Arkistot kuukauden mukaan: kesäkuu 2024

Kun Maa pyörii: pyörivän maanliikkeen merkityksestä seismologiassa ja tekniikassa

Maanjäristyksiä ajatellessamme ensimmäinen mieleen tuleva asia on maan täriseminen. Tässä liikkeessä on kuitenkin enemmän kuin vain edestakainen tai ylös ja alas -liike. Pyörivä maanliike, maapallon pinnan kiertyminen ja kallistuminen paikallisesti, on ratkaisevassa asemassa seismisten tapahtumien ymmärtämisessä ja niihin varautumisessa.

Päivittäisiä esimerkkejä pyörimisliikkeestä

Jotta kiertoliikkeen käsite olisi helpommin ymmärrettävissä, pohditaanpa joitakin jokapäiväisiä esimerkkejä:

  1. Hyrrä: Aivan kuten hidastuessaan huojuvan hyrrän pyörivä yläosa, maa voi vääntyä ja kääntyä maanjäristyksen aikana.
  2. Dizzy Dance Moves: Oletko koskaan yrittänyt pyöriä ympyrää huvin vuoksi? Pyörimisestä aiheutunut huimaus on pienimuotoinen versio siitä, mitä tapahtuu maan pyörimisliikkeen aikana – ilman rakennuksen kaatamisen riskiä.

Jokapäiväisiä esimerkkejä pyörimisliikkeestä.

Nämä arkiset esimerkit auttavat meitä visualisoimaan, miten maa voi liikkua maanjäristyksen aikana. Tutkitaan vielä tarkemmin, mitä pyörimisliike on ja miksi se on tärkeää.

Maan liikkeen jakaminen osiin: edestakainen liike, pyörimisliike ja Maan tanssi

Pyörivä maanliike tarkoittaa maankamaran paikallista pyörimisliikettä pysty- ja vaaka-akselien ympärillä (me nörtit kutsumme niitä vääntö- ja kallistus- tai keinumisliikkeiksi!). Kuvittele seisovasi jättimäisen levysoittimen päällä, joka alkaa pyöriä. Koet pyörimisliikkeen. Samoin maanjäristyksen aikana maankamaran eri osiin voi kohdistua pyörimis- tai kiertoliikettä.

Oletetaan, että seisot avoimessa maastossa maanjäristyksen aikana. Selvitetäänpä, mitä tapahtuu allasi olevalle maalle:

  • Translaatioliike:

Kuvittele, että sinua tönäistään lempeästi pohjoisesta. Tunnet siirtyväsi etelään. Tämä liike, jossa maa liikkuu edestakaisin yhteen suuntaan, on translaatioliike. Kuin sinua ravisteltaisiin hellästi suoraa viivaa pitkin. Samoin sinua voidaan tönäistä idästä, jolloin tunnet liikkuvasi länteen.

  • Pyöriminen:

Oletetaan, että sinua aletaan pyörittää ympäri samanaikaisesti, kun sinua työnnetään pohjoisesta ja idästä. Et liiku enää vain etelään ja länteen, vaan pyörit myös ympäri. Tämä on pyörivä maanliike, jossa maa kiertyy ja kääntyy. Kuin olisi pyörivässä karusellissa, samalla kun tunnet paineen pohjoisesta ja idästä.

Mitä vaikuttaa tähän mennessä? Eikö tunnukin siltä, että olet huvipuistossa? Sinulla on jo pari ystävää, jotka työntävät ja pyörittävät sinua eri suuntiin. Ei siis haittaa, että saat vielä yhden ystävän lisää! Lisätäänpä siis vielä yksi ulottuvuus:

  • Ylös ja alas -liike:

Kaiken edellä mainitun tapahtuessa kuvittele, että sinua nostetaan ylös ja alas. Sinua ei tönitä vain etelään, vaan myös ylös ja alas. Tämä ylös-ja-alas liike täydentää translaatioliikkeiden kolmikon lisäämällä liikeratoihin mukaan syvyyden.

Maanjäristyksen aikana maa voi siis liikkua kuudella eri tavalla samanaikaisesti: se voi liikkua edestakaisin, vasemmalle ja oikealle, sekä nousta ja laskea (ylös ja alas). Näitä kolmea liikemuotoa kutsutaan translaatioksi. Maanliikkeen kolme muuta komponenttia ovat pyörimisliikkeet kolmen kohtisuoran akselin ympäri. Nämä kuusi komponenttia yhdessä muodostavat monimutkaisen liikkeen, ja kunkin komponentin ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää seismisiin tapauksiin varautumisessa.

Maan liikkeen jakaminen kolmeen translaatio- ja kolmeen rotaatiokomponenttiin

Mitä väliä?

  • Seismologia

Seismologiassa kiertoliikkeen ymmärtäminen auttaa parantamaan maanjäristysmalleja. Näitä malleja käytetään ennustamaan, miten erilaiset maanliikkeet, mukaan lukien sekä translaatio- (edestakainen liike) että pyörimisliikkeet, vaikuttavat maapallon pintaan. Pyörimisliikkeen sisällyttämällä näihin malleihin täydentää tutkijoiden ymmärrystä maan tärinästä, mikä mahdollistaa paremman ennakointikyvyn ja valmistautumisen tulevien maanjäristysten varalle.

  • Rakennustekniikka

Tieto pyörimisliikkeen vaikutuksesta auttaa insinöörejä, erityisesti rakennusten, siltojen ja muun infrastruktuurin suunnittelijoita, suunnittelemaan rakenteita, jotka kestävät paremmin maanjäristyksiä. Lisäksi tieto kiertovoimien vaikutuksesta auttaa arvioimaan olemassa olevien rakenteiden turvallisuutta ja vakautta (katso tämä video saadaksesi lisätietoa https://www.usgs.gov/media/videos/shaking-atwood-building-anchorage-alaska).

Pyörivän maanliikkeen mittaaminen

Pyörimisliikkeen mittaaminen on haastavaa, mutta siihen on kehitetty useita tekniikoita. Nämä tekniikat voidaan jakaa kahteen pääluokkaan: pyörimisanturit ja mittalaitejoukon rekisteröinneistä laskettava pyörimisliike.

  • Pyörimisanturit

Pyörimisanturit mittaavat suoraan maan kiertymistä ja kääntymistä. Näitä ovat gyroskoopit, rengaslasergyroskoopit ja valokuitugyroskoopit, jotka havaitsevat ja mittaavat seismisiä pyörimisliikkeitä. Nämä anturit tarjoavat kriittistä tietoa, joka auttaa ymmärtämään maanpinnan monimutkaista liikettä. Ne ovat kuin seismologin versio ballerinan tasapainoaistista – paitsi paljon tarkempia ja ilman tutua!

  • Mittalaitejoukon rekisteröinneistä laskettava pyörimisliike

Laitejoukon rekisteröinneistä laskettava pyörimisliikkeen arviointi edellyttää useita seismometrejä (instrumentteja, jotka mittaavat maan translaatioliikettä) pyörimisliikkeen päättelemiseksi. Sijoittamalla useita seismometrejä lähelle toisiaan tutkijat voivat analysoida maanpinnan liikkeen pyörimiskomponentit. Tätä menetelmää kutsutaan myös monipistemittaustekniikaksi.

Miten monipistemittaustekniikka toimii

Kuvittele, että asetat useita seismometrejä tietyin välimatkoin toisistaan. Jokainen seismometri tallentaa maan liikkeen tietyssä tunnetussa paikassa. Vertailemalla kunkin seismometrin tallentamien signaalien eroja tutkijat voivat päätellä, miten mittalaitteen alla oleva maa liikkuu ja pyörii. Tämä menetelmä on erittäin tehokas, koska siinä hyödynnetään olemassa olevaa tekniikkaa, joka on laajalti saatavilla.

Pyörimisliike Helsingissä

Arvioimme Helsingin yliopiston seismologian instituutissa pysty- ja vaaka-akselien pyörimisliikkeet lähes 500 seismisestä tapauksesta. Maanjäristykset aiheutuivat Espoon Otaniemen geotermiseen energiakaivoon liittyvästä stimulaatiosta. Käsittelimme dataa kuudesta pääkaupunkiseudulle asennetusta seismografiasemasta. Maanjäristysten pienestä voimakkuudesta huolimatta saimme selkeitä tietoja pyörimisliikkeestä, jotka osoittivat monipistemittaustekniikan sovellettavuuden tällaisten pienikokoisten maanjäristysten aiheuttamien pyörimisliikkeiden arvioimiseksi.

Geofoniryhmät, joilla tallennettiin Espoo Otaniemen geotermisen energiakaivon vuoden 2018 stimulaation aiheuttaman seismisyyden translaatioliikkeitä (lue lisää https://doi.org/10.1785/0220190253)

Esimerkki näytetaulukosta johdettujen pyörimisliikkeiden aikasarjoista, jotka on johdettu translaatioliiketietueista (lue lisää https://doi.org/10.1029/2020GL090403)

Amir Sadeghi-Bagherabadi, yliopistotutkija

Seismisten havaintoasemien paluu Helsinkiin

Helsingin kaupungin syntymäpäivän kunniaksi vietetään jälleen Helsinki-päivää 12.6.2024. Laitteilla tehtävä seismologinen havaintotoiminta Helsingin kaupungissa käynnistyi jo vuosisata aiemmin, kun Saksan Göttingenistä tilatut ja Suomen tiedeseuralta saadut Mainka-seismografit aloittivat toimintansa Helsingin yliopiston Fysiikan laitoksen tiloissa Siltavuorenpenkereellä. 

