Nykymaailman suurimpia ongelmia, kuten ilmastonmuutosta, ratkaistaessa ei ensimmäisenä mielessä ole matematiikka. Universaalina menetelmätieteenä se on kuitenkin maailman ymmärtämisen ytimessä. Matematiikka luo maailmalle ikään kuin rakenteellisen koneiston, joka mahdollistaa sen tarkastelemisen tieteen keinoin.
”Matematiikkaa voi ajatella eräänlaisena yleispätevänä vasarana, jolla voi iskeä ongelmaan kuin ongelmaan. Matematiikan eri lajeilla on oma roolinsa vasaran suunnittelussa ja käytössä. Siinä missä teoreettinen matematiikka kehittää ja parantelee vasaraa, sovellettu matematiikka heiluttaa sitä”, sanoo LUTin sovelletun matematiikan professori Tapio Helin.
Helinin mukaan sovelletussa matematiikassa konkretisoituu hyvin ajatus matematiikan universaaliudesta. Soveltava matemaatikko voi päätyä työskentelemään hyvin eri alojen ammattilaisten kanssa tehden itse kuitenkin koko ajan samaa asiaa, sillä alasta riippumatta matematiikka on aina lopulta matematiikkaa.
LUT-yliopistossa sovelletun matematiikan tiimi kuuluu laskennallisen tekniikan tutkimuksen ydinalueisiin. Tiimi on myös osa Suomen akatemian rahoittamaa Inversiomallinnuksen ja kuvantamisen huippuyksikköä ja uutta Matemaattisen mallinnuksen, havainnoinnin ja kuvantamisen lippulaivaa.
Seuraavana esittelemme neljä tapaa, miten LUTin sovelletun matematiikan tutkimus osallistuu maailmamme ymmärtämiseen ja edelleen sen muuttamiseen.
Matematiikka ydinturvallisuuden ytimessä
Energiantuotanto aiheuttaa suurimman osan EU:n ja koko maailman kasvihuonekaasupäästöistä, minkä takia päästöttömälle ja vähäpäästöiselle energiantuotannolle on valtava tarve. Tämä on vahvistanut ydinvoiman roolia.
Ydinvoimalla energiaa voi tuottaa lähes täysin ilman päästöjä. Säteilyn takia sillä on kuitenkin muita haitallisia vaikutuksia ympäristölle ja ihmiselle. Käytetty ydinpolttoaine kuuluu vaarallisimpiin ihmisen tuottamiin jätteisiin. Se luokitellaan korkea-aktiiviseksi ydinjätteeksi, eikä sille ole olemassa vielä turvallista loppusijoituspaikkaa. Sellainen on kuitenkin rakenteilla Suomen Loviisaan.
Ennen kuin käytetty ydinpolttoaine sinetöidään sen loppusijoituspaikkaan, on tärkeää tietää täsmälleen, miten paljon sinne laitettava jäte säteilee, jotta sen oikea määrä osataan arvioida.
”Käytetty ydinpolttoaine muistuttaa kasaa metallitankoja, jotka on niputettu yhteen ja säilötty veteen. Niiden radioaktiivinen säteily on voimakasta, ja sen aktiivisuus tulisi tuntea tarkasti ennen loppusijoitusta. Me pyrimme kehittämään mittaustekniikan ja algoritmin, jolla aktiivisuus voidaan mitata etäältä koko nipun säteilyä mittaamalla”, Tapio Helin kertoo.
Käytetyn ydinpolttoaineen mittaaminen on tärkeää paitsi ydinturvallisuuden myös kansainvälisen turvallisuuden ja geopolitiikan takia. Sitä liikuttaa maasta toiseen Kansainvälinen atomienergiajärjestö IAEA. Joissain tilanteissa IAEA:n tulee luotettavasti varmistaa, että kuljetuksessa on sovittu polttoainenippu. Tästä voidaan varmistua vain mittaamalla lastin säteily.
”Mittaustuloksen on oltava ehdottoman luotettava, jotta virheellisiä syytöksiä ei tehdä. Tämä asettaa algoritmissa käytettävälle matematiikalle paljon haasteita ja vastuuta”, Helin toteaa.
Tilaa Curious People -uutiskirje
Katse ensimmäisten planeettojen syntyyn
Chilen Atacaman aavikolle rakennetaan parhaillaan maailman suurinta optista teleskooppia ELT:tä (Extremely Large Telescope). Tapio Helinin tutkimusryhmä on osallistunut Euroopan Eteläisen Observatorion, ESO:n, johtamaan työhön, jossa kehitetään teleskoopin adaptiivista optiikkaa ja siihen liittyviä algoritmeja.
Adaptiivisen optiikan avulla korjataan ilmakehän vaikutusta teleskoopin tuottamaan kuvaan. Ilmakehän turbulenssi aiheuttaa sen, että avaruudesta maahan tuleva valo ikään kuin rypistyy, mikä sumentaa teleskoopin välittämän kuvan.
Tarkoitus on laskea ilmakehän vaikutus kuvaan, käsitellä data ja korjata teleskooppien peilien asentoa.
”Me olemme mukana kehittämässä algoritmia, jonka tarkoitus on jokaisen millisekunnin sisällä laskea ilmakehän vaikutus kuvaan, käsitellä tästä saatava data ja sen perusteella korjaa teleskooppien peilien asennon. Käsiteltävän datan määrä on valtava, ja vielä reilut kymmenen vuotta sitten projektissa epäiltiin, löytyykö maailmasta tarpeeksi tehokasta prosessoria laskutoimituksen suorittamiseen. Algoritmien ja teknologian kehityksen myötä tämä ongelma on todettu onneksi turhaksi”, Helin kertoo.
ELT:n arvioidaan valmistuvan vuodeksi 2028. Sen päätarkoitus on etsiä avaruudesta eksoplaneettoja eli planeettoja, jotka sijaitsevat aurinkokuntamme ulkopuolella, ja tarkastella maailmankaikkeutemme menneisyyttä aina ensimmäisien planeettojen synnystä lähtien. ELT:n siis toivotaan kertovan, mitä on tapahtunut, kun universumimme on syntynyt.
Ilman matematiikkaa tämä olisi mahdotonta.
Entistä tarkempia sääennusteita
Syöksytulvia Keski-Euroopassa ja äärimmäistä kuumuutta Välimeren rannikolla. Ilmastonmuutoksen myötä erilaiset äärimmäiset sääilmiöt yleistyvät entisestään, mikä asettaa vaatimuksia sääennusteiden tarkkuudelle. Mitä paremmin säätä pystytään ennustamaan, sitä paremmin siihen voidaan varautua.
LUTin sovelletun matematiikan professori Lassi Roininen työskentelee useammassakin projektissa, joissa keskitytään sääennusteiden tarkkuuden parantamiseen. Esimerkiksi Saksan sääpalvelun kanssa yhteistyössä toteutettavassa projektissa Roininen on mukana laskemassa sääsatelliittien kuvantamisen virhemarginaaleja ja niiden vaikutusta sääennusteisiin.
”Satelliittien lisäksi dataa tulee useista eri lähteistä, kuten maan päällä olevista sensoreista, radiosondeista ja laivoista. Me haluamme mallintaa, millaisen virheen tämä data voi sisältää”, Roininen kertoo.
Matematiikan avulla myös testataan ja todennetaan alun perin sääennustamiseen kehitettyjen algoritmien ja laskentamenetelmien toimivuutta.
”Tässä ollaan aivan sääennustamisen ytimessä. Kehittämiemme menetelmien pitää olla sellaisia, jotka soveltuvat käytännön sääennustamiseen. Niiden pitää siis olla matemaattisesti valideja ja tarpeeksi kevyitä ja nopeita käyttää.”
Ilmastonmuutos yläilmakehässä
Hallitustenvälisen ilmastonmuutospaneelin IPCC:n ilmastoraporteissa ilmastonmuutoksen vaikutukset yläilmakehään on perinteisesti merkattu erittäin epävarmoiksi. Tämä ei johdu siitä, että tiedettäisiin, ettei vaikutuksia ole, vaan siitä, että vaikutuksista ei tiedetä vielä tarpeeksi. Ylipäätään tutkijat eivät tunne yläilmakehän toimintaa vielä täysin.
Lassi Roininen on osallistunut yläilmakehän eli ionosfäärin tutkimiseen topografia- ja tutkamittauksilla kansainvälisessä Eiscat-projektissa. Projektissa tarkastellaan esimerkiksi yläilmakehän kemiallisia reaktioita ja lasketaan ilmakehän eri kerrosten vaikutusta toisiinsa ja ilmastonmuutoksen voimakkuuteen.
”Joku voisi ehkä sanoa, että eihän vaikutuksilla ole väliä, jos ne ovat kovin epävarmoja. Mutta niitä on tärkeä tutkia juuri epävarmuuden takia. Emme halua joutua tilanteeseen, jossa toteamme vaikutukset merkityksellisiksi vasta, kun on liian myöhäistä”, Lassi Roininen toteaa.
Lisätietoja:
Tapio Helin
