tehdä kaarihallissa vuotomaton päällä.
Jussi Salo
DROONIN tankkien täyttö ennen lentoa tapahtuu kohteessa täyttösäiliöstä akkukäyttöisellä pumpulla letkun avulla. Piiri on suljettu, joten vuotoja ei pääse helposti tapahtumaan. Taustalla näkyy GNSS-tukiasema kolmijalalla ja Plogen nunatak, joka sijaitsee noin 60 kilometrin päässä etelä-kaakkoon Aboalta. Tutkimuskohteesta toiseen kuljetaan moottorikelkalla ja reellä, ajonopeus on noin 20 km/h.
Jussi Salo
OHJAIMEN näyttö kertoo lentotehtävän suoritusvaiheen sekä koneen lentotilan. Tässä työn alla hieman yli kahden tunnin lento 100 metrin korkeudesta, droonin lentonopeus on 5 m/s. Vasemmasta alanurkasta voi vaihtaa näkymän droonin käännettävään kameraan.
Jussi Salo
LASERKEILAIMEN mittaama lumipinnan reflektanssi (kuvan skaala -15 - -12 dB) kertoo jo itsessään paljon lumen pinnan vaihtelusta ja pinnamuodoista. Tummemmat alueet ovat tuulen kasaamaa irtolunta, keltaiset ja punaiset ovat voimakkaammin heijastavia kovia lumipintoja, joissa erottuu tuulen ja sen kuljettamien jääkiteiden hiomia kuvioita. 1550 nm aallonpituudella kuiva lumi heijastaa noin 10% siihen osuvasta laservalaisusta, kostean lumen ja jään heijastus on vieläkin heikompi.
Jussi Salo
ABOA tutkimusasema kaakon suunnasta nähtynä 22.11.2022. Kuvassa on droonilla laserkeilaamalla muodostettu 3D pistepilvi, kuvan väritys kertoo pinnan kirkkauden. Päärakennus sijaitsee lippusalosta oikealle, majoituskontisto sen vasemmalla puolella ja generaattori-verstasrakennus oikealla. Näiden edessä kolme radiomastoa. Varasto- ja ajoneuvokontteja sekä varastoalue on majoituskontista edelleen vasemmalle, sekä ns. vanerihalli, jossa säilytetään ja huolletaan ajoneuvoja. Oikealla alhaalla näkyy moottorikelkat ja reet sekä kaarihalli ja jätteenkäsittelykontti. Vanerihallin läheisyydessä on traktorikaivuri, kaksi Arctic Truck ajoneuvoa sekä telakuorma-auto.
Jussi Salo
KIRKKONUMMI
KIRKKONUMMI
KIRKKONUMMI
INKOO
INKOO
KIRKKONUMMI
Puh: 09 221 9200
toimitus@kirkkonummensanomat.fi
Munkinkuja 4, 02400 Kirkkonummi