Ilmatieteen laitoksen perustaja – Johan Jakob Nervander: fyysikko ja runoilija
Ilmatieteen laitoksen edeltäjä Magneettinen observatorio sai toimiluvan Venäjän Keisari Nikolai I:n käskykirjeellä vuonna 1838. Observatorio kuului Helsingin yliopiston alaisuuteen. Sen tehtävänä oli havaita maapallon magneettisia vaihteluja yhdessä meteorologisten ilmiöiden kanssa. Magnetismi oli 1800-luvun alussa fysiikan tutkimuksen keskeisiä kohteita. Helsingin magneettisen observatorion kaltaisia havaintoasemia perustettiin ympäri maapalloa kymmenittäin.
Observatorion ensimmäinen johtaja oli yliopiston fysiikan professori Johan Jakob Nervander (1805–1848). Hän oli 1800-luvun alussa Runebergiin ja Snellmaniin verrattava keskeinen kulttuuripersoona. Monilahjainen Nervander pyrki aluksi runoilijaksi Runebergin tapaan, mutta siirtyi sitten fysiikan puolelle. Nervander oli ensimmäinen suomalainen tiedemies, joka sai merkittäviä tutkimustuloksia uuden modernin tieteenhaaran, sähkömagnetismin, alalla.
Magneettinen observatorio muutettiin vuonna 1881 Suomen Meteorologiseksi päälaitokseksi, kun sen tehtävien painopiste oli siirtynyt käytännöllisempään suuntaan ilmatieteiden puolelle. Uusi isäntälaitos oli Suomen tiedeseura. Laitoksen johdolla havaittiin ilmastollisia muutoksia koko Suomen alueella. Yleisölle suunnattuja säätiedotteita alettiin julkaista sanomalehdissä 1880-luvun alussa, mutta etukäteen laadittuja päiväkohtaisia sääennusteita toimitettiin myös viralliseen almanakkaan. Niissä vanhaa tapaa noudattaen ennusteet perustuivat Kuun jaksollisiin vaiheisiin. Päivittäisiä säätietoja vastaanotettiin ja lähetettiin lennättimellä naapurimaiden kesken.
Suomen itsenäistyttyä laitoksesta tuli ministeriön alainen virasto, Ilmatieteellinen keskuslaitos. Nykyinen Ilmatieteen laitos sai nimensä vuonna 1968. Sen moninaisten tehtävien lisäksi laitokselle kuuluu edelleenkin magneettisten havaintojen ja siihen liittyvien tutkimuksien tekeminen osana laajaa kansainvälistä avaruussään reaaliaikaista seurantaa.
Magneettinen observatorio perustetaan
Nykyisen Ilmatieteen laitoksen vanhin organisatorinen muoto oli ”Magneettinen Observatorio” Suomen keisarillisessa Aleksanterin yliopistossa (nykyisin Helsingin yliopisto). Observatorio perustettiin vuonna 1838 ja säännölliset magneettiset ja meteorologiset observatoriohavainnot alkoivat 1844 Kaisaniemen puiston laidalla sijainneessa C.L. Engelin suunnittelemassa observatoriorakennuksessa. Observatorion johtajaksi nimitettiin fysiikan professori Johan Jakob Nervander (1805–1848).
Helsingin magneettisen observatorion perustaminen oli osoitus 1800-luvun kansainvälisen tiedeyhteisön kiinnostuksesta uuteen mullistavaan tieteenalaan, sähkömagnetismiin ja sen sovellutuksiin maapallon magneettisuuden tutkimuksissa. 1800-luvun puoliväliin mennessä Euroopassa oli toiminnassa useita kymmeniä tämän alan observatoriota. Nykyisin vastaavia havaintoyksikköjä on lähes 200. Lisäksi toiminnassa on lukuisia magnetometriverkkoja automaattisilla magnetometreillä varustettuna osana maapallon reaaliaikaista avaruussäätutkimusta.
Maan magneettikentän syyt olivat tuon ajan tieteelle suuri selvittämätön kysymys. Sähkömagnetismin avulla ajateltiin saatavan lopullinen selvyys geomagnetismin alkuperästä ja maan magneettikentän vaihteluiden syistä. Jo observatorion perustamisen aikoina tiedettiin, että maapallon magneettikentän ajalliset vaihtelut vuorokauden aikana seuraavat pääpiirteissään ilman keskimääräistä lämpötilan kehitystä. Tiedeyhteisön selitys näille havainnolle oli se, että maapallon magneettisuuden ja ilman lämpötilan vaihtelut ovat auringon lämpösäteilyn aikaansaannoksia ja siksi niitä havaittiin saman observatorio-ohjelman puitteissa. Helsingin magneettisen observatorion nimeksikin vakiintui Euroopan muiden vastaavien observatorioiden mukaan ”Magneettinen ja meteorologinen observatorio”. Tämän päivän Euroopassa useiden maiden ilmatieteelliset laitokset perustettiin 1800-luvulla alun perin magneettis-meteorologisina observatorioina.
Aloitteentekijänä Helsingin observatoriohankkeessa oli Adolf Kupffer (1799–1865), Venäjän keisarillisen tiedeakatemian professori. Hänen johdollaan oli Venäjälle perustettu 1830- ja 1840-luvuilla useita magneettis-meteorologisia observatorioita osana kansainvälistä observatoriohanketta Siinä tärkein vaikuttaja oli maailmankuulu saksalainen luonnontutkija Alexander von Humboldt (1769–1859), joka oli tehnyt 1700- ja 1800-lukujen vaihteessa uraauurtavia maantieteellisiä ja geofysikaalisia tutkimusmatkoja eri puolilla maapalloa. Von Humboldt oli aloittanut säännölliset magneettisten havainnot Berliinin observatoriossa vuonna 1828. Von Humboldtin vaikutusvallalla saatiin magneettinen ja meteorologinen observatoriotoiminta käyntiin uudella tavalla myös Isossa-Britanniassa ja Ranskassa.
Kupffer teki vuonna 1836 ehdotuksen Helsingin yliopiston rehtorille observatorion perustamisesta. Silloin Nervander oli jo mukana hankkeessa. Tärkeä henkilö observatorion perustamisvaiheessa oli keisarin Suomen asiain esittelijä, ministerivaltiosihteeri Robert H. Rehbinder (1777–1841). Hänen kauttaan kulkivat kaikki Yliopistoa koskevat hankkeet keisarin päätettäväksi. Keisarille tehtävää esittelyä varten Rehbinder ja Kuppfer sekä fysiikan professorit Hällström ja Nervander laativat suunnitelman magneettisen ja meteorologisen observatorion perustamisesta Suomeen osaksi Venäjän havaintoverkkoa.
Nervander oli omaksunut magneettisten ja meteorologisten mittauksien uudenaikaisimmat menetelmät laajalla opintomatkalla Euroopan tieteen tärkeimpiin keskuksiin vuosina 1832–1836.
Keisari Nikolai I:n allekirjoittaman perustamisdokumentin mukaan magneettisen observatorion perustamiskustannukset määrättiin otettavaksi Yliopiston uudisrakennus-rahastosta, joka käsitti miljoonia ruplia. Helsingin keskustan monumentaalilaitosten rakentaminen oli tuolloin kiivaassa vaiheessa. Samoihin aikoihin valmistui Engelin johdolla Yliopiston kirjasto ja tähtitieteellinen observatorio, mutta magneettinen observatorio joutui silloisen Helsingin periferiaan Kaisaniemen puiston laidalle.
Helsingin magneettinen observatorio osana maailmanlaajuisesta havaintoverkosta
1800-luvulla kaikissa magneettis-meteorologisissa observatorioissa eri puolilla maapalloa oli käytössä varsin yhtenäinen instrumentointi ja samanlaiset havainto-ohjelmat. Tällä menettelyllä kaikki havaintoaineistot olivat paremmin vertailukelpoisia keskenään. Laitekehittelyn edelläkävijä oli matemaatikko C. F. Gaussin (1777–1855) ja fysiikan professori W. Weberin (1804–1891) magneettinen observatorio Saksan Göttingenissä. Sieltä hankittiin kaikki Helsingin observatorion magneettiset instrumentit. Göttingenin mallin mukaiset havaintomenetelmät omaksuttiin rutiinikäyttöön aikansa geomagneettisessa tiedeyhteisössä.
Gaussin ja Weberin johdolla ylläpidettiin 1830- ja 1840-luvulla erityistä kansainvälistä ”Magneettista yhdistystä”, jonka julkaisuissa esitettiin yksityiskohtaisia kuvauksia magneettisista laitteista ja havaintomenetelmistä sekä havaintotuloksia. Magneettisen yhdistyksen havainto-ohjelmaan kuului kymmeniä havaintopaikkoja Euroopassa ja muualla maailmassa. Havainnoissa noudatettiin Göttingenin kellonaikaa samaan tapaan kuin nykyään käytössä olevaa koordinoitua yleisaikaa (UTC).
Nervanderin johdolla käynnistetty magneettis-meteorologinen observatorio oli Suomessa ensimmäinen todellinen monikansallinen tutkimusprojekti osana pysyvää kansainvälistä havaintoverkkoa. Nervanderin tutkimuksia ja laitekehittelyjä arvostettiin alan kansainvälisessä tiedeyhteisössä ja hänet kutsuttiin Venäjän keisarillisen tiedeakatemian jäseneksi vuonna 1844. Lisäksi Nervanderille myönnettiin tieteellisistä ansioista Venäjän tiedeakatemian palkinto.
Observatorion havainto-ohjelma
Magnetismin tutkimuksissa havaintokohteina olivat maan magneettikentän suunnan ja voimakkuuden vaihtelut. Meteorologiassa seurattiin ilman lämpötilaa, ilmanpaineen ja tuulen voimakkuutta ja suuntaa, pilvisyyttä ja sademääriä. Havainnot tehtiin 10–20 minuutin väliajoin. Vuorokaudessa havaintoja kertyi yli 700. Havainto-ohjelma oli siis varsin vaativa ja työläs. Havainnontekijöinä oli 10–12 ylioppilasta, jotka tekivät mittauksia vuorotyönä kellon ympäri vuoden jokaisena päivänä 2–3 tunnin työrupeamina.
Helsingin magneettisessa observatoriossa tiedot magneettikentän muutoksista perustuivat ripustuslangan varassa kääntyvän magneetin suunnan muutoksiin magneettikentän voimakkuuden vaihdellessa. Suunnan muutoksia seurattiin kaukoputkella asteikolta, joka heijastui havaitsijalle magneettiin kiinnitetyn peilin kautta noin 5 metrin etäisyydeltä. Magneetit olivat kookkaita ja painavia: noin yli puoli metriä pitkiä ja noin kahden kilon painoisia. Mitään havaintoautomatiikkaa ei ollut vaan jokaisen havainnon takana oli tehtävään koulutettu henkilö.
Magneettiset havainnot jatkuivat Helsingin magneettisessa observatoriossa lähes katkeamattomasti yli 60 vuoden ajan vuoteen 1910 saakka. Magneettiset mittaukset lopetettiin vuonna 1910, kun lähiseudun sähköraitiotieliikenne häiritsi herkkiä magneettisia mittauksia.
Magneettisen observatorion toimintakaudelta 1844–1910 kertyi yhteensä noin kolme miljoonaa lukemaa. Kaisaniemessä ilmatieteellisiä havaintoja on jatkettu aina nykyaikaan saakka. Kaisaniemen sääaseman havainnot edustavat maamme vanhinta yhtäjaksoista havaintosarjaa, kestoltaan yli 180 vuotta. Mittaukset tarjoavat arvokasta tietoa esimerkiksi ilmastonmuutoksen hitaista vaihteluista.
Lähes kaikki 1800-luvulla tehdyt magneettikentän mittaukset olivat aluksi vain alkuperäisissä havaintovihoissa ja niitä säilytettiin koskemattomina laitoksen arkistossa. 1990-luvulla Ilmatieteen laitoksella käynnistettiin hanke, jonka tavoitteena oli taltioida Helsingin magneettisen observatorion julkaisemattomat magneettiset havainnot tietokantaan nykyaikaisten digitaalisten aineistojen yhteyteen. Työn edistyessä kävi selväksi, että magneettisten havaintojen taso on korkea ja mittaukset on tehty huolellisesti. Ensimmäiset aikasarja-analyysit vahvistivat sen, että Helsingin havaintosarjasta välittyvät magneettikentän ajalliset vaihtelut luotettavasti.
Helsingin magneettisen observatorion magneettisten vaihtelujen havaintosarja on tieteellisesti merkittävä, koska 1800-luvulta ei ole muista observatorioista säilynyt samanlaisia korkeatasoisia havaintoaineistoja yhtä pitkältä yli puolen vuosisadan ajalta. Vastaavanlaista magneettista havaintomateriaalia 1800-luvulta on olemassa eräissä eurooppalaisissa observatorioissa, mutta niitä ei ole systemaattisesti taltioitu tutkimuksissa käytettävään muotoon. Pisin yhtenäinen havaintosarja on olemassa Greenwichin observatoriosta Englannissa. Se sisältää havaintoja vuodesta 1868 lähtien nykyaikaan saakka. Kun siihen yhdistetään Helsingin magneettiset havainnot 1844–1868, saadaan yli 180 vuotta pitkä havaintosarja, joka on pisin käytettävissä oleva magneettikenttäaineisto.
Sitä on käytetty lähdeaineistona useissa kymmenissä kansainvälisissä tieteellisissä julkaisuissa. Helsingin 1800-luvun magneettikentän aineistokokonaisuus tunnetaan alan kirjallisuudessa nimellä ”The Helsinki Extension”. Aineisto soveltuu hyvin magneettisten myrskyjen ja yleensä avaruussään häiriöisyyden tilastollisten tarkastelujen materiaaliksi. Magneettisella myrskyllä tarkoitetaan maapallon magneettikentän häiriötilaa, jolloin aikamuutokset poikkeavat suuresti normaalista vaihtelusta. Myrskyjen syynä. ovat auringosta purkautuvat sähköisesti varautuneet hiukkaset, jotka kulkeutuvat aurinkotuulen mukana maapallon magneetti- ja ionikehiin aiheuttaen siellä voimakkaita sähkövirtoja. Kyseisiä muutoksia kutsutaan avaruussääksi. Sen tunnetuin ja näyttävin ilmenemismuoto on revontulet. Suurimmilla avaruussään häiriöillä on haittavaikutuksia muun muassa maata kiertäville tietoliikennesatelliiteille. Siksi esimerkiksi Ilmatieteen laitos ylläpitää avaruussään jatkuvaa seurantaa yhdessä avaruusalan organisaatioiden kanssa.
Nervanderin tieteelliset tutkimukset
Nervanderin tieteelliset tutkimukset liittyivät sähkömagnetismiin, magneettisiin ja meteorologisiin havaintoihin sekä laiterakentamiseen. Hänen väitöskirjansa vuodelta 1829 käsittelee sähkövirran synnyttämiä magneettisia vaikutuksia. Tutkimus liittyy aikansa uusimpaan fysiikkaan sähkömagnetismin alalla. Sähkömagnetismin kokeelliset ja teoreettiset peruslainalaisuudet keksittiin vain vajaa vuosikymmen aikaisemmin, vuonna 1820, mutta jo Nervanderin aikana ja paljon sen jälkeenkin sähkömagnetismin tutkimus ja sen tekniset sovellutukset olivat 1800-luvun keskeisintä fysiikan tutkimusaluetta. Ensimmäisiä merkittäviä alan keksintöjä oli tiedonvälityksen mullistanut sähkölennätin, joka oli laajassa käytössä jo 1800-luvun puolivälissä.
Nervander kehitti tutkimuksiensa pohjalta tarkan sähkövirran mittauslaitteen eli galvanometrin, jonka toimintaperiaatteet on kuvattu Pariisin tiedeakatemian julkaisusarjassa vuonna 1833. Laitteesta on Teknillisen korkeakoulun diplomityönä tehty toimiva rekonstruointi ja tieteellisiä julkaisuja.
Nervanderin julkaisutoiminta oli laaja. Tutkimuksien aihepiiri sekä käytetyt metodit olivat ajanmukaisia. Tutkimuksien aihepiirit keskittyivät myös geomagnetismin ja meteorologisten ilmiöiden välisiin suhteisiin. Näillä valinnoilla Nervander halusi korostaa uuden magneettis-meteorologisen observatorionsa tieteellistä merkitystä.
Nervanderin oma työpanos maamme tieteen hyväksi päättyi liian aikaisin, sillä hän kuoli 43-vuotiaana vuonna 1848 vain kymmenen vuotta magneettisen observatorion perustamisen jälkeen. Nervanderin työn pysyvin jälki oli maamme ilmatieteellisten ja magneettisten havaintojen systemaattinen toteuttaminen ja observatoriotoimintojen vakiinnuttaminen.
Nervanderin johtajakaudella ja sen jälkeenkin 1800-luvulta 1900-luvun alussa Ilmatieteen laitoksen henkilökunnan määrä oli vain muutamia kymmeniä. Nykyään Liikenne- ja viestintäministeriön alaisella laitoksella on noin 700 työntekijää ja useita toimipisteitä eri puolilla Suomea.
Nervander runoilijana
Tänä päivänä J. J. Nervander on yleisön tietoisuudessa jäänyt enimmäkseen unohduksiin, mutta 1800-luvun historiassa hänet muistetaan myös lyyrikkona. Siinä hänet rinnastetaan kansallisrunoilija J.L. Runebergiin (1804–1877). Runeberg ja Nervander olivat opiskelutovereita ja läheisiä ystäviä. Molemmat julkaisivat runomuotoisia teoksiaan 1820-luvun lopussa. Sekä Runeberg että Nervander palkittiin kirjallisista töistään Ruotsin akatemian myöntämällä kultamitalilla. Nervanderin suppea kaunokirjallinen tuotanto on kuitenkin jäänyt Runebergin varjoon ja unohduksiin. Hän luopuikin runoilijan urastaan kokonaan jo 1830-luvun alussa ja keskittyi sen jälkeen vain fysiikkaan.
1830-luvun alussa Nervander ja Runeberg olivat myös ajankohtaisen yhteiskunnallisia aiheita käsittelevän keskustelufoorumin Lauantaiseuran ja Suomalaisen kirjallisuuden seuran perustajajäseniä. Nervander oli myös Suomen ensimmäisen yleistieteellisen seuran Suomen tiedeseuran perustajajäsen vuonna 1838. Hänellä oli myös näkyvä poliittinen rooli maamme autonomian alkuaikojen kulttuuri- ja yliopistomaailmassa. Johan Jakob Nervander oli aikanaan arvostettu monipuolinen tiedemies ja kulttuuripersoonallisuus. Ilmatieteen laitoksessa arvostetaan Nervanderin uraauurtavaa tieteellistä työtä ja saavutuksia alan tiedeyhteisön nykyajan toimintojen lähtökohtana.
Kirjoittaja on tietokirjailija ja Helsingin yliopiston geofysiikan dosentti
Kirjallisuutta
Markkanen, T., 2007. Johan Jakob Nervander – kulttuurin moniottelija. Tieteessä Tapahtuu, 2/07, 30-34,
http://ojs.tsv.fi/index.php/tt/article/view/97
Nevanlinna, H., 2004. Results of the Helsinki magnetic observatory 1844-1912. Annales Geophysicae, 22, 1691–1704.
Nevanlinna, H., 2011. Magneettiset havainnot Helsingin magneettis-meteorologisessa observatoriossa 1844–1910. Ilmatieteen laitos – Raportteja 2011:4, 54 s.
Nevanlinna, H., 2014. On the early history of the Finnish Meteorological Institute. History of Geo- and Space Sciences. 5, 75-80.
Nevanlinna, H., 2021. Ilmatieteiden vaiheita ja vaikuttajia Suomessa. Suomen Tiedeseura, Bidrag till kännedom av Finlands natur och folk, No. 215, 341 s.
Snellman, J.V., 1850. Skrifter af Johan Jakob Nervander. Teoksessa ”J.V. Snellmanin kootut teokset”, 12, s. 228–246, www.snellman200.fi/kootut_teokset/osat/osa12.jsp.
Steinby, T., 1991. J. J. Nervander (1805-1848), Föreningen Konstsamfundets Publikationserie XI, Helsingfors,
386 s.
Venermo, J. and Sihvola, A., 2008. The tangent galvanometer of Johan Jacob Nervander. IEEE Instrumentation & Measurement Magazine. June 2008, 16–23.