Seismologisessa havaintotoiminnassa suuntaus oli pitkään kaupungeista kohti häiriöttömämpiä ympäristöjä. Luonnollisen seismisyyden havaitseminen onkin yleensä helpompaa vaikkapa Nurmijärven Röykässä, jossa seisminen havaintotoiminta alkoi vuonna 1958 ja jatkuu edelleen. Helsingissä se puolestaan loppui. Nykyisessä kaupunkiympäristössä on kuitenkin kasvavissa määrin ihmistoiminnan aiheuttamia seismisiä lähteitä, joita kohtaan sekä kaupungilla että Seismologian instituutilla on alkanut ilmetä kiinnostusta. Niinpä kaupunki lähestyi instituuttia alkuvuonna 2019 pyrkimyksenään saada alueelleen jälleen seismisiä mittausasemia. Sopimus kolmen seismisen aseman ja erityisen HelsinkiNet-havaintoverkon perustamisesta syntyi saman vuoden elokuussa. 

Seismisten mittalaitteiden ostamisen jälkeen Seismologian instituutti aloitti sopivien asemapaikkojen etsinnän heti syksyllä 2019. Suotuisan havaintogeometrian ja seismisen kohinatason mataluuden perusteella asemapaikoiksi valikoituivat Lauttasaaren länsirannikko, Kuninkaantammi ja Kallahdenniemi. Havaintoasemat on varustettu kanadalaisen Nanometricsin Centaur-digitoijilla ja Trillium Compact -antureilla. Mahdollisimman häiriöttömän toiminnan kannalta tärkeää on paitsi anturin suora yhteys peruskallioon, myös reitittimen avulla saatu jatkuva tietoliikenneyhteys Seismologian instituuttiin. Asemat täytyi myös kyetä sijoittamaan säänvaihteluilta ja ilkivallalta suojattuihin paikkoihin joko olemassaoleviin rakennuksiin tai tarkoitusta varten rakennettaviin laitesuojiin. 

HelsinkiNetin kolme asemaa KUNI, LAUT ja VUOS aloittivat toimintansa vuoden 2020 alkupuoliskolla. Samaan aikaan Länsi-Helsingissä ja Espoossa edelleen jatkoi väliaikainen seisminen tutkimusverkko, joka oli perustettu erityisesti St1 Oy:n Espoon syväreikähankkeen valvontaan. Kyseisen verkon asemista Seurasaaren asema HEL1 siirtyi vuoden 2024 alussa osaksi HelsinkiNetiä. Lisäksi toukokuussa 2021 HelsinkiNet kasvoi Helen Oy:n Ruskeasuon lämpövoimalaprojektin valvontaan tarkoitetulla asemalla RSUO. Verkkoon kuuluu nyt viisi havaintoasemaa, joiden aineistoa käsitellään instituutin päivittäisanalyysissa. Ne kaikki toimivat myös osana instituutin valtakunnallista havaintoverkkoa. 

Talvipuutarhassa tehdyt testimittaukset eivät lopulta johtaneet havaintoaseman perustamiseen alueelle.

Talvipuutarhassa tehdyt testimittaukset eivät lopulta johtaneet havaintoaseman perustamiseen alueelle.

HelsinkiNetin asemien havainnoista suurin osa on ollut louhosten ja rakennustyömaiden räjäytyksiä. Verkon jokaisena toimintavuonna mukana on myös ollut luonnollisia tai ihmistoiminnan aiheuttamia maanjäristyksiä. Geotermisen lämmöntuotannon kasvava käyttö matalien ja keskisyvien lämpökaivojen avulla liittyy Helsingin kaupungin asettamaan vuoden 2035 hiilineutraaliustavoitteeseen ja korostaa lämmöntuotantoon liittyvän seismisen riskin myötä havaintoverkon merkitystä. Toisinaan verkon asemien datasta on löytynyt kaukaisiakin tapauksia, kuten Taiwanin maanjäristys 3.4.2024. 

Seismologian instituutin ja Helsingin kaupungin sopimuksen nojalla instituutti julkaisee HelsinkiNetin toiminnasta ja havainnoista vuosittain julkisen raportin. Raportti on pääosin suomenkielinen. Kaikki raportit ovat luettavissa Helda-julkaisuarkistossa ja niistä viimeisimpään pääset täältä. 

Toni Veikkolainen, seismologi