Wednesday, 10 August 2011

Miten Tiede toimii?




Tiede-lehdessä 7/2011 oli pari juttua, joita en sattuneesta syystä voinut olla lukematta hieman tarkemmalla silmällä. Toinen oli toimittaja Maria Korteilan artikkeli sateenkaaresta ja toinen professori Esa Vakkilaisen vastaus lukijan kysymykseen ”Miksi tuuletin viilentää, vaikka liikkuva ilma on saman lämpöistä kuin ympäröivä ilma?”



Lähetin toimitukselle tapani mukaisen ystävällisen kirjeen.

"Hei Jukka ja muu Tiede-lehden porukka

Muutama kommentti Tiede-lehden n:o 7/2011 fysiikkaan liittyvistä artikkeleista.
  Sateenkaaren fysiikka on kesänumeroiden vakioaihe. Maria Korteilan juttu on leppoisan kertoileva ja selvästi pyritty enemmän yleistajuisuuteen kuin kertomaan tiukkaa tieteellistä faktaa sateenkaaresta. Se on tyylikysymys ja hyvin tyylissä onkin pysytty. Jopa suorastaan runollisesti: "monivärinen ilmakehän optiikan tuotos".
Pariin kohtaan kiinnittäisin kuitenkin huomiota.
  Artikkelissa kerrotaan, että korkealta vuorelta ja lentokoneesta voi joskus nähdä täyden ympyrän muotoisen sateenkaaren. En ole koskaan nähnyt lentokoneesta otettua kuvaa kokonaisesta sateenkaaresta. Se johtuu vain siitä, että silloin edessä on oltava yhtenäinen saderintama, joka näkyy halkaisijaltaan 84 asteen kulmassa olevana ympyränä. Sellaista tilannetta tulee harvoin lentokoneelle vastaan. Perun puheeni heti, kun joku näyttää minulle lentokoneesta otetusta kokonaisesta sateenkaaresta.
  Netistä löytyy kyllä paljon kuvia, jossa lentokoneesta näkyy sateenkaaren kaltainen valoilmiö. Se ei ole sateenkaari vaan Brockenin kehä eli glooria



Brockenin kehä eli glooria pilvessä. (Itse asiassa useita kehiä) Lentokoneen varjo keskellä. Jo sokea Reettakin näkee, että ympyröiden läpimitta ei ole lähelläkään 84 astetta.

  Lentokoneesta otetusta kuvasta voi nähdä kyllä sateenkaaren alapuolista kaarta, kun horisontti on matalalla. Auringon oleminen myös matalalla auttaa tietysti asiaa.
  Vuorelta ei kokoympyräistä sateenkaarta voi nähdä. Siihen on selkeä geometrinen syy. Osa kaaresta jää väistämättä vuoren varjoon.
  Näkymiskulmasta hieman näsäviisas kommentti. Olisi mielenkiintoista nähdä, miten toimittaja laittaa kätensä siten, että toinen osoittaa kohti pään varjoa ja toinen on kohti sateenkaaren yläreunaa  – silmän ollessa syntyvän kulman kärkenä. Kulman mittaamiseen ihan oikeasti tällä menetelmällä tarvitaan jokin harppimainen laite. Vaikka vain kaksi suoraa keppiä teipillä kärjistä yhteen kiinnitettyinä.
  Sivulla 64 sen sijaan professorismies puhuu omiaan tuulettimen viilentämisen mekanismista tai ainakin esittää asian niin sekavasti, että siitä on vaikea saada otetta (siis minun). Jäähdyttävä ilmiö liittyy haihtumiseen vain silloin, kun iho on märkä. Eli hikoiltaessa tai pesun, uimisen ym. kastumisen jälkeen.
  Ihon ollessa kuiva, tärkein lämmönsiirtoon vaikuttava tekijä on ihon pinnalla oleva millimetrien suuruusluokkaa oleva eristävä ilmakerros. Sen lämpötila on suunnilleen sama kuin ihon lämpötila ja siksi se eristää hyvin tehokkaasti ohuudestaan huolimatta. Pieni ilmavirta ei vaikuta tähän kerrokseen juuri mitään. Sitä voi kokeilla heiluttelemalla kättään hitaasti ja nopeasti. Ihon ollessa kuiva tuulettimen toiminta perustuu tämän ohuen ilmakerroksen poispuhaltamiseen. Kun eristävä ilmakerros on poissa, lämpö johtuu ihosta paljon tehokkaammin. Sama pätee myös toiseen suuntaan. Kun saunassa joku puhaltaa löylyssä ihollesi, niin tuntuu paljon kuumemmalta. Syy ei ole tietenkään siinä, että puhallettu ilma olisi kuumaa kuin lohikäärmeen kidasta tullutta, vaan koska nyt kuumalta eristävä ilmakerros puhalletaan pois.
  Vuosi sitten Hesarissa käsiteltiin samaa teema, silloinen päivystävä professori vielä huonommalla asiantuntemuksella. Tästä tarkemmin täällä.


  Kesäterveisin
  Timo Suvanto"

 ------------------

Tiede 8/2011 kolahti tänään 9.8.2011 postilaatikkoon. Enpä malttanut olla jo pihalla katsomatta, miten lehdessä oltiin reagoitu kommentteihini. Palautetta sivulta löytyivät seuraavat kolme oikaisua ja tarkennusta. 



  


Tiede-lehti toimii selvästi tieteen metodin mukaisesti. Tieto on prosessi, joka kehittyy avoimen keskustelun ja kritiikin kautta.

Palaute lähti parhaiden poikkitieteellisten perinteiden mukaisesti välittömästi tyyli- ja kauneusseikoista välittämättä.

”Hei Jukka

Näköjään muutkin kuin minä oli kiinnittänyt huomiota sateenkaari-juttuun, jota ei hyvällä tahdollakaan voinut pitää oikein putkeen menneenä. Virheittä jäävät vain tekemättömät, ei siitä sen enempää.

Ihan nappiin ei mennyt Virpi Kaukonkaan oikaisu. Hän oikaisee tietoa, jonka mukaan sateenkaari ei näy koko ympyränä horisontin yläpuolella. Virpin toteamus pitää paikkaansa, tosin alkuperäisessä jutussa ei missään näin väitetä olevan. Alkuperäisessä jutussa väitetään, että lentokoneesta voi nähdä koko sateenkaariympyrän. Tämäkin pitää paikkaansa. Oheinen kuva selvittänee tilannetta. Kun aurinko paistaa matalalta koneen takaa ja riittävän lähellä koneen edessä on riittävän leveä ja korkea saderintama, niin lentäjä voi nähdä koko sateenkaariympyrän. Harva lentäjä vain haluaa ehdoin tahdoin lentää pilvien alla kohti saderintamaa. Siksi näitä näkijöitä ei maailmassa varmaan ole kovin monia.



Toiseksi Virpi Kauko väittää, että sateenkaaren voisi (teoriassa) nähdä 400 km:n korkeudessa koko ympyränä. Tässä varmaan tarkoitetaan horisontin yläpuolella, viimeinen kappale on aika sekavasti kirjoitettu.

Jotta ”sateenympyrä” olisi horisontin yläpuolella, niin vaakasuoran suunnan (maapallon akselia kohtisuoraan vastaan olevan suunnan) satelliitista  on oltava 42 asteen kulmassa horisonttiin. Silloin satelliitin on oltava noin 2200 km korkeudessa. Sadepilvien puolestaan olisi oltava noin 54000 km korkeudessa, eli korkeammalla kuin geostationaariset satelliitit.  Joten sateenkaaren näkyminen ympyränä horisontin yläpuolella on vain matemaattisesti, ei meteorologisesti mahdollista. Tätäkin yritin havainnollistaa kuvalla.

 "Pilven korkeus"  y vaakatasosta mitaten ei ole oikeassa mittakaavassa, joten myös kulma teoreettisen sateenkaaren yläreunaan on kuvassa liian pieni.





Asiasta kolmanteen. Tieteen tentissä kysytään, vieläkö Einsteinin ajatuksia on todistamatta. Tämä menee enemmän semantiikan puolelle, mutta minusta fysiikan teorioita ei voida todistaa. Matemaattisia lauseita voidaan.

Fysikaaliset teoriat ovat matemaattisia malleja siitä, miten luonto käyttäytyy. Teorian tueksi voidaan saada havaintoja ja mittaustuloksia, mutta eivät ne todista teoriaa oikeaksi. Ne joko tukevat sitä tai sitten eivät tue.

Tätä voisi pitää pelkkänä saivarteluna, mutta minusta siinä on ihan oikeaa kritiikin juurtakin. Niin usein näkee erilaisissa yhteyksissä mainittavan, että jokin asia ”on todistettu tieteellisesti paikkaansa pitäväksi”. Vieläpä niin, että mitä vaatimattomampi näyttö, niin suuremmilla puukstaaveilla ja voimakkaammalla lihavoinnilla TIETEELLISESTI TODISTETTU kirjoitetaan.

Otsikkoa lukuun ottamatta dosentti Iiro Viljan haastattelu vastauksineen olikin sitten täyttä ymmärrettävää asiaa.

Terveisin
Timo Suvanto

ps. Vaikka aikoinaan koulun urheilukerhossa olimme koripallossa  satunnaisesti  eri puolilla, niin tieteen popularisoinnissa aina samalla."

11 comments:

  1. Menee tosiaan saivartelun puolelle, tai ainakin pikkutarkkuuden. "Todistaminen" ei ole tietenkään ihan oikea sana tässä yhteydessä, mutta suurelle yleisölle kaiketi samansisältöinen kuin "oikeammat".

    Meillehän on opetettu tieteen etenevän syklinä teoria -> kokeellinen testaus -> teorian korjaus -> kokeellinen testaus jne jne.

    Makuasia millä sanalla sitten kuvataan tilannetta, jossa kokeellinen testaus näyttää teorian mukaisia tuloksia, tukee siis teorian pätevyyttä. Verifiointia engelskasta 'käännettynä' on käytetty, todentamista.... Niin, mikä on se oikea sana? Testattu?

    Sanaparilla 'kokeellinen todistaminen' saa kuukkelista 31 000 osumaa, joten k.o. kielivirhe on melko yleinen. Vähänkin vielä yleisempi, niin sitten se jo onkin puhekieltä.

    ReplyDelete
  2. Lainaus wikipediasta: "Karl Popperin mukaan tieteellistä teoriaa ei voida todistaa todeksi eikä edes todennäköiseksi. Sen sijaan teoria voidaan falsifioida eli todistaa vääräksi. Popperin mielestä tieteelliset teoriat on muotoiltava niin, että ne ovat falsifioitavissa. Näin teorioita voidaan koetella, ja niitä voidaan kehittää havaittujen virheiden pohjalta."

    Tämä näkemys on nähdäkseni kaiken nykyisen ns. tieteen perustana.

    ReplyDelete
  3. Kun minunkin nimeni mainittiin Tiedelehdessä, niin tulkoot tähän lehdelle lähettämäni palaute kokonaisuudessaan. Toimitus oli siistinyt kuittailevimmat kommentit. Hyvä niin. Poikkitieteelliselle palstalle ne ehkä sopivat.

    Annettakoon hieman kredittiä sen ansaitseville. Sateenkaareen fysiikkaan ja ennen kaikkea sen tutkimuksen historiaan tutustuin ensimmäisen kerran Sakari Mäkelän ja Timo Suvannon kirjassa "Sateenkaari". Nykyään varmaan divarikamaa, mutta kannattaa ostaa, jos tulee vastaan.

    Alla siis palautteeni Tiede-lehdelle. Olen Poikkitieteilijän kanssa samaa mieltä. Tiede-lehti noudattaa jutuissaan tieteellistä metodia.

    "Hei

    Ostin kotimaassa käydessäni Tiede-lehden ja lueskelin suurella mielenkiinnolla sen monia mukavia artikkeleilta. Mm. Suomen luonto häijynä oli minusta oikein oivallinen.

    Sen sijaan Arjen ilmiöt sarjan juttu sateenkaaresta ei mennyt oikein putkeen. Ei ainakaan Tiede-lehden artikkelina – Koulaiseen juttu kyllä istuisi, kunhan sen virheet korjattaisiin. Vähän tuli sellainen tunne, että sen on kirjoittanut googlettamalla peruskoulun yläluokkien oppilas kohderyhmänään alakoululaiset. Kuinkahan monelle Tiede-lehden lukijalle mahtaa olla yllätys, että sateenkaari ei olekaan jonkin taivaanalueen värijuovitus vaan katsojaa kohti heijastunutta auringonvaloa?

    Muutama isompi fysikaalinen tai matemaattinen virhe.
    • Valo ei taitu pisaran sisällä vaan rajapinnassa (2 kertaa).
    • Sateenkaari on kyllä kaari, sillä kaari on osa ympyrän kehää. Ei horisontin alle jäävä näkymätön ympyrän osa ole enää sateenkaarta. Sateenkaarihan on optinen ilmiö, katsojan silmässä, kuten otsikkokin kertoo.
    • Sateenkaari ei näy tietyissä pisteissä vaan tietyissä suunnissa. Nämä menevät jutussa sekaisin tämän tästä kuin entisen miehen puurot ja vellit. Sateenkaaren aikaansaamat vesipisarat voivat olla hyvinkin eri etäisyyksillä. Kun ne yhdistetään, niin viiva on kaikkea muuta kuin ympyrä. Sen projektio katsojaan nähden on ympyrä.
    • Piste, joka on 42 asteen kulmassa viivaan nähden, on matemaattiselta sisällöltään käsittämätön.
    • Jutussa väitetään, että sateenkaaria ei näy, jos aurinko on korkeammalla kuin 42 asteen kulmassa. Sateenkaaria voi tosiaan näkyä 2 kappaletta (useampiakin, mutta se on jo toinen tarina). Ylempi voi olla näkyvissä, vaikka aurinko on korkeammalla kuin 42 astetta.
    • Katsojan kautta kulkeva suora ei osu ilmakehän(?) vesipisaroihin vaan maahan. Mitähän tällä lauseella tarkoitetaan?
    • Pisarat eivät toimi peileinä, sillä suurin osa pisaraan osuvasta auringon valosta menee siitä lävitse. Geometrinen muoto, jonka sisällä pisarasta taakse päin suuntautunut valo on, on kartio, ei sektori. Sateenkaari syntyy kartion ulkoreunan säteistä. Prosessi ei ole ihan yksinkertainen ja kaukana tämän artikkelin näkökulmasta sateenkaareen.
    • Miten asetetaan käsi suorana pään jättämään varjoon? Entä toinen käsi kohti sateenkaaren yläreunaa?


    Pieniin epätäsmällisyyksiin ja aika naiviin lukijan tietoja aliarvioivaan tyylin en tässä viitsi puuttua. Olipa tyylilaji ja kohderyhmä mikä tahansa, niin kyllä Tiede-lehden tasoisen julkaisun pitäisi tarkistuttaa juttunsa asiantuntijoilla. Tai jos näin on tehty, niin sitten tarkistuttaa asiantuntijoittensa työmoraali. Vaikka kesällä kesätoimittajat tekevät keveitä kesäjuttuja, niin ei teksti saisi olla näin pahasti kesäterässä.

    Terveisin
    Matti Äyräs
    DI
    Berliini"

    ReplyDelete
  4. Ei kritiikkini "tieteellisesti todistettuun" ole mielestäni pelkkää saivartelua. Kun lehdissä näkee juttuja, joiden mukaan jokin asia on "tieteellisesti todistettu", niin suuri joukko lukijoita laittaa silloin yhtäläisyysmerkit tämän ja absoluuttisen totuuden välille. Etenkin, jos "tieteellinen todistaminen" on sama kuin heidän oma mielipiteensä. Tätä tapahtuu paljon vahingollisemmissa yhteyksissä kuin täällä. Kuten vaikka täällä.

    ReplyDelete
  5. Poikkitieteilijä: "Lentokoneesta otetusta kuvasta voi nähdä kyllä sateenkaaren alapuolista kaarta, kun horisontti on matalalla. Auringon oleminen myös matalalla auttaa tietysti asiaa."

    Erehtyy se Poikkitieteilijäkin. Lähellä maapallon pintaa oltaessa (lähellä suhteessa maapallon säteeseen) horisontti on aina vaakatasossa. Sateenympyrä voi näkyä kokonaisena, jos ollaan lentokoneessa niin korkealla ja saderintama niin lähellä, että sen alareuna näkyy vähintään 42 asteen kulmassa.

    ReplyDelete
  6. No niinpä onkin. Samalla tämä olkoot vastauksena jokin aika sitten olleelle kommentille, jossa niin ikään nimimerkki Anonyymi kysyi, että milloin olen myöntänyt olleeni väärässä. Muun muassa juuri nyt.

    ReplyDelete
  7. Juha Vastarannankiiski12 August 2011 at 17:05

    Timo Suvanto:
    "Jotta ”sateenympyrä” olisi horisontin yläpuolella, niin vaakasuoran suunnan (maapallon akselia kohtisuoraan vastaan olevan suunnan) satelliitista on oltava 42 asteen kulmassa horisonttiin. Silloin satelliitin on oltava noin 2200 km korkeudessa. Sadepilvien puolestaan olisi oltava noin 54000 km korkeudessa, eli korkeammalla kuin geostationaariset satelliitit. Joten sateenkaaren näkyminen ympyränä horisontin yläpuolella on vain matemaattisesti, ei meteorologisesti mahdollista."

    Olisiko sittenkin alempanakin mahdollista? Tässä oma kuvasi pikkuisen muokattuna, en saanut tähän sitä muuta kuin linkkinä, mutta siinä on punaista sadetta punaisesta pilvestä, joka ei ole läheskään niin korkealla kuin laskelmat osoittavat sen täytyvän olla, jotta sateenkaariympyrä piirtyisi kokonaan horisontin ylle. Kenties Anonyymi yllä tarkoitti tätä samaa asiaa, en ole ihan varma.

    Varmaankin myös osin horisontin alle piirtyvän sateenkaariympyrän havainnoitsijalta vaaditaan jokin minimikorkeus käytännössä, koska sateeseen tarvittaneen riittävä "syvyys" eli heijastuman takareunan etäisyys katsojasta, jotta sateenkaari saadaan näkyviin. Toisaalta sateenkaari vaatinee sateen satavan vetenä, ja sade lienee yleensä jäätä yli kolmen kilometrin korkeudessa. Muuta vaatimusta en oitis keksi, joka määräisi sadepilven ja sateenkaaren tarkkailijan minimi- ja maksimikorkeudet.

    Käytännössä luulen niin, että sateenkaari vaatii sopivanlaisen sateen, joka on sopivalla etäisyydellä katsojasta, ja ne ovat seikat, jotka estävät havaitsemasta kokonaisia ympyröitä. Sade muuttuu matkalla pilvestä maahan, usein jopa haihtuu vesihöyryksi ennen maahan satamistaan. Niinpä voisin arvella, ettei sellaisia tilanteita juuri ilmene, joissa pisarakoko, pisaratiheys ja valon suunta osuisivat riittävällä korkeusalueella niin oivallisesti, että muodostuisi kokonainen ympyrä.

    Nuo haloilmiöt, kokoympyrät lentokoneen varjon ympärillä, syntynevät aina jääkiteistä. Kulma valon tulosuuntaan nähden on tosiaan paljon pienempi kuin tuo reilu 40 astetta, jolloin sopivasti valoa heijastava ja läpäisevä kerros osuu paljon helpommin lentokoneen varjoa ympäröimään, tarvitaan niin paljon pienempi alue sopivaa heijastusväliainetta.

    Mutta nuo hienot trigonometriset laskelmat kosmonautin sateenkaaritarkkailuasemaan ja pilvikorkeuksiin liittyen lienevät tosiaan lähtöasetelmiltaan ns. metsässä, jos nyt metsästä voi noilla korkeuksilla puhua.

    Jos minulla olisi sellainen viilennyspuhallin, joita myydään, ja jotka viilentävät syöttämällä ilmavirtaan vesipisaroita, menisin oitis parvekkeelle kokeilemaan, saisinko sateenkaaren näkyviin kokonaisena ympyränä sen avulla. Mielikuvani on, että jos vesipisarat ovat hyvin pieniä, kaari tulee näkyviin myös hyvin lähellä olevassa pisarapilvessä, eli tuon koko ympyrän voisi ehkä saada sellaisella aikaan. Kerrostalon neljäs kerros ei riitä saamaan ympyrää horisontin ylle kuin enintään puoliksi, mutta luulen, että ympyrän alareuna jäisi kuitenkin alakerran asukkaiden parvekkeiden ylle. Olisi siinä alakerran asukeilla kadehdittavaa, jos sellaisen sädekehän onnistuisin oman parvekkeeni ympärille luomaan.

    ReplyDelete
  8. Juha Vastarannankiiski12 August 2011 at 17:07

    Äh...se kuva unohtui:
    http://i10.aijaa.com/b/00927/8473598.gif

    ReplyDelete
  9. Minulla oli ajatuskatkos saderintaman paikasta. Eihän sen tarvitse olla horisontissa. Sen sijaan ehto sateenympyrän näkymisestä kokonaan horisontin yläpuolella johtaa edelleen samaan katselukorkeuteen eli siihen, jossa horisontti on 42 astetta vaakatason alapuolella. Siis 2200 km. Sinänsä se, että ympyrä olisi horisontin yläpuolella ei ole mitenkään erityisen mielenkiintoista matemaattisesti tai fysikaalisesti. Meteorologisesti se olisi edelleen mahdotonta.

    ReplyDelete
  10. "Olisi siinä alakerran asukeilla kadehdittavaa, jos sellaisen sädekehän onnistuisin oman parvekkeeni ympärille luomaan."

    Hienohan se olisi, mutta ei herättäisi kateutta - alakerran asukkaat kun eivät näkisi sitä. - - Paitsi kyläillessään sumuttelijan kämpässä, tietysti. Sateenkaarihan on katsojakohtainen.

    ReplyDelete
  11. Juha Vastarannankiiski21 August 2011 at 15:25

    Alakerran naapuri voi hyvin kadehtia asiaa, jota ei ole koskaan nähnyt ja josta ei mitään ymmärrä, kunhan on huhuja kuullut. Kateus on jopa tyypillisintä sellaisena, ettei kadehtija tiedä kadehtimastaan asiasta juuri mitään, kunhan uskoo, että toisella on asiat paremmin.

    Kuinka on selitettävissä tämä?
    http://tinyurl.com/3efd2dy
    Kyseessä on Espoon Leppävaarasta kuvan kera raportoitu uutinen kahdesta sateenkaaresta. Jos kaarista toinen on 42 asteen kulmassa auringonvalon tulokulmaan nähden, kuten kuuluukin, mikä oikeus toisella kaarella on olla eri kulmassa?

    ReplyDelete