Joulun kunniaksi kerron maailman masentavimmasta ja lannistavimmasta tiedelaitteesta.
Pääsin aiemmin tänä vuonna työpätkällä tutustumaan Brewer-spektrofotometriin. Brewer on auringon ultraviolettimittausten Ferrari ja Rolls Royce yhtä aikaa. Niitä on koko maailmassa käytössä korkeintaan sata.
Tiiviisti: jos olet ultraviolettisäteily, Brewer tietää sinusta kaiken. Se pystyy muutamassa minuutissa skannaamaan puolen nanometrin tarkkuudella alle 290 nm aallonpituudesta (UVB) aina yli 340 nm taajuuteen (lähes näkyvää valoa). Laitteiston pystyy automatisoimaan lähes täysin.
Laite täytyy kuitenkin osata kalibroida. Ja tässä vaiheessa huoneeseen astuu ankeuttaja. Käytännön tasolla kalibrointi voidaan tehdä riittävällä tarkkuudella. Filosofisella tasolla se kuitenkin epäonnistuu aina.
Miksi kaikki näyttää hyvältä?
Periaatteessa Brewer on yksinkertainen laite. Se antaa ulos lukeman counts (C) joka riippuu sensorille osuvien fotonien määrästä. Säteilystä halutaan kuitenkin tietää sen irradianssi I, jonka dimensiot ovat W/m2/nm. Jotta muunnos voidaan tehdä, täytyy tuntea sensorin vaste R (yksikkö counts/(W/m2/nm)). Siis
I=C/R.
Pettävän yksinkertainen kaava. Vaste R voi kuitenkin muuttua kun laite ikääntyy. Miten se voidaan mitata? Yksinkertaista: etsitään ultravioletti-taikalamppu, jonka todellinen absoluuttinen irradianssi I0 tunnetaan tarkasti. Laitetaan se pärisemään Brewerin suuntaan ja mitataan countsit C0. Silloin
R=C0/I0.
Tästä ei tiede yksinkertaisemmaksi tule.
Miksi kaikki silti epäonnistuu?
Voi kunpa se olisikin noin helppoa. Valitettavasti tuollaista taikalamppua ei ole olemassa. Minkään todellisen lampun irradianssi I0 ei pysy täysin vakiona. Aina kun lamppua poltetaan, se mätänee hiukan (käytännössä himmenee). Tavallisissa hehkulampuissakin efektin näkee, mutta Brewerin testilampuissa se on vielä vahvempi.
Taikalamppu voidaan viedä standardilaboratorioon, jossa sen todellinen irradianssi määritellään. So far so good. Mutta miten Brewer sitten saadaan kalibroitua ja R mitattua? Aivan oikein, polttamalla testilamppua ja mittaamalla countsit. Jolloin lamppu mätänee taas.
Periaatteessa, aivan hetken aikaa, tiedämme mikä Brewerin vaste R todella on. Mutta samalla hetkellä olemme hukanneet tiedon siitä, mikä taikalampun todellinen irradianssi I0 on. Kun seuraavan kerran yritämme kalibroidan Brewerin, emme enää tiedäkään varmuudella taikalampun todellista irradianssia.
Käytännössä taikalamppu viedään standardilaboratorioon kalibroitavaksi noin kerran vuodessa. Vuodessa on siis vain yksi juhlapäivä jolloin kaikki on hyvin ja kaikki tiedetään tarkkaan.
Väliaikoina kalibrointeja tehdään noin kuuden viikoin välein, jotta voidaan varmistua että laite on kunnossa. Taikalamppu mätänee kuitenkin jok’ikinen kerta. Mitä useammin kalibroidaan, sitä varmemmin tiedetään että laite pysyy kalibroituna taikalamppua vasten. Sitä huonommin kuitenkin tiedetään, onko taikalamppu itse enää kalibroituna mitään vasten.
Miksi kaikki on vielä pahempaa?
Jos maailma olisi hyvä, irradianssi laskisi lineaarisesti ja olisi mahdollista käyttää hyvin yksinkertaisia oletuksia. Jos se oli tammikuussa 2009 10.4 mW/m2/nm ja tammikuussa 2010 vain 10.2, niin kesäkuussa 2009 se olisi ollut 10.3. Todellisuudessa maailma ei ole hyvä, vaan irradianssi laskee epälineaarisesti. Lamppu vaimenee tietyn prosenttimäärän kun sitä poltetaan. Tämä hankaloittaa kaikkea.
Tämäkin on oikeastaan vasta masennuksen pintaraapaisu. Ei riitä että lamppu mätänee; se voi mädäntyä eri määriä eri aallonpituuksilla. Hyvässä Brewerissä voi olla yli sata aallopituuskanavaa, joista jokainen reagoi hiukan eri tavalla; vaste R(λ) pitää tehdä jokaiselle aallonpituudelle λ erikseen. Mutta miten pitää tulkita, jos vaikkapa 301 nm kohdalla vaste on noussut, mutta 301.5 nm kohdalla laskenut? Ken tietäisi.
Näihin ongelmiin on toki vuosien varrella kehitetty ratkaisuja. Käytännössä esimerkiksi poltetaan useita taikalamppuja kerralla, ja keskiarvoistetaan. Tällöin yhden lampun hajoaminen ei tuhoa koko mittaussarjaa. Perusongelmaa tämäkään ei poista: jokainen lamppu mätänee eri tavalla, ja mitä useammin niitä käytetään, sitä enemmän ne mätänevät.
Olen päässyt elämäni aikana tekemään monenlaisia tutkimushommia. Brewer-kalibrointi saattaa hyvinkin olla niistä toistaiseksi filosofisesti masentavin ja henkisesti hienoin.
Hyvää joulua kaikille, ja muistakaa, että joka kerta kun poltatte jouluvaloja, ne mätänevät hiukan.
Lisää epämääräistieteisiä kirjoituksia: WeirdMath. Lisää yleisnyrjähtäneitä kirjoituksia: Perjantaikirjoituksia.
