Von Kármánin perusgeologiaa

Tätä kirjoitellessani Kiinan miehittämätön kuuluotain Chang'E-4 (CE-4) lienee jo laskeutunut Kuun etäpuolelle. Toivottavasti laskeutuminen sujuu suunnitelmien mukaan. Tietenkin ruotsalaiset ovat taas tälläkin kuureissulla mukana. Toivoa sopii, että heidänkin mittalaitteensa toimii.

Tietoa laskeutumisesta lienee odotettavissa joskus aamusella. Suomen mediassa ei ole hirveästi näkynyt geologista tietoa CE-4:n laskeutumisalueesta, joten ajattelin tässä joutessani edes perusasiat pistää esille.

Suunniteltu laskeutumisalue (likimain 45°–46° S, 176,4°–178,8° E) sijaitsee aurinkokunnan suurimman ja vanhimman tunnetun törmäysaltaan, eli South Pole - Aitkenin (SPA) altaan sisällä olevassa von Kármánin kraatterissa. SPA:n synty on Kuun kehityksen yksi keskeisimmistä vaiheista. Sen on väkisinkin täytynyt nostaa pintaan kivilajeja Kuun (ylä)vaipasta. Kuun ylävaipan on perinteisesti oletettu Maan mallin mukaisesti olevan lähinnä oliviinia. Koska sitä ei kuitenkaan suurissa määrin SPA:n heitteleen joukossa näy, voi perinteinen käsityksemme maankaltaisten planeettojen vaippojen koostumuksista kaivata tältä osin uudistamista. Jo pelkästään tästä näkökulmasta kaikki uudet tiedot, mitä SPA:sta voidaan saada, ovat äärimmäisen tärkeitä yritettäessä ymmärtää planeettojen syntyä ja geologista kehitystä. Koska CE-4 tutkii SPA:iä paikan päällä, on toiveita siitä, että edes joiltain osin SPA:n historiaan saadaan lisäselvyttä.

Unkarilais-amerikkalaiselta fyysikolta ja aerodynamiikan uranuurtajalta, nykyisin etenkin avaruuden rajana pidettävästä Kármánin rajasta tunnetulta Theodore von Kármánilta (1881–1963)  nimensä saaneen von Kármánin läpimitta on noin 186 km. Iältään se kuuluu Kuun vanhimpaan eli esinektariseen kauteen. Sen keskuskohouman, joka kohoaa noin puolitoista kilometriä kraatterin pohjalta, on tulkittu koostuvan oliviininoriittigabrosta tai oliviinigabronoriitista. Karmeita kivilajinimiä kumpikin, mutta käytännössä ne tarkoittavat runsaasti rautaa ja magnesiumia sisältävää syväkiveä. Kaavailtu laskeutumisalue sijaitsee suunnilleen keskuskohouman ja reunan puolivälissä keskuskohouman etelä- ja kaakkoispuolilla.

Laskeutumisaluetta peittävät basaltit. Ne ovat luultavimmin peräisin yhdestä purkauksesta, joka tapahtui imbrisellä kaudella (kuten ylivoimainen valtaosa Kuun mare-vulkanismista). Jos basalteille arvioitu ikä 3,6 miljardia vuotta pitää paikkansa, ne olisivat nykytietämyksen valossa myöhäisimbrisiä. On myös mahdollista, että von Kármánin pohjaa peittävät laavat purkautuivat kahdessa vaiheessa. CE-4:n kaksitaajuuksinen maatutka (pitäisikö sitä kutsua kuututkaksi?) voi hyvinkin saada tämän selville, sillä Chang'E-3:n kokemusten perusteella tutkajärjestelmän syvyysulottuvuus lienee peräti 400 metrin tienoilla.

Pohjalla on lisäksi runsaasti sekundäärikraattereita lähinnä Finsenistä, von Kármán L:stä, Antoniadista ja virallisesti nimettömästä kraatterista, jota epävirallisesti on kutsuttu harvinaisen typerällä nimellä von Kármán L’. Nämä tekevät kraatterilaskuihin pohjautuvasta iänmäärityksestä vielä vaikeampaa ja epäluotettavampaa kuin yleensä, joten etenkin tuohon 3,6 miljardin vuoden ikään kannattaa suhtautua varauksella. Hyvä puoli on sitten tietenkin se, että koska von Kármánin pohjalla on melko runsaasti ympäristöstä tullutta heittelettä, siellä taatusti on mukana myös ainesta SPA:stä.

Laskeutumisalueella on myös vajaan neljän kilometrin läpimittainen hyvin nuori, epäilemättä kopernikaaninen kraatteri. Sille on käytetty epävirallista nimeä Ba Jie. Sen ympärillä on mutkittelevia epäsymmetrisiä kymmeniä metrejä leveitä harjanteita. Ne eivät siis ole tyypillisiä mare-harjanteita. Harjanteiden lisäksi kraatterin ympärillä on mutkittelevia painanteita. Tällaiset harjanteet ja painanteet ovat tuttuja jo Lunar Orbiter -kuvien pohjalta, mutta niiden syntyä ei täysin vielä ymmärretä. Heitteleen aikaansaannosta ne kuitenkin ovat. On esitetty, että ehkäpä CE-4 lisää ymmärrystämme myös näiden syntymekanismista. Itse pidän tuota kuitenkin epätodennäköisenä, sillä hyvin nuoren kraatterin heittelekenttä on sen verran haasteellinen alue laskeutujalle ja kulkijalle, että sieltä kannattaisi mieluummin pysyä poissa.

Käytetäänpä tällä kertaa ihan valmista kuvaa. Von Kármanin läpimitta on noin 186 km, keskuskohouman eteläpuolella sijaitsevan nimettömän (epäviralliselta nimeltään Ba Jie) kraatterin noin 3,8 km. Kuva: NASA / GSFC / Arizona State University / LRO WAC.

Tarkempia tietoja von Kármánin geologiasta halajavien kannattaa perehtyä esimerkiksi alueen alustavaan geologiseen karttaan, sekä etenkin kraatterista viime keväänä julkaistuun artikkeliin. Kuun geologiaa CE-4 tulee tuskin mullistamaan, mutta sikäli kun laskeutuminen ja myöhemmät vaiheet sujuvat mallikkaasti, opimme aivan varmasti uusia ja yllättäviä asioita Kuun historiasta. Ja ehkäpä saamme nähdä edes pienen vilauksen siitä, mitä SPA:n muodostuessa oikeastaan tapahtuikaan.

Miksi ukolla on naama? Ja onko sillä väliä?

Kuu-ukko lienee useimmille tuttu. Mutta miksi ukolla ylipäätään on naama? Lyhyt selitys tietenkin on, että naaman ovat synnyttäneet nuorilla mare-basalteilla täyttyneet vanhat törmäysaltaat. Mutta onhan Kuun etäpuolellakin törmäysaltaita, joten miksi ne eivät ole täyttyneet? Tälle on tarjottu monenlaisia selityksiä, kuten etäpuolen paksumpaa kuorta, heikompaa Maan vetovoiman vaikutusta, ja vähäisempää lämmöntuottoa. Hyvää, yleisesti hyväksyttyä teoriaa ei ole kuitenkaan saatu aikaiseksi, ja Kuun puoliskojen erilaisuuden selvittämisessä on ollut runsaasti ”Muna vai vesinokkaeläin?” -tyyppisiä ongelmia. Viime vuoden lopulla Sciencessa julkaistun ja Suomenkin uutiskynnyksen ylittäneen tutkimuksen ansiosta Kuu-ukon naamalle on nyt löydetty kohtalaisen uskottava uusvanha selitysmalli, vaikka lopullinen vastaus perimmäiseen kysymykseen Kuun pallonpuoliskojen erilaisuudesta onkin edelleen hämärän peitossa, tai 42.

Kuu-ukko Rovaniemen Korkalovaarassa 14.1.2014.
Canon Ixus 70 digipokkari ja kevyt Photoshoppaus.
Kuva: T. Öhman

Kraatteroitumisprosessissa törmäysenergian jälkeen merkittävin tekijä lopputuloksen kannalta on kohdemateriaali ja sen ominaisuudet. Pikkukaupunkilaisjärkikin sanoo, että paksuun, kovaan ja kylmään kiveen on paljon hankalampi tehdä iso monttu kuin ohueen, pehmeään ja lämpimään. Vastaus Kuu-ukon kasvonpiirteisiin piileekin siis Kuun lähi- ja etäpuolien erilaisissa kuoren ja ylävaipan ominaisuuksissa.

Pariisilaisvetoisen, tietokonemallinnuksiin ja GRAIL-luotaimen tuloksiin Kuun kuoren paksuudesta perustuvan Katarina Miljkovićin ja kumppaneiden tutkimuksen mukaan Kuun lähipuolen altaat ovat läpimitaltaan jopa kaksi kertaan niin suuria kuin vastaavan kokoisten törmäävien kappaleiden etäpuolelle synnyttämät altaat. Syynä tähän on eritoten lähipuolen suurempi lämmöntuotanto, ja osin myös lähipuolen ohuempi kuori. Lämpimään ja pehmeään lähipuolen kuoreen syntyvässä altaassa lämmin ylävaippa nousee altaan ns. muokkautumisvaiheessa huomattavasti laajemmalla alueella kuin etäpuolen kylmän ja kovan kuoren tapauksessa. Tämä estää ympäröivää kuorta romahtamasta takaisin kraatteriin, jolloin lopputuloksena on hyvin laaja-alainen kuoren ohentuma ja sen myötä suurempi törmäysallas. Ja vaikka Miljković ja kumppanit eivät Kuu-ukon naamaan suoraa kantaa ottaneetkaan, voidaan noista lähipuolen suurista ohuen kuoren alueista helposti johtaa se päätelmä, että tällaiset alueet täyttyvät myöhemmin helposti basalteilla, vallankin kun ne vielä sijaitsevat alueella, jolla vulkanismia on suuremmasta lämmöntuotosta johtuen enemmän.

Vasemmalla Kuun lähi- ja oikealla etäpuolen kuoren paksuus. Mustat ympyröt kuvaavat läpimitaltaan yli 200 km:n suuruisia ohuen kuoren alueita, jotka tulkittiin törmäysaltaiksi. Kuten kuvasta hyvin käy ilmi, ovat ohentuneen kuoren alueet lähipuolella huomattavasti suurempia kuin etäpuolella. Kuva: Miljković et al. (2013) / Science

Kraatterimallinnus on valitettavan usein silkkaa humpuukia, mutta Miljkovićin ja melkoisen all-star -joukon artikkelilla on se etu puolellaan, että se perustuu havaintoihin (mikä ei ole ollenkaan itsestäänselvyys, kun mallinnuksesta puhutaan). Tietenkin on muistettava, että GRAILin tulokset ovat geofysikaalista tulkintaa, ja kuten yleisesti tunnettu ja geofyysikkojen itsensäkin myöntämä tosiasia on, geofyysikolta saa aina tarvittaessa vastaukseksi minkä numeron vain haluaa.^* Miljkovićin ryhmän tulokset ovat kuitenkin uskottavia ja käyvät järkeen, joten uskotaan tähän teoriaan ainakin toistaiseksi.

Jutun asiasisällössä ei siis sinänsä ole moittimista, mutta lievää parranpärinää aiheuttaa käytetty terminologia. Törmäysaltaille ei ole olemassa yleisesti hyväksyttyä määritelmää, ja määrittely onkin aina allasjuttuja lukiessa syytä tarkistaa. Tässä tapauksessa altaiksi laskettiin halkaisijaltaan yli 200 km:n läpimittaiset GRAIL-aineiston perusteella hyvin ohuen kuoren alueiksi tulkitut rakenteet. Mitään perinteistä altaan määritelmäähän tämä ei vastaa, ja voi kysyä, onko esimerkiksi Sinus Aestuumin kohdalle piirretyn pylpyrän kohdalla todellakin ”törmäysallas”. Eihän tähän kenenkään maailma kaadu, mutta turhan hankalaksi tällainen luova sanojen käyttö elämän tekee. Esimerkiksi kraatteroituneiden kuorten paksuuksia ja allaskandidaatteja pitkään tutkinut Herb Frey kutsuu tällaisia kohteita vain kuvailevalla nimityksellä circular thin area (CTA) eli pyöreä ohut alue, väittämättä suoraan, että kyseessä välttämättä on törmäysallas. Vaikka valtaosa Miljkovićin ja kumppaneiden ”altaista” on todellisia altaita, tuppaa tällainen mutkien vetäminen suoraksi hieman häiritsemään.

Tähän asti tarina on ollut varsin suoraviivainen, mutta lopulta hieman kummalliseksi tämäkin meni. Tämä blogitekstinpätkäkin makasi puolivalmiina jo pitkään, mutta tammikuun Physics Today -lehdessä olleen Science-artikkelin pohjalta kirjoitetun uutisen ja Katarina Miljkovićin haastattelun myötä tutkimuksen ehkä kauskantoisimmat seuraukset muuttuivat merkittävästi lievemmiksi. Science-artikkelinsa lopussa nimittäin Miljković et al. puhuvat tulostensa vaikutuksista ns. lunar cataclysm- tai late heavy bombardment (LHB) -hypoteesille. Tuon ajatuksen mukaanhan Kuun rajun alkupommituksen jälkeen törmäystahti rauhoittui, kunnes noin 3,9 miljardia vuotta sitten tapahtui jälleen, syystä tai toisesta, runsaasti allaskokoluokan törmäyksiä. Miljković kollegoineen päätteli Science-artikkelissaan loogisesti, että aiemmin oletettua pienemmät kappaleet lähipuolen altaiden synnyttäjinä tarkoittavat myös ylipäätään pienempää (LHB:n) törmäysvuota, etenkin törmänneiden kappaleiden massan osalta.

Physics Todayn haastattelussa Miljković kuitenkin toteaa, ettei uusi mallinnus muuta LHB-hypoteesia mihinkään. Tämä siitä huolimatta, että aiemmat LHB:n massamallit yliarvioivat massavuon noin kahdeksankertaisesti (jos siis uskomme Miljkovićin tuloksia). Pelivaraa näissä eri malleissa siis on runsaasti, eikä oletettavasti isojen lehtien toimittajien, artikkelien esitarkastajien, ja rahoittajien painostuksesta äärimmilleen reviteltyjä Science- ja Nature-tulkintoja tule erehtyä luulemaan jumalolennon sanaksi. Vaikka jutun maailmojasyleilevyys siis hieman lässähtikin, on perussanoma kuitenkin selvä: Kuu-ukon naama johtuu lähipuolen lämpimästä ylävaipasta ja ohuesta kuoresta. Vielä kun joku keksisi, miksi Kuun lähi- ja etäpuolet loppujen lopuksi ovat niin erilaiset…

^*”Paljonko on kaksi plus kaksi?”
Geologi: ”Suunnilleen neljä.”
Geokemisti: ”4,00 +/- 2”

Geofyysikko: ”Minkä luvun haluat?”