Siperiaan syntyneet reiät eivät taida ulottua ihan maapallon lävitse. Muuten ne olisivat kätevä tapa livahtaa pois Venäjältä, jos Putinin komento on alkanut kyllästyttää tai pelottaa.
Tohtorikoulutettava Ilkka Hendolin Helsingin yliopiston fysiikan laitokselta
vastasi siihen näin.
"Reiän poraaminen maapallon läpi tyssäisi moniin ongelmiin
jo alkumatkasta. Mutta ei anneta sen häiritä, vaan mietitään, mitä tapahtuisi,
jos reikä maapallon läpi olisi olemassa.
Ensinnäkin reikä täyttyisi ilmalla. Niinpä hyppääjän menoa
hidastaisi ilmanvastus, ja vauhti jäisi parhaimmillaankin muutamaan sataan
kilometriin tunnissa.
Niin hidas vauhti ei riittäisi syöksemään hyppääjää
maapallon läpi, vaan hän pysähtyisi paikoilleen lähelle maapallon ydintä.
Siellä musertava ilmanpaine ja kuumuus tekisivät olon vähintäänkin tukalaksi.
Jos hyppääjä haluaisi päästä maapallon läpi, reiästä
täytyisi pumpata ilma pois tieltä.
Ongelmaksi jäisi vielä maapallon pyöriminen, joka saisi
hyppääjään törmäilemään tunnelin seiniin. Osumat hidastaisivat menoa ja
estäisivät läpipääsyn.
Pyörimisen aiheuttamat ongelmat saataisiin poistettua
poraamalla reikä maapallon akselin suuntaisesti pohjoisnavalta etelänavalle.
Ilmattomassa navalta navalle vievässä tunnelissa hyppääjän
vauhti kiihtyisi melkein 30 000 kilometriin tunnissa, ja vain 42 minuutin
matkanteon jälkeen hän putkahtaisi pinnalle toisella puolella maapalloa.
Siellä hänen täytyisi tarrata nopeasti kiinni johonkin, tai
hän putoaisi välittömästi reikään uudelleen."
Ihan jees. Vastattu siihen, mitä kysyttiin ja tavalla, jonka
Miro 10 v. voisi ikänsä puolesta ymmärtää. Kouluarvosanoin entisenä fyssan
maikkana antaisin tästä 10-. Mistä pieni vähennys? Selviää kohta.
Lienee aika ilmeistä, että koetta on ihan oikeasti
mahdotonta suorittaa. Sopivan laitteiston voisi rakentaa korkeintaan sama älykäs
suunnittelija, joka aikoinaan muun muassa pysäytti Auringon keskelle taivasta,
jotta Israelin kansa näkisi paremmin listiä vihollisensa. Ehkä samanlaiseen
tarkoitukseen voisi porata reiän maapallon lävitse. Sitä myöten pääsisi äkkiä
livistämään toiselle puolen maapalloa, jos olot syystä tai toisesta kävisivät
liian tukaliksi.
Ajatuskokeissa, Einsteinin tunnetuksi tekemissä Gedankenexperimenteissä kaikki on mahdollista. Koeolosuhteet voidaan muokata aivan
halutun kaltaisiksi jättäen hankalia rajoittavia tekijöitä tarpeen mukaan huomiotta.
Kuten ilmanvastusta tai kitkaa.
Joten oletetaan aluksi, että edellä mainittu kaikkeen
kykenevä olento työntää päistään kiinni pultatun onton putken maapallon
lävitse. Putkella olisi pituutta noin 12700 km. Mitä tapahtuisi, kun putken
päät avataan?
Ilma tietysti "putoaisi" putkeen molemmilta
puolilta ihan samalla tavalla kuin putkeen hyppäävä ihminen. Painovoima
vaikuttaa ilmamolekyyleihin ihan samalla tavalla kuin mihin muuhun tahansa
massaan.
Mitä syvemmälle reiässä mennään, sitä heikompi on painovoima.
Sen aikaansaama putoamiskiihtyvyys putoaa lineaarisesti maan pinnalta maan keskipisteeseen mentäessä arvosta
noin 10 m/s^2 nollaan. Ihan alkeismatematiikalla ei nopeutta maapallon
keskipisteessä saada selville, mutta integroimalla loppunopeudeksi saadaan noin
7900 m/s. Kun ilmassat iskeytyisivät yhteen maapallon keskipisteessä, niin syntyvä
pamaus olisi melkoinen.
Kaasun tilaa makrotasolla kuvaa paremmin sen lämpötila kuin yksittäisten
molekyylien nopeus. Kaasun lämpötila kelvineissä on verrannollista molekyylien
keskinopeuden neliöön. Kun tiedetään, että ilmamolekyylien nopeus on noin 350
m/s lämpötilan ollessa 300 kelviniä, niin verrannosta T/300 = (7900/350)^2
ilman lämpötilaksi T maapallon keskustassa saadaan taas pyörein luvuin T = 150.000
kelviniä och samma på svenska celsiuksina. Sanoisin että aika vari. Happea ei
olisi enää lainkaan, vaan kaikki putkessa vähänkin syvemmällä oleva ilman happi
olisi yhtynyt typpeen ja synnyttänyt typen oksideja.
Ikävät olosuhteen kaiken kaikkiaan, jos joku päättäisi
hypätä heti perään, kun putki oli korkattu. Älykäs suunnittelijakin olisi
saanut laittaa putkeensa vähän tiukempaa toistaiseksi tuntematonta materiaalia,
jotta se ei sulaisi. Korkein tunnettujen materiaalien sulamispiste on
volframilla, noin 4000 kelviniä. Mutta me ajatuskokeilijat emme olekaan älykkään
suunnittelijan kanssa tällaisten fysikaalisten reunaehtojen vankeja.
Joten oletetaan saman tien, että maapallo on sisuksiaan
myöten kylmä planeetta, reikään virrannut kaasu on jäähtynyt ja jopa vaihdettu
normaaliksi hapen ja typen koostumukseksi. Miten nyt kävisi reikään
hyppääjälle?
Ei kovin hyvin nytkään, vaikka hän olisi samanlaisen
ammuksen sisällä kuin Jules Vernen matkalaiset romaanissa Maasta Kuuhun.
Nimittäin ilmanpaine maapallon keskustassa olisi noin 300 miljoonaa kertaa
suurempi kuin mitä se on Maan pinnalla. Vaikka älykkään suunnittelijan tekemä
sukkula selviytyisikin hurjasta paineesta, niin ilman tihetessä sen ilmanvastus
kasvaisi niin suureksi, että putoava alus sekä kuumenisi ja lopulta pysähtyisi
kokonaan, kun se ei pääsisi enää tiheän ilman lävitse. Paine olisi puristanut
ilman kiinteäksi aineeksi.
Joten ei kun pumpataan ilma tarpeettomana pois. Tai mennään suosiolla
Kuuhun, jossa sitä ei ole lainkaan harmina. Kuullakin on nestemäinen kuuma
ydin, mutta annetaan ylivertaisen älykkään suunnittelijan jäähdyttää sekin. Matka
Kuun lävitse kestäisi, yllätys yllätys, kauemmin kuin matka Maan lävitse
ilmatonta tunnelia pitkin. Yhdensuuntainen matka Maan lävitse kestää siis 42 minuuttia ja Kuun lävitse noin 54 minuuttia. Syy on se, että aika on verrannollista säteen ja vetovoiman kiihtyvyyden suhteen neliöjuureen. Kuun säde on 27,3% Maan säteestä ja painovoiman kiihtyvyys vain 16,5 %.
Pienenä pikanttina yksityiskohtana voisi vielä mainita, että
Kuun pintaa hipoen ammuttu ammus kiertää Kuun samassa ajassa kuin mitä reikään
hypänneeltä kuluu edestakaiseen matkaan Kuun lävitse. Aseen täytyy olla tosin aika järeä,
koska ammuksen lähtönopeus olisi silloin
1,68 km/s. Suunnilleen tällä
nopeudella lähtevät maailman nopeimmat ammukset aseen piipusta. Kuussa kun ei
ole ilmaa, niin nopeus Kuun pintaan nähden säilyy.
Kuvan lähteessä löytyy vähän vähemmän poikkitieteellistä, mutta vastaavasti enemmän tieteellistä tekstiä maan läpi poratun reiän fysiikasta .
Matemaattisesti tämä voidaan perustella sillä, että
planeetan läpi poratussa reiässä edes ja takaisin syöksyilevä hyppää on
harmoninen värähtelijä, siis samanlainen kuin jousen päässä oleva paino.
Täsmälleen sama matemaattinen lauseke on planeettaa sen pintaa kiertävän
satelliitin kiertoajalla ja harmonisen värähtelijän edestakaisella
värähdysajalla.
Miksi Ilkan vastaus ei olisi ihan kympin arvoinen? Kertomus
törmäilystä ei minusta mennyt ihan "putkeen". Palataan takaisin
Maahan ja porataan reikä pallon lävitse päiväntasaajalta. Ilmaa ja kuumuutta ei
ole nyt harmina, kun hypätään vaikka reikään vaikka Indonesian Pontianakissa,
joka on yhden kulmaminuutin päässä päiväntasaajasta 109 pituuspiirillä itäistä
pituutta.
Maapallon pinnan kehänopeus päiväntasaajalla on 465 m/s
itään päin. Tätä sivuttaista nopeutta hyppääjä "kuljettaa mukanaan"
pudotessaan reiässä. Reiän seinämät sen sijaan kiertyvät itää kohti sitä hitaammin,
mitä syvemmälle mennään. Hyppääjä havaitsisi lähestyvänsä vääjäämättä seinämää
ja lopulta puristuvansa siihen kiinni. Alussa hyppääjän sivuttaisnopeuden ja reiän
kehänopeuksien ero ei ole kuitenkaan kovin suuri. Siksi tämä seikka ei
välttämättä johda Hesarin jutun ennakoimiin törmäilyongelmiin.
Kehänopeus on suoraan verrannollinen säteen pituuteen. Mitä
alemmaksi reikään hypännyt pääsisi, sitä suurempi olisi hänen ja reiän seinämän
välinen vaakasuoran nopeuden ero hyppääjän osuessa seinämään.
Vähän matematiikkaa. Oletetaan, että suoraan maapallon
keskipisteeseen porattu reikä on läpimitaltaan kolme metriä. Keskelle reikää sukeltavan (tai yhtä
hyvin jalat edellä hyppäävän) kehon pinta noin 1½ metrin päässä seinämän
reunassa. Milloin ja millä voimalla seinämä hyppääjä osuu seinämään?
Lyhyellä putousmatkalla voidaan kiihtyvyyden ilmattomassa
tunnelissa katsoa pysyvän vakiona, eli sen arvo oli g, 10 m/s^2.
20 sekunnin kuluttua hyppääjän nopeus on 200 m/s. Tänä
aikana hän olisi ehtinyt pudota 2 km. Maapallon kehänopeus 2 km:n syvyydellä on
noin 464, 85 m/s, josta saatavasta sivuittaisten nopeuksien erosta voidaan
edelleen laskea, että hyppääjä olisi saanut reiän itäisen seinämän
"kiinni" ja osunut siihen 0,15 m/s nopeudella. En kutsuisi sitä vielä
törmäykseksi, pikemminkin varovaiseksi koskeutkseksi. Siitä eteenpäin hyppääjä
oikeastaan liukuu reiän itäistä seinämää myöten aina maapallon toiselle puolelle,
josta katsottuna hän nousee ylös läntistä seinämää pitkin.
Kun putoaminen maapallon keskipisteeseen kestää 42 minuuttia
ja hyppääjän sivuttaisnopeus muuttuu tänä aikana arvosta 465 m/s arvoon -465 m/s, niin
keskimääräinen kiihtyvyys on silloin 0,35 m/s^2. Siis vain noin 3,5% g:n
arvosta. Tosin nopeuden kasvaessa näinkin vaatimattomalla voimalla
painautuminen reiän seinämää vasten aiheuttaisi niin ison kitkalämmön, että toisen
laulun sanoja siteeraten jälleen
"tulisi tukalasti kuuma". Joten annetaan
älykkään suunnittelijan tehdä hyppääjän puku ja reiän seinämät materiaalista,
joka olisi täysin kitkatonta.
Reiän seinämään osumisen ongelmasta selvittäisiin sillä,
että ei poratakaan päiväntasaajalta reikää maapallon keskipisteen lävitse, vaan
hieman itään päin. Uusi reikä siis ottaa huomioon tämän hyppääjän
sivuttaisnopeuden ja pitää hyppääjän koko ajan reiän keskellä.
Matka maapallon läpi poratun reiän läpi kestää aina saman
riippumatta siitä, onko reikä porattu keskeltä vai vähän sivumpaan. Siksi niin
seiniin törmäämätön Pontianakista lähtenyt hyppääjä putkahtaisi pinnalle 42
minuutin kuluttua päiväntasaajalla, mutta ei täsmälleen maapallon
vastakkaisella puolella, vaan 10 astetta lännempänä. Hyppääjän kannalta sinänsä
ihan mukavaa, koska Pontianakin vastakkaisella puolella ollaan keskellä
Amazonin viidakkoa, mutta 10 astetta lännempänä lähellä Ecuadorin pääkaupunkia.
Jos päiväntasaajalta hypättäisiin hieman itään päin porattuun reikään, niin reikä tietyllä tavalla "ottaisi huomioon" hyppääjän vaakasuoran alkunopeuden vaikutuksen. Toisin enää paluumatkalla tämä reikä olisikaan enää niin hyvä jos hyppääjällä on edelleen alussa saatua maanpallon pyörimisestä aiheutunutta nopeutta. Nyt tunnelin suunta olisi väärä hyppääjän vaakanopeuteen nähden.
Edes Gedankenexperiment-todellisuudessa asia ei ole ihan
näin yksinkertainen. Vaakasuoralla nopeudella varustettua putoajaa väistävän
radan laskeminen ei ihan onnistu ihan Ojalan laskuopin avulla. Rata ei ole edes
suora, koska kehänopeuden muutos on tasaista etäisyyden maapallon keskuksesta
suhteen, mutta putoamisnopeuden muutos ei.
Tietenkin tältä kaikelta säästyttäisiin, jos porattaisiin Ilkan jutun mukainen reikä navalta navalle. Silloin maapallon pyöriminen ei aiheuttaisi näitä törmäilyongelmia. Tosin jos minulta kysyttäisiin, niin olisihan se vähän hassua hypätä
pohjoisnavalta etelänavalle, kun vaihtoehtona olisi siirtyä päiväntasaajalla
maapallon toiselle puolelle 42 minuutissa. Toisessa tapauksessa siirryttäisiin talvesta kesään ja toisessa päivästä yöhön.
Vihreällä merkitty ne paikat, joissa on maata molemmilla puolilla maapallon läpi poratun reiän päissä. Maapallon läpi poratun reiän kautta pääsisi todellakin Kiinaan - mutta reiän toinen pää olisi silloin Etelä-Amerikassa, vieläpä se eteläpäässä. Sen sijaan Siperian reikään hyppääjä päätyisi Etelämantereelle, joten sitä voitaneen pitää joutumisena ojasta allikkoon.
Kun maapallon pinta-alasta 71 % on vettä, niin on varsin ilmeistä, että maapallolla ei ole hirveän paljon sellaista maa-aluetta, jossa on maata myös täsmälleen maapallon toisella puolella olevassa antipodissa. Teoreettinen maksimi olisi tietysti 29 %, mutta todennäköisyyslaskennalla saadaan lähempänä oikeaa oleva tulos. 0,29 x 0,29 = 0,084. Siis todennäköisyys, että jossain satunnaisessa kohdassa maapalloa on ei ole merta tai järveä eikä sellaista ole toisellakaan puolella on 8,4 %. Tämä siis oletuksella, että maa-alueet olisivat jakautuneet suhteellisen tasaisesti maapallolla.
Maapallolla maata molemmilla antipodin puoliskoilla on kutenkin vain noin 4,4 %. Tämä johtuu siitä, että maa-alueet eivät ole jakautuneet tasaisesti maapallolle, vaan maapallo voidaan jakaa maapuoliskoon ja vesipuoliskoon.
Maapallo voidaan jakaa siten, että maapuoliskolla on melkein yhtä paljon maata kuin vettä. Toiselle puolelle jää sitten Indonesian saaristo, Australia, Etelämanner ja Etelä-Amerikan eteläisin kärki. Veden osuus täällä on noin 90%.
Netissä on hauska sovellus, jolla voi tutkia, mikä paikka on täsmälleen maapallon toisella puolella. Suomesta katsoen siellä on Eteläinen jäämeri riippumatta siitä, mistä kohtaa Suomea alettaisiin porata reikää maapallon keskipisteen lävitse.
Reikä maapallon läpi on kiehtonut monia scifi-kirjailijoita.
Aionkin käsitellä vielä tätä teemaa sarjan toisessa osassa. Siis jos aihe
kiinnostaa, niin kannattaa kurkata tänne vielä hetken päästä uudestaan.