Professori Heikki Haario ja lehtori Tuomo Kauranne
Suomen Akatemia valitsi Lappeenrannan teknillisen yliopiston sovelletun matematiikan laboratorion huippuyksiköksi vuosiksi 2006-2011. Laboratorio on osa Suomen inversio-ongelmien huippuyksikköä, johon kuuluu yksiköitä kuudesta Suomalaisesta yliopistosta. LUT:n huippuyksikköä luotsaa professori Heikki Haario. Tutkimusryhmään kuuluu lisäksi matematiikan tutkijaopettaja Tuomo Kauranne sekä alan jatko-opiskelijoita.
− Inversio-ongelmien tutkiminen yhdistää matematiikkaa, fysiikkaa ja tilastotiedettä. Tutkimuksella pyritään saamaan matemaattisten mallien avulla tietoa epäsuorista, puutteellisista tai mittausvirheitä sisältävistä havainnoista. Inversio-ongelmien tutkimuksen tuottamaa tietoa voidaan soveltaa muun muassa lääketieteellisessä kuvantamisessa, kuten tietokonetomografiassa, ilmakehän kaasujen tutkimuksessa tai teollisuudessa materiaalien testauksessa, kertoo Haario.
Mukana ilmastonmuutostutkimuksessa
LUT:n inversioyksikössä tehdään teoreettista tutkimusta, joka liittyy tilastolliseen inversiotutkimukseen.
− Tutkimme kuinka luotettavia epälineaaristen ja jopa kaoottisten mallien ennusteet ovat. Siitä osaamisesta olemme tunnettuja maailmalla, Haario kertoo.
Yksikön osaamista sovelletaan ilmakehämallinnukseen ja metsien kaukokartoitukseen. Ilmastotutkimuksessa yksikkö on mukana kolmella eri sektorilla; ilmastomallien luotettavuuden arvioinnissa, ilmakehän kaasukoostumuksen selvittämisessä sekä metsien hiilinielun vaikutuksen mittaamisessa. Yhteistyötä tehdään esimerkiksi Ilmatieteen laitoksen, Sodankylän observatorion ja maailman johtavan sääennustuskeskuksen ECMWF:n kanssa.
Kaasukoostumuksen mittaukset liittyvät kasvihuoneilmiön tutkimukseen.
− Maapalloa kiertävä satelliitti mittaa tähdistä tulevan valon taittumisen ilmakehässä. Mittaustiedoista lasketaan kuinka paljon otsonia ja muita kaasuja ilmakehässä on ja millä korkeuksilla, kertoo Haario.
Tutkimus poikii työpaikkoja
Maamme inversiotutkimus on synnyttänyt ympärilleen useita yrityksiä ja siivittänyt jo olemassa olevien yritysten taivalta. Insinööritoimistojen rinnalle on syntynyt matemaatikkotoimistoja, joista yksi on Joensuulainen Arbonaut. Yhtiön toimiala perustuu matematiikkaan ja sen jalostamiseen palveluiksi. 40 henkeä työllistävän yrityksen päätuote on metsien kaukokartoitus. Yrityksen perustaja ja toimitusjohtaja on LUT:n matematiikan tutkijaopettaja Tuomo Kauranne.
− Metsien puuvarannot mitataan laserkeilauksella lentokoneesta. Mittalaite lähettää maan pintaan kymmeniä tuhansia lasersäteitä sekunnissa ja rekisteröi ajan, jolla säde heijastuu takaisin maasta tai puusta. Mittaustuloksista saadaan malli, joka kuvaa maan pinnanmuotoja ja puustoa. Puulajeja ei kuitenkaan pystytä päättelemään ilman inversiomatematiikkaa. Sen avulla mittaustulokset käännetään puustoa koskevaksi arvioksi, selittää Kauranne.
Toinen laserkeilauksen sovellus on metsään sitoutuneen hiilen määrän mittaaminen. Laserkeilauksella saadaan mitattua puiden runkotilavuus. Se on tärkein suure josta hiilen määrä päätellään. Malleilla voidaan lisäksi laskea miten paljon lehdissä, neulasissa, juurissa ja karikkeessa on hiiltä.
− Mittausmenetelmällä voidaan tuottaa parhaita mahdollisia arvioita maailman puuvarannoista. Sillä on mitattu muun muassa Brasilian ja Aasian sademetsiä. Meillä on asiakkaita ympäri maailmaa kaikilla muilla mantereilla paitsi etelämantereella, kertoo Kauranne.
Poikkitieteellistä soveltamista
Teknilliseen tiedekuntaan on perustettu CEID-instituutti (Centre of Computational Engineering and Integrated Design, laskennallisen teknologian ja integroidun suunnittelun keskus), jonka tehtävänä on viedä laskennallinen tiede entistä kiinteämmin osaksi LUT:n muiden yksikköjen tutkimusta.
CEID-instituuttia johtava Heikki Haario kertoo, että kehitettäviä laskentamenetelmiä käytetään muun muassa kemian- ja konetekniikassa sekä sähkö- ja energiatekniikassa.
− Meiltä valmistuneita diplomi-insinöörejä päätyy jatko-opiskelijoiksi edellä mainituille osastoille. Laitoksemme opiskelijat ottavat sivuainepaketteja joltakin toiselta insinööriosastolta tarkoituksena oppia soveltamaan laskennallisia menetelmiä muilla insinööritieteen alueilla.
Luottavaisin mielin tulevaisuuteen
Haario kertoo, että LUT:n inversioyksikkö on hakemassa luottavaisin mielin seuraavaa viiden vuoden huippuyksikkökautta Suomen Akatemialta.
− Suomen inversio-ongelmien huippuyksikkö on maailman kärkeä ja jopa laajin tältä alalta maailmassa. Huippuyksikön skaala on laaja puhtaasta matemaattisesta teoriasta insinööritieteellisiin tekniikan aloihin. Yhteistyö huippuyksikköön kuuluvien viiden muun yliopiston kanssa on ollut tiivistä, kertoo Haario ja mainitsee, että yhteistyö juontaa juurensa opiskeluaikoihin. Yksikköjen vetäjät tutustuivat toisiinsa opiskellessaan Helsingin yliopiston matematiikan laitoksella.
Teksti: Anna-Liisa Pirhonen
Kuva: Vesa Laitinen