Aallonpituudet rannalla
Viime kirjoituksessamme kävimme hieman lävitse sitä, mitä on sähkömagneettinen säteily (linkki). Sähkömagneetista säteilyä voidaan yksinkertaistaen kuvata aaltoliikkeenä, samankaltaisena kuin aallot, jotka iskeytyvät järven tai meren rantaan. Todellisuudessa sähkömagneettisella säteilyllä on tietyissä tilanteissa ominaisuuksia, joita ei voi kuvata aaltoliikkeenä, mutta jätämme sen nyt toistaiseksi käsittelemättä.
Jos lasket kätesi veteen järven tai meren rannassa, tunnet aaltojen liikkeen kättäsi vasten. Tämä on itseasiassa aaltojen liike-energiaa. Se, kuinka voimakkaalta tuo tuntuu, riippuu aina aallon korkeudesta ja nopeudesta. Näet myös kuinka aallot iskevät rantaan ja heijastuvat heikompina takaisin ulapalle. Kuvittele, että aivan rannan tuntumassa on pala kelluvaa puuta. Rannasta heijastuvat aallot näkyvät sen kellunnassa, aivan kuten ongen kohossakin.
Itseasiassa, jos piirtäisit paperille kelluvan puun radan uuden aallon tullessa, tästä kuviosta tulisi hyvin mielenkiintoinen. Jos sinulla on lähettyvillä kynä tai paperia, voit tehdä sen niillä. Vaihtoehtoisesti voit käyttää mitä tahansa yksinkertaista piirto-ohjelmaa tietokoneella, myös pelkkä mielikuvitus on riittävä tapa tähän.
Aloitamme piirtämisen paperin aivan paperin äärimmäisestä vasemmasta laidasta, korkeussuunnassa paperin keskeltä. Päätämme, että korkeussuunnassa paperin keskiosa tarkoittaa veden tasoa silloin, kun veden pinta on peilityyni. Voit piirtää tämän tason vetämällä viivan vasemmasta laidasta oikeaan, aivan paperin keskeltä. Ensimmäinen merkki tulee tälle tasolle. Kelluva puu ei liiku tällä hetkellä, veden pinta on tyyni. Piirrämme ensimmäisen merkkimme paperin äärimmäisen vasempaan laitaan, tasan keskelle. Tuleva aalto alkaa nostaa veden pintaa, kelluva puu kohoaa sen mukana, ja pieni hetki aikaa on kulunut. Koska aikaa on kulunut, piirrämme toisen merkin ensimmäisen merkin oikealle puolelle. Koska kelluva puu on noussut hieman, myös toinen merkkimme on hieman korkeammalla paperilla kuin ensimmäinen. Seuraavat pisteet merkkaamme saamaan tapaan. Aalto on vielä nousemassa, joten merkkimme paperilla nousevat myös. Uusi merkki tulee aina edellisen oikealle puolelle, vakioetäisyyden päähän, koska aina saman verran aikaa on kulunut tarkastelujemme välissä.
Kuva 1. Klikkaa suuremmaksi.
Kun aallon, samalla myös puupalamme nousu loppuu, saavutamme aallon korkeimman kohdan. Jos tässä kohdassa yhdistäisit piirtämäsi merkit viivalla, kuva olisi jotain tämän kaltaista kuten kuvassa 1. Etäisyyttä piirtämästäsi viivasta, joka merkkaa veden pinnan tasoa pelityynellä, aallon korkeimpaan kohtaan kutsutaan amplitudiksi. Jos nyt jatkat merkkien piirtämistä, aallon ja puun palasen laskiessa, merkit hiljakseen laskevat tyynen pinnan tasolle. Laskeminen ei pysähdy tähän, vaan jatkuu ja jatkuu hiljakseen. Lopulta aalto ja piirtämäsi merkit saavuttavat aallon alimmaisen pisteen, aalto on melkein jo ohitse. Aalto, puu ja piirtämäsi merkit lähtevät kuitenkin nousemaan. Kun ne tavoittavat taas piirtämäsi keskiviivan, aalto on ohitse.
Kuva 2. Klikkaa suuremmaksi.
Miten voisimme luonnehtia näitä aaltoja tarkasti? Jos sinä ja ystäväsi kummatkin itsekseen näette voimakkaita aaltoja, kuinka kuvailisitte niitä toisillenne? Amplitudin jo tiedät ja aallonpituus voisi olla toinen keino. Aallonpituus määritellään pituudeksi aallon alusta aallon loppuun. Aallonpituus on merkattu tähän kuvaan 2, jonka on hyvin samankaltainen kuin valmiiksi piirtämästäsi kuvasta olisi tullut. Aaltojen nopeus vedessä voi vaihdella, mutta kun puhumme sähkömagneettisista aalloista, niiden nopeus on vakio. Ne liikkuvat valonnopeudella. Pidemmät ja lyhyemmät aallonpituudet piirrettynä samaan kuvaan näyttävät tältä, kuten kuvassa 3.
Kuva 3. Klikkaa Suuremmaksi.
Toinen kiinnostava ominaisuus aalloissa on niiden taajuus. Taajudella tarkoitetaan sitä, että kuinka monta aaltoa tietyssä ajassa tulee esimerkiksi rantaan. Jotta voisimme vertailla taajuushavaintojakin, sitä varten on sovittu yhteisestä standardista, Hertsistä. Hertsi kertoo meille kuinka monta aaltoa tapahtuu yhdessä sekunnissa – yksi hertsi tarkoittaa yhtä aaltoa sekunnissa.
Jos puhumme näkymättömästä aallosta, sähkömagneettisesta aallosta, jonka aallonpituus on yksi metri, voimmeko laskea sen taajuuden? Tarvitsemme sen nopeuden, mutta tiedämme jo että se on valonnopeus, pyöristettynä noin 300 000 000 m/s (300 000 km/s). Jotta tiedämme kuinka monta aaltoa yhden metrin aallonpituudella menee tietyn pisteen lävitse, jaamme 300 000 000 tuolla yhdellä metrillä. Tulos on 300 000 000 Hz, eli 300 MHz. 300 miljoonaa aaltoa sekunnissa, sähkömagneettisen säteilyn aallot ovat todella nopeita!
Sähkömagneettinen säteily on ainut keino tarkkailla avaruudesta mitä maapallolla tapahtuu. Samalla lailla, kuten kelluva puun palanen nousee ja laskee rannalta heijastuvien aaltojen tahdissa, avaruudessa satelliiteissa sijaitsevat sensorit tallentavat näiden sähkömagneettisten aaltojen heijastumia eri aallonpituuksilla.
Kuva 4. Klikkaa suuremmaksi.
Tällä viikolla pääkuvana oli Sentinel-2 satelliitin MSI-sensorin tallentamaa dataa Vaasan yläpuolelta (kuva 4). MSI-sensori tallentaa sähkömagneettista säteilyä 13 aallonpituudella. Jokaisen aallonpituuden osalta se tallentaa kuinka paljon säteilyä heijastui takaisin tarkkailtavalta alueelta. Aallonpituudet joita se tarkkailee, ovat varsin lyhyitä ja niihin on helpointa viitata nanometreillä. 1 nanometri (nm) on varsin lyhyt matka, vain 0, 000 000 001 metriä, mistä johtuen taajuudet ovat korkeita. Yhteen nanometriin liittyvä taajuus on 1 PHz. Sähkömagneettinen säteilyä ihmisen silmälle osuvalta alueelta sanomme vain valoksi, ja sen aallonpituus on välillä 380 nm – 750 nm. Tässä kuvassa 5 MSI-sensorin tallentamat aallonpituudet ja ne, mitä käytimme tuon väärävärikuvan luomiseen on esitetty suhteessa sähkömagneetisen säteilyn spektriin. Viimeksi esitimme tarkemmin mitä väärävärikuva tarkoittaa ja miten se luodaan, jos haluat virkistää muistiasi (linkki).
Kuva 5. Klikkaa suuremmaksi.
Miksi MSI-sensori tallentaa tietoa niin monella eri aallonpituudella? Eri asiat ja esineet heijastavat ja absorboivat sähkömagneettista säteilyä eri lailla, ja matkalla sensoriin eri aallonpituudet voivat reagoida eri tavalla. Nämä eroavaisuudet voivat olla niin tarkkoja ja suuria, että niiden avulla on mahdollista laatia eri kohteille profiileja sen mukaan, kuinka paljon ne heijastavat valoa takaisin eri aallonpituuksilla. Tätä profiilia voi käyttää muissa kuvissa tunnistamaan näitä esineita tai asioita, mutta palaamme tähän tarkemmin myöhemmin. Alla olevassa kuvassa näet tarkemmin näitä heijastuseroja eri aallonpituuksilla. Kuten kuvasta huomaat, sama alue katsottuna eri aallonpituuksilla, todellakin kertoo aivan erilaisia tarinoita!
Kuva 5. Klikkaa kuvaa isommaksi.