Teema 8.11.2018

Droonit – meteorologian pienet apulaiset

Ilmatieteen laitos hyödyntää drooneja sää- ja ilmakehätiedon mittaamisessa sekä tutkimuksessa. Kauko-ohjattavat miehittämättömät lennokit eli droonit ovat huokeita ja monikäyttöisiä, ja ne tuottavat reaaliaikaista dataa ilmakehän alaosasta.

Ilmatieteen laitos havainnoi drooneihin kiinnitetyillä mittausantureilla säämuuttujia, kuten lämpötilaa, tuulta, ilmanpainetta ja kosteutta, ilmakehän alaosassa aina kahden kilometrin korkeuteen saakka. Ilmanlaatu- ja ilmastotutkimuksessa drooneilla mitataan pienhiukkasten ja kaasujen pitoisuuksia. Mittaustoiminta keskittyy Suomeen sekä polaarialueille, jotka ovat äärimmäisen herkkiä ilmastonmuutokselle.

Ilmakehän meteorologisia profiilihavaintoja on perinteisesti tehty radioluotauksilla. Ilmatieteen laitos tekee luotauksia kahdella paikkakunnalla, Jokioisissa ja Sodankylässä, yhteensä kuusi kertaa vuorokaudessa. Luotauksilla saadaan havaintoja tavallisesti 25 kilometrin korkeuteen asti. Drooneilla ei ylletä samoihin korkeuksiin, mutta niillä saadaan havaintoja jopa kahdesti tunnissa. Mittalaitteita voidaan myös käyttää yhä uudelleen.

”Droonien keskeinen hyöty kustannusten alenemisen lisäksi on reaaliaikaisen datan saanti ilmakehästä eri korkeuksilta, mikä parantaa sään tilannekuvaa, ennusteiden osuvuutta ja esimerkiksi ilmailun turvallisuutta ja sujuvuutta”, sanoo havaintoyksikön päällikkö Juhana Hyrkkänen Ilmatieteen laitokselta.

Autonomista järjestelmää testataan Jokioisissa ja Sodankylässä

Ilmatieteen laitoksella selvitetään parhaillaan, miten ilmakehästä saataisiin jatkuvatoimisia havaintoja autonomisella eli ilman lennättäjää toimivalla droonijärjestelmällä. Autonomisen droonin soveltuvuutta Suomen sääolosuhteisiin testataan Jokioisissa ja Sodankylässä tänä ja ensi vuonna. Droonin tekemiä havaintoja voidaan verrata sääasemien tuottamaan viralliseen mittaustietoon.

Lämpötilamittauksia Pallakselta vuodelta 2017. Keltaisella luotauksen, punaisella Ilmatieteen laitoksen droonin ja sinisellä kyproslaisen kumppanilaitoksen mittaustuloksia.

”Haluamme selvittää, miten erilaiset mittalaitteet toimivat drooneissa”, kertoo teknologiapäällikkö Jani Gustafsson Ilmatieteen laitokselta.

”Käytössämme on maailmanlaajuisestikin täysin ainutlaatuinen droonijärjestelmä, jonka kypsyyttä testaamme ja jota kehitämme yhteistyössä laitevalmistajan kanssa”, lisää ilmakehän profiilimittauksista vastaava ryhmäpäällikkö Anne Hirsikko.

Autonomisella droonilla on telakointiasema, josta se nousee ilmaan. Järjestelmä voidaan ohjelmoida esimerkiksi tekemään pystyprofiilimittauksia puolen tunnin välein. Tässä testivaiheessa drooni nousee 500 metrin korkeuteen ja palaa takaisin telakoitumisasemalleen vaihtamaan uuden akun. Ilmatieteen laitos käyttää RumbleTools-nimisen yrityksen autonomista droonijärjestelmää, johon mittalaitteet on toimittanut Vaisala.

Droonit ovat huokeita – ja sääherkkiä

Ilmatieteen laitoksen havaintoyksikkö on hyödyntänyt kuvausdrooneja jo muutaman vuoden ajan. Niiden avulla on kartoitettu esimerkiksi uusia säätutkapaikkoja. Myös tutkimuksen toimialoilla ja Etelämantereen retkikunnalla on käytössään drooneja. Yhteensä Ilmatieteen laitoksella on kymmenkunta erilaista lennokkia.

Droonit ovat huomattavasti edullisempia kuin Ilmatieteen laitoksen nykyinen luotausjärjestelmä. Lennokkien käytöllä on muitakin etuja: niiden lentoradat pystytään ohjelmoimaan, ne saadaan pysymään halutussa paikassa ja mittauksia voidaan tehdä myös horisontaalisesti. Horisontaalisia havaintoja voidaan hyödyntää esimerkiksi ilmanlaatua tai päästöjen leviämistä monitoroitaessa. Droonit ovat osoittautuneet erityisen hyödyllisiksi niin kutsutuissa pystyprofiilimittauksissa.

Droonien lentoradat pystytään ohjelmoimaan ja mittauksia voidaan tehdä horisontaalisesti.

”Lennokkien avulla saadaan kamerakuvaa sekä havaintoja aerosolihiukkasten ja pilvipisaroiden mikrofysikaalisista ominaisuuksista, joita muut käytössä olevat uudet profiloivat havaintomenetelmät eivät pysty tuottamaan”, Anne Hirsikko sanoo.

Droonien propellit sekoittavat ilmaa, joten mittalaitteet täytyy sijoittaa siten, että droonin itsensä aiheuttama pyörteisyys on mahdollisimman pientä. Myös Suomen ilmasto aiheuttaa haasteita lennokeille, ja esimerkiksi kova sade, tuuli tai jäätäminen rajoittavat niiden käyttöä. Teknologiapäällikkö Jani Gustafssonin mukaan Ilmatieteen laitokselle droonit ovatkin vielä tällä hetkellä muuta tekniikkaa täydentäviä laitteita.

Ilmatieteen laitokselle on perustettu UAV (Unmanned Aerial Vehicle) -tiimi, joka koordinoi ja kehittää talon droonitoimintaa ja luo turvallista lennättämisen toimintakulttuuria.

”Lisäksi yksi keskeisimmistä tavoitteista on edistää kansallista ja kansainvälistä drooniyhteistyötä. Yhteistyöllä saamme aikaan nopeampaa teknologista kehitystä sekä vaikuttavampaa tutkimusta ja havaintotuotteita”, Anne Hirsikko tiivistää.

UAV-tiimi pyrkii myös kehittämään droonihavainnoista itsestään arvokkaita lopputuotteita, jotka parantaisivat esimerkiksi sääpalvelun tilannekuvaa ilmakehän tilasta. Tiimi on myös mukana liikenne- ja viestintäministeriön 5GMomentum-hankkeessa, jossa kokeillaan droonien käyttöä tieväylien kunnon ja olosuhteiden havainnoinnissa sekä meteorologisissa ja aerosoli- ja radioaktiivisuuden mittauksissa. Hankkeen keskiössä on selvittää, miten esimerkiksi droonin keräämää suurta tietomäärää voidaan ketterämmin siirtää 5G-verkon avulla.

Tutkimustietoa pienhiukkasista ja arktisilta alueilta

Ilmatieteen laitoksen tutkija David Brus teki ensimmäiset aerosolimittaukset droonilla vuonna 2015. Brus korostaa droonien kustannustehokkuutta suhteessa lentokoneisiin, joita aikaisemmin vuokrattiin vastaavien profiilihavaintojen saamiseksi.

”Droonit ovat huokea ja nopea tapa tehdä pystyprofiilimittauksia aina kahteen kilometriin saakka. Luotauspallot nousevat kertaluonteisesti todella korkealle, mutta drooneilla voi tehdä vaikka kuinka monta lentoa tahansa”, Brus havainnollistaa.

Ilmatieteen laitoksen tutkija David Brus osallistui heinäkuussa 2018 miehittämättömillä lennokeilla toteutettuun lentoviikkoon Coloradossa, Yhdysvalloissa.

Brus käyttää lennokkeja ilmakehässä olevien pienhiukkasten ja kaasujen pitoisuuksien ja ominaisuuksien kartoittamiseen, sekä pilvien tutkimiseen. Hiljattain hän kartoitti droonikuvauslennoilla Kirgisian jäätiköitä. Brus on osallistunut useisiin mittauskampanjoihin Sammaltunturilla Pallaksella, jossa tutkimusdroonin käyttöön on varattu seitsemän kertaa seitsemän kilometrin kokoinen ja kaksi kilometriä korkea alue. Alue sijaitsee Ilmatieteen laitoksen Sammaltunturin tutkimuskeskuksen lähistöllä ja se on syrjäinen, joten lennättäminen on erittäin turvallista. Droonien lennättämiseen tarvitaan aina lupa Trafilta.

Myös Ilmatieteen laitoksen tutkimusprofessori Timo Vihma hyödyntää drooneja työssään. Vihma tutkii erityisesti Arktiksen ja Antarktiksen säätä ja ilmastoa. Seuraavan kerran hänen projektinsa tutkija Gabin Urbancik matkustaa Etelämantereelle marraskuun loppupuolella, ja retkiseurue pakkaa matkaan mukaan lennokkeja.

”Drooneja voidaan hyödyntää erityisesti ilmakehän rajakerroksen eli alimman kilometrin tutkimiseen sekä lumen ja jään tutkimiseen. Lennokilla voi mitata esimerkiksi lumen pinnan heijastavuutta”, Vihma selittää.

Erikoistutkija Priit Tisler ja Vihma ovat osallistuneet lukuisiin kansainvälisiin projekteihin, joihin on sisältynyt droonitoimintaa. Vihma oli mukana myös Arktisen neuvoston alaisessa työryhmässä, jossa selvitettiin lennokkien käyttöä Arktiksella teknisestä ja lainsäädännöllisestä näkökulmasta. Vihman mukaan drooneista voisi olla hyötyä monilla muillakin luonnontieteen aloilla meteorologian lisäksi.

”Lennokkeja voivat hyödyntää kaikki, jotka tutkivat maapallon pintaa, oli tutkimuskohteena sitten lumi, jää, meri, metsä tai muu kasvipeite.”

 

Ilmatieteen laitoksen drooniryhmän videoita voi katsella YouTubessa FMI-drone-kanavalla.