Keväällä 2026 on käynnistynyt hankkeen kolmas vaihe, jossa kehitetään ei-harmaita säteilymalleja sellaisiin simulointitilanteisiin, joissa esiintyy pisaroita ja hiukkasia. Tällaisia ovat esimerkiksi vesisuihkujen säteilyvaimennus ja metsien paloainekset.
Säteilylämmönsiirto tarkoittaa lämpösäteilyn syntymistä, etenemistä ja vuorovaikutusta väliaineen kanssa. Lämpösäteilyn laskentamalleja käytetään paloriskianalyysien seurausanalyyseissä ja palosimulointien osana, kun tehdään toiminnallista palosuunnittelua. Säteilyn laskenta on vuosikymmenten ajan perustunut niin sanottuun. ”harmaan aineen” malliin, jossa kaikkien säteilyn aallonpituuksien oletetaan käyttäytyvän samalla tavalla. Aalto-yliopiston tutkimushankkeissa kehitetään uusia malleja aineiden kyvylle lähettää, heijastaa ja absorboida säteilyä. Tavoite on tuottaa entistä tarkempia palosimulointeja, jotka ottavat huomioon materiaalien käyttäytymisen eri aallonpituuksilla, ja joiden avulla voidaan entistä luotettavammin simuloida palojen vaikutuksia ja niiltä suojautumista.
Tulipaloissa lämpösäteily saa aikaan paloa ympäröivien pintojen kuumenemisen ja mahdollistaa nopean palon leviämisen ja palotehon kasvun. Palotehon ennustaminen osana palosimulointia edellyttääkin kykyä laskea pintoihin kohdistuneen ja niiden sisään tunkeutuneen säteilyn teho. Pelastajien työturvallisuuden kannalta on tärkeää tiedostaa, että voimakas lämpösäteily voi vahingoittaa etäälläkin olevia kohteita. Säteilyn rajoittamiseen tähtäävien keinojen, kuten vesiverhojen ja -sumujen, laskennallisia tarkasteluja on hyödynnetty pelastustoimessa vielä varsin vähän.
artikkeli jatkuu
Säteilyn fysiikkaa
Lämpösäteily on näkyvän valon ja infrapuna-alueen aallonpituuksilla tapahtuvaa sähkömagneettista säteilyä. Kaikki aineet lähettävät (emittoivat) ja sitovat (absorboivat) säteilyä ainakin jonkin verran. Lämpötilan noustessa aineen lähettämä lämpösäteily voimistuu nopeasti, koska säteilyteho on verrannollinen (absoluuttisen) lämpötilan neljänteen potenssiin. Kaksi muuta lämmönsiirron muotoahan, johtuminen ja kuljettuminen, ovat suoraan verrannollisia lämpötilaeroon.
Lämpötilan lisäksi säteilyteho riippuu aineen optisista ominaisuuksista. Kiinteillä aineilla pinnan emissivisyys kertoo kuinka tehokkaasti se lähettää säteilyä. Pinnan kykyä sitoa säteilyä itseensä kutsutaan absorptiivisuudeksi, joka yleensä oletetaan samaksi kuin emissiivisyys; voimakkaasti säteilevä pinta myös imee siihen kohdistuvaa säteilyä. Pinnan heijastavuus taas saadaan laskutoimituksella 1 – emissiivisyys. Toisin sanoen, voimakkaasti heijastava pinta lähettää ja sitoo vain vähän säteilyä.
Kappaletta, jonka emissivisyys on 1, eli teoreettinen maksimiarvo, sanotaan mustaksi kappaleeksi. Todellisilla materiaaleilla emissivisyys on nollan ja yhden välistä, ja niitä kutsutaan usein harmaiksi. Ilmaisu viittaa siihen, että heijastavuus, ja siten myös emissiivisyys ja absorptiivisuus, eivät riipu aallonpituudesta, vaan ovat vakiota. Pinta, joka heijastaa valkoisen valon kaikkia aallonpituuksia yhtä paljon, näyttää ihmissilmään harmaalta. Lämmönsiirron kannalta näkyvän alueen ominaisuuksilla on kuitenkin vain melko vähäinen merkitys, koska suurin osa lämpöenergiasta esiintyy infrapuna-alueella, eli näkyvää valoa pidemmillä aallonpituuksilla.
Todelliset pinnat eivät ole harmaita. Optisten ominaisuuksien riippuvuutta aallonpituudesta voidaan mitata spektrofotometrian keinoin. Kuvassa 1 on esitetty mäntylaudan heijastavuus näkyvän valon ja lähi-infrapunasäteilyn alueella. Ehjä mäntylauta heijastaa 40–80 prosenttia näkyvästä valosta, mutta sitoo itseensä suuren osan pidemmistä, yli kahden mikrometrin aallonpituuksista. Hiiltynyt puupinta taas heijastaa vain pienen osan näkyvästä valosta, ja näyttää siksi katsottaessa mustalta. Pidemmillä aallonpituuksilla hiilikerros heijastaa voimakkaammin, ja sitoo itseensä vain vähän enemmän kuin ehjä lauta. Huomaamme, että hiiltymisessä tapahtuva muutos, joka ihmissilmään näyttää merkittävältä, onkin lämpösäteilyn kannalta vähäinen. Joskus hiiltynyt puupinta voi itse asiassa olla lämpösäteilyn kannalta tuoretta pintaa heijastavampi.
Myös osittain läpinäkyville aineille, kuten vaikkapa vesi, palavat nesteet, tai ilmakehä, voidaan määritellä emissiivisyys. Se riippuu vaikuttavien ainesosien ominaisuuksista ja konsentraatioista sekä aineen optisesta paksuudesta. Samoin voidaan määritellä ainekerroksen absorptiivisuus. Merkittävä aineen ominaisuus on tällöin absorptiokerroin.
Käytetään absorptiokertoimen havainnollistamiseen ainetta, jonka kanssa kaikki toimimme päivittäin. Kuvassa 2 on nestemäisen veden absorptiokerroin eri aallonpituuksilla. Katkoviivalla on lisäksi esitetty 1000 °C:n lämpötilassa olevan mustan kappaleen lähettämän säteilyn spektri. Molemmat akselit ovat logaritmiset. Nähdään, että veden absorptiokertoimen vaihteluväli on kahdeksan kertalukua. Näkyvälle valolle vesi on erittäin läpinäkyvää, sinisen valon tunkeutuessa jopa 50 metrin syvyyteen ja punaisenkin yli metrin. Kolmen mikrometrin aallot taas sitoutuvat lämmöksi noin mikrometrin paksuisessa vesikerroksessa. Spektristä näemme, että tuhat asteisen liekin säteily on voimakkaimmillaan hieman yli kahden mikrometrin aallonpituudella, jossa vesi on tehokas vaimennin. Tästä syystä vesivalelu tai pisarat tarjoavat tehokkaan suojan kuumien kappaleiden ja liekkien lähettämältä säteilyltä.
Jos nyt haluamme laskea, kuinka nopeasti liekin säteily absorboituu vesikerrokseen, voimme yrittää valita kuvan 2 käyrästöstä absorptiokertoimen, joka edustaa jotain tuhat asteisen säteilyn kannalta olennaista aallonpituutta. Kuvassa 3 on esitetty vaimenemistulokset kolmella eri absorptiokertoimen arvolla, jotka kaikki esiintyvät voimakkaan säteilyn alueella. Lisäksi on esitetty tarkka, spektrin suhteen integroimalla saatu tulos. Eri aallonpituuksilla vesi vaimentaa hyvin eri tavoin: Esimerkiksi 2,7 mikrometrin aallonpituudella, missä absorptiokerroin on 100 000 1/m, vaimeneminen tapahtuu alle 0,1 mm:n matkalla. Välillä 1,4–2 mikrometriä taas esiintyy absorptiokertoimia, jotka ovat suuruusluokaltaan 1000 1/m, jolloin yhden millimetrin syvyydellä säteilystä on jäljellä vielä 40 prosenttia. Voimme yrittää löytää jonkin keskimääräisen absorptiokertoimen arvon, jolla laskenta tuottaisi lähellä tarkkaa tulosta olevan ratkaisun, ja tällaista arvoa kutsuttaisiin harmaaksi keskiarvoksi. Harmaa, keskimääräinen kerroin olisi kuitenkin tarkka vain yhdellä ainoalla syvyydellä; muilla syvyyksillä se joko yli- tai aliarvioisi säteilyn vaimenemista, ja siten nesteen lämpenemistä. Käyrien muodosta voimme havaita, että mikään yksittäinen keskimääräisen absorptiokertoimen arvo ei tuota tarkan ratkaisun kaltaista tunkeutumiskäyrää. Funktiot ovat matemaattisesti eri muotoiset. Tämä on eksponentiaalisen vaimenemisen (tai emission) matemaattinen ongelma: eksponenttifunktioiden summa ei ole itsessään enää eksponenttifunktio.
Viime vuosikymmeninä on säteilylämmönsiirron laskennassa hyödynnetty lukuisia eri tapoja määritellä keskimääräinen eli harmaa absorptiokerroin. Mikään käytetyistä menetelmistä ei ole täysin tyydyttävä, juurikin yllä esitetystä syystä. Toisaalta laskennalliset valmiudet mahdollistavat tarkkojen ratkaisujen määrittämisen, mutta kaikkiin sovelluksiin numeronmurskaus ei sovi. Esimerkiksi kuvan 3 tarkka tulos vaatii säteilyn etenemisen laskennan hieman yli 200 eri aallonpituudella. Laskentamäärä on siis yli 200-kertainen yhtä, keskimääräistä kerrointa hyödyntävään laskuun verrattuna. Laskutoimitusten määrän välinen ero ei ole mikään ongelma, jos pitää tuottaa vain yksi käyrä tähän artikkeliin, sillä kumpikin lasku vie kannettavalta tietokoneelta vain sekunnin murto-osan. Mutta jos sama laskenta pitää toistaa osana palosimulointia, kymmenille tuhansille laskentaelementeille, satoja tuhansia kertoja peräjälkeen, alkaa laskenta-ajalla olla merkitystä.
Ero yksinkertaisten mutta epätarkkojen ja monimutkaisten mutta tarkkojen laskentojen välillä on vielä suurempi, kun ryhdymme tarkastelemaan kaasujen säteilyä. Kuvassa 4 on esitetty yleisimpien kaasumaisten palotuotteiden ja noen absorptiokertoimet aaltoluvun ja aallonpituuden funktiona. Nähdään, että kaasujen absorptiokertoimet vaihtelevat voimakkaasti sekä tiheästi, että pidemmällä syklillä. Pidemmän syklin ilmiöt liittyvät molekyylien värähtelyyn ja tiheämmät pyörimiseen. Aallonpituudet, joilla energiaa voi sitoutua ja vapautua, ilmenevät kapeina viivoina, koska molekyylit lähettävät ja sitovat säteilyä kvantteina.
Laskennallisen kuorman hallinta
Nesteessä etenevän säteilyn tarkka laskenta edellyttää siis erillistä laskutoimitusta joillakin sadoilla eri aallonpituuksilla. Kaasuilla näitä erillisiä aallonpituuksia, joilla on toisistaan poikkeavat absorptiokertoimet, on miljoonia. Tarkka laskenta vie siis suunnattomasti aikaa, eikä sellaisen yhdistäminen ajasta riippuvaan palosimulaatioon ole mahdollista kuin joissakin erikoistapauksissa.
Useimmat laskennallisesti tehokkaat mutta harmaita malleja tarkemmat säteilymallit perustuvat absorptiokertoimen uudelleenjärjestämiseen. Kokonaisenergian eli käyrän ja vaaka-akselin välisen pinta-alan kannalta eri aallonpituuksien järjestyksellä ei nimittäin ole väliä. Sen sijaan, että vaikkapa kuvan 4 voimakkaasti heilahtelevien käyrien arvoja yritettäisiin laskea yhteen (eli integroida) aallonpituus toisensa jälkeen, eri aallonpituuksilla määritetyt arvot voidaan järjestää suuruusjärjestykseen. Tällöin tuloksena on melko tasainen, kasvava käyrä, joka on erittäin helppoa integroida, mutta joka peittää täsmälleen alan kuin alkuperäinen heilahteleva käyräkin.
Palosuojelurahaston rahoittamat tutkimukset
Palosuojelurahasto on viime vuosien aikana rahoittanut kahta Aalto-yliopiston tutkimushanketta, joissa on kehitetty ratkaisuja ei-harmaan säteilyn laskentaan. Tavoitteena on ollut tuottaa menetelmiä, joilla säteilyn syntyä ja vaimenemista väliaineessa voidaan laskea tarkemmin, kuin olettamalla aineominaisuudet vakioiksi (harmaa oletus), mutta spektrin suhteen tarkkaa ratkaisua nopeammin. Tutkimushankkeiden yhteisnimi on ollut ”Toisen sukupolven säteilymallien kehittäminen FDS-ohjelmaan”. FDS-ohjelma viittaa Fire Dynamics Simulator -virtauslaskentaohjelmaan, jolla nykyään tehdään suurin osa esimerkiksi oletettuun palonkehitykseen perustuvan palosuunnittelun simulaatioista.
Tutkimushankkeiden ensimmäisen osa toteutettiin vuosina 2019–2023, ja sen alaotsikko oli ”Säteily jähmeissä aineissa”. Hanke keskittyi nesteiden ja kiinteiden aineiden lämmönsiirtoon. Sen tuloksena syntyi laskentamenetelmä, jossa absorptiokerroin esitetään suhteellisen yksinkertaisena, tarkasteltavan materiaalin pinnasta mitatun etäisyyden ja säteilylämpötilan sovitefunktiona, jossa on enintään seitsemän vakiota. Vakiot määriteltiin useille nestemäille polttoaineille sekä akrylaattimuoville. Tulokset on raportoitu useissa tieteellisissä artikkeleissa sekä Farid Alinejadin väitöskirjassa vuodelta 2023. Itse asiassa, kuvan 2 ’tarkka ratkaisu’ on laskettu tällä sovitefunktiolla. Sovitefunktio on mahdollista sijoittaa FDS-simulointiohjelmaan, jