Rikinkatkuinen henkäys ja harjanteiden synty Iossa
Ampumaleiri Lohtajalla. Tapani Kansan komeasti tulkitsema Kalajoen hiekat. Haukiputaan Virpiniemen hyppyrimäet. Frank Herbert, David Lynch ja Denis Villeneuve. Mitä näillä kaikilla on yhteistä?
Vastaus kysymykseen on tietenkin dyynit. Ne ovat tuulen rakeisesta aineksesta kasaamia kumpuja tai harjanteita. Joidenkin määritelmien mukaan tosin mikä tahansa virtaava aine, kuten vaikkapa vesi, voi kasata dyynejä. Dyyneille ominaista on, että niillä on jyrkkä suojasivu (siis myötätuulen puolella oleva sivu) ja loivapiirteisempi vastasivu. Ne syntyvät saltaatioksi kutsutussa prosessissa, jossa partikkelit kohoavat ilmaan, lentävät tuulen mukana lyhyen matkan, putoavat alas ja odottelevat seuraavaa lyhyttä hypähdystään.
Dyyniaines on raekooltaan yleensä hiekkaa, eli jyvästen läpimitta on suunnilleen sadasta mikrometristä pariin milliin. Sen ei kuitenkaan tarvitse olla koostumukseltaan tavallista silikaattisesta kiviaineksesta peräisin olevaa hiekkaa eli lähinnä kvartsia, kuten yleensä ajatellaan, vaan muukin koostumus käy. Esimerkiksi Yhdysvaltain New Mexicon osavaltiossa sijaitsevassa White Sandsin kansallispuistossa kyseessä on kipsi. Käytännössä kaikki suomalaisetkin ovat kohdanneet dyynejä, vaikkeivat olisi koskaan käyneet esimerkiksi Porin Yyterissä, Lohtajalla, Kalajoella, Virpiniemessä tai Enontekiön Hietatievoilla. Tuulen kasaamat lumikinokset ovat nimittäin syntytavaltaan dyynejä, vaikkei niitä sellaisiksi yleensä mielletäkään.
Dyynit ovat tuttuja myös monille planeettatutkijoille. Aurinkokunnassa niitä esiintyy yllättävältäkin tuntuvissa paikoissa, ja niitä on ihasteltu ja ihmetelty jo puoli vuosisataa.
Mars
Maapallon jälkeen tunnetuimmat aurinkokunnan dyynit sijaitsevat Marsissa. Sen pohjoista napajäätikköä kiertävä valtaisa dyynimeri havaittiin jo 50 vuotta sitten Mariner 9 -luotaimen kuvista. Myös eteläisellä napa-alueella on suuri, vaikkakin pohjoista pienempi dyynikenttä. Dyynejä kuitenkin esiintyy kaikkialla Marsissa, tyypillisimmin törmäyskraatterien pohjilla. Maapallon dyyneihin tottuneille ne ovat silmiinpistävän tummia, sillä Marsista puuttuu meikäläisten dyynien tyypillisin rakennusaine, kvartsi, lähes kokonaan. Ne koostuvatkin pääasiassa basalttisesta hiekasta, mutta mukana on jonkin verran myös sulfaatteja kuten kipsiä. Muutoin Marsin dyynit ovat mittasuhteiltaan ja olemukseltaan hyvin paljolti Maan dyynien kaltaisia.
Venus
Sisarplaneettamme tunnetaan tulivuoristaan ja valloilleen päässeestä kasvihuoneilmiöstä, mutta siellä on myös dyynejä. Niitä tosin ei ole kovin runsaasti: laajempia dyynikenttiä on löydetty ainoastaan parilta alueelta. Näiden lisäksi muutamalta seudulta on paikannettu mikrodyynejä tai kareita, joiden olemassaolo on tosin vain päätelty tutkaheijasteen ominaisuuksista, sillä ne ovat liian pieniä, jotta niiden muodot voitaisiin nähdä Magellan-luotaimen tutkan erotuskyvyllä. Venuksen dyynien havaittu vähäisyys on hieman kummallista. Osittain siihen saattaa vaikuttaa tutkan kuvausgeometria, mutta enimmäkseen syyt lienevät aivan todellisia ja liittynevät vähäiseen hiekan määrään ja hiljaiseen tuulennopeuteen (n. 1–2 m/s) Venuksen pinnalla.
Titan
Aurinkokunnan toiseksi suurin kuu, Saturnuksen Titan, on paksun kaasukehän peitossa. Siksi sen pintaa on Venuksen tavoin pystytty parhaiten kuvaamaan tutkan avulla. Cassini-luotaimen tutka paljasti päiväntasaajan molemmin puolin 30:nnelle leveyspiirille asti ulottuvat vyöhykkeet, jotka ovat valtavien, jopa 1–2 km leveiden, satoja kilometrejä pitkien ja satakunta metriä korkeiden dyynien peitossa. Dyynit kattavat 17 % Titanin pinnasta eli noin 14 miljoonaa neliökilometriä, toisin sanoen puolitoista kertaa Saharan kokoisen alueen.1 Dyynit koostuvat kaasukehästä tiivistyneistä hiilivedyistä, jotka ovat muodostaneet noin millin läpimittaisia jyväsiä. Ne ovat sitten aikojen saatossa kasautuneet Titanin hiljaisessa, vain noin metrin sekunnissa puhaltavassa tuulessa mahtaviksi tuulen suuntaisesti asettuneiksi pitkittäisdyynikentiksi.
Pluto
New Horizons -luotaimen ohilennollaan kesällä 2015 ottamat kuvat Plutosta sisälsivät toinen toistaan hämmästyttävämpiä piirteitä. Yksi yllätyksistä oli dyynien ja muiden tuulen toiminnan merkkien esiintyminen. Dyynejä löydettiin lähinnä Sputnik Planitian länsiluoteisen reunan tuntumasta Al-Idrisi Montesin juurelta. Dyynien harjanteet seuraavat toisiaan noin 0,4–1 km:n välein ja peittävät vähintään 75 km:n läpimittaisen alueen. Ne koostuvat parin–kolmensadan mikrometrin läpimittaisista metaanijään kappaleista, joita Al-Idrisi -vuoristosta alaspäin valuvat, korkeintaan 10 m/s puhaltavat tuulet kuljettavat. Tuulet jaksavat siirtää Pluton metaanipartikkeleja, mutta niiden pinnalta nousemiseen tarvittaneen lisäpotkua. Sitä tarjonnee iltapäivän auringonpaisteessa kylpevän tasangon typpi- ja metaanijään sublimoituminen eli muuttuminen suoraan kaasumaiseksi. Kaasupurkaukset siis nostavat jääpartikkelit ylös ja painovoiman ajamat tuulet liikuttavat niitä eteenpäin, synnyttäen lopulta tuulensuuntaan nähden poikittaisten dyynien kentän.
Komeetta 67P/Churyumov–Gerasimenko
Euroopan avaruusjärjestön Rosetta-luotain tarjosi ensimmäiset todella yksityiskohtaiset näkymät komeetan pinnasta, kun se kiersi 67P/Churyumov–Gerasimenkoa vuosina 2014–2016. Jälleen kerran luontoäiti pääsi yllättämään tutkijat, sillä jo pelkästään 67P:n geologia osoittautui monimuotoisemmaksi kuin oltiin oletettu. 67P:n pinnalla esiintyy myös dyynimäisiä harjanteita, joiden muoto muuttui merkittävästi niiden kahden vuoden aikana, jolloin Rosetta 67P:tä kiersi. Dyynit esiintyvät noin 7–18 metrin välein ja ovat parhaimmillaan parisen metriä korkeita. Samoin kuin Pluton tapauksessa, dyynejä muodostavat partikkelit kohoavat komeetan pinnasta Auringon lämmön saadessa jään sublimoitumaan. Partikkeleja vaakasuunnassa siirtävien tuulten syntytapa on kuitenkin toinen: tuuli puhaltaa 67P:n yö- ja päiväpuolten suurten lämpötilaerojen aiheuttaman paine-eron vuoksi.
Dyynejä Iossa?
Io on Jupiterin suurista kuista sisin. Se on vulkaanisesti aktiivisin kappale koko aurinkokunnassa. Jatkuvien, jo vuonna 1979 Voyager 1 -luotaimen ohilennolla havaittujen tulivuorenpurkausten vuoksi Ion pinta uudistuu jatkuvasti. Siksi se on ainoa tuntemamme tarkasti kuvattu kiinteäpintainen kappale, josta ei ole löydetty ainuttakaan törmäyskraatteria.
Ion vulkanismi johtuu sitä vatkaavista vuorovesivoimista. Io on lähes saman kokoinen kuin Kuu ja kiertää Jupiteria suunnilleen samalla etäisyydellä kuin Kuu Maata. Jupiter on kuitenkin 318 kertaa niin massiivinen kuin Maa ja Io kiertää Jupiterin vain reilussa 42 tunnissa, joten Jupiterin Ioon kohdistama vuorovesivoimien höykytyskin on ihan toista luokkaa. Lisäksi Ion kiertoaika on resonanssissa lähimpien muiden suurten kuiden eli Europan ja Ganymedeen kiertoaikojen kanssa, mikä tekee Ion radasta hieman elliptisen. Tämä entisestään vahvistaa vuorovesivoimien vaikutuksia. Niinpä Ion kallioperä liikkuu pystysuunnassa noin 100 m. Vertailun vuoksi: niin Maassa kuin Kuussakin vastaava vuorovesivoimien aiheuttama kallioperän liike on vain puolisen metriä. Tästä jatkuvasta muodonmuutoksesta syntyvä kitkalämpö on pohjimmiltaan syynä Ion ylettömälle tuliperäiselle aktiivisuudelle.
Näin valtaisat vuorovesivoimat voivat myös synnyttää tektonisia rakenteita Ion kallioperään. Galileo-luotaimen tarkimmissa kuvissa nähtiinkin pisimmillään muutaman kilometrin mittaisia ja noin 0,1–1 km:n välein esiintyviä harjanteita, joiden korkeus on ehkä joidenkin kymmenien metrien luokkaa. Kymmenien kilometrien läpimittaisten harjannekenttien yksittäisillä harjanteilla on aina yhdenmukainen suuntaus. Harjanteet olivat myös jopa Ion mittakaavassa erittäin nuoria, sillä mikään muu kerrostuma ei näyttänyt peittävän niitä.
Harjanteissa havaitut suuntaukset osoittautuivat enimmäkseen samoiksi, joita vuorovesivoimien synnyttämien harjanteiden teorian mukaan pitäisikin noudattaa. Esimerkiksi päiväntasaajan lähistöllä olevat harjanteet ovat joko itä–länsi- tai pohjois–etelä-suuntaisia. Tätä on pidetty osoituksena harjanteiden tektonisesta ja siis vuorovesivoimiin kytkeytyvästä alkuperästä. Mikään ei kuitenkaan selitä, miksi jokin tietty päiväntasaajan seudun harjannekenttä on juuri itä–länsi-suuntainen eikä pohjois–eteläinen (tai toisinpäin), sillä sen kallioperässä vaikuttavat molemmat jännityssuunnat. Mallissa on siis runsaasti aukkoja, mutta parempaakaan ei ole keksitty.
Harjanteiden nähtiin kuitenkin jo varhain olevan melkoisesti dyynien kaltaisia. Tektoninen synty vaikutti silti todennäköisemmältä, sillä Ion mitättömän kaasukehän paine on maksimissaankin vain miljardisosa Maan ilmanpaineesta, eli yksi nanobaari. Vaikka Ion yö- ja päiväpuolen lämpötilaeroista johtuvat tuulet puhaltavatkin jopa 300 m/s, lähes olemattomasta paineesta johtuen saltaation ei uskottu voivan olla mahdollista, sillä pinnasta ei tuollaisella nopealla mutta ponnettomalla tuulella mitenkään saatu nousemaan hiekanjyväsiä ylös.
Huhtikuussa Nature Communications -verkkolehdessä julkaistu George D. McDonaldin johdolla tehty tutkimus Aeolian sediment transport on Io from lava–frost interactions esittelee uuden mallin, jolla saltaatio ja sen myötä dyynit voisivat olla Iossa sittenkin mahdollisia. McDonald kollegoineen havaitsi, että Ion harjanteet tuppaavat olemaan lähellä tulivuoria.2 Oleellista mallille lisäksi on, että Ion pinnasta suurin osa on rikkidioksidin peitossa. Kerros ei liene kovin paksu, ehkä pari–kolmekymmentä senttiä tai puolisen metriä.
Kun tulivuoresta valuva kuuma laavavirta kohtaa tällaisen rikkidioksidikuoren, alkaa rikkidioksidi höyrystyä nopeasti. Tästä seuraa kaasupurkauksia, jotka riittävät nostamaan rikkidioksidijyväset ylös. Kun kaasukehä on paikallisesti itse tulivuorenpurkauksen ja tällaisten laavan ja rikkidioksidikerroksen vuorovaikutuksessa purkautuvien kaasuejn ansiosta myös hieman tavallista tiheämpi, riittää McDonaldin ryhmän laskujen mukaan siinä vääntöä tarpeeksi, jotta rikkidioksidihiekka saadaan etenemään pomppimalla. Näin heidän mukaansa saataisiin Ion pinnalle syntymään dyynejä.
McDonaldin ryhmä onnistui myös mittaamaan eräiden harjanteiden topografiaa. Niiden toisen sivun huomattiin olevan loivempi kuin toisen. Tämä sopii ajatukseen, että harjanteet olisivat poikittaisdyynejä. Lisäksi harjanteiden korkeuden ja leveyden suhde, samoin kuin muut mitattavissa olleet ominaispiirteet, vastasivat poikittaisdyynejä.
McDonaldin tutkimusryhmällä on siis kasassa aikaisempien epämääräisten havaintojen tueksi mittauksia, jotka sopivat poikittaisdyyneihin. Lisäksi heillä on ensimmäistä kertaa osoittaa uskottava mekanismi, jolla Ion pinnan hiekanjyvät saadaan kohoamaan riittävästi ylös, jotta vallitsevat tuulet voivat alkaa kasata niitä dyyneiksi. Riittävän laadukasta kuva-aineistoa harjanteista on kuitenkin valitettavan vähän, joten täyttä varmuutta harjanteiden synnystä ei vielä ole. McDonaldin ja kollegoiden havainnot ja syntymalli vaikuttavat kuitenkin erittäin lupaavilta.
Joka tapauksessa tämä on tarpeellinen muistutus siitä, että dyynejä voi ainakin periaatteessa syntyä myös erittäin ohuessa ja kenties vain silloin tällöin hieman tihenevässä kaasukehässä. Varsin todennäköistä onkin, että kunhan aurinkokunnan kappaleiden kartoitus etenee, löydämme dyynejä vielä muistakin yllättävistä paikoista.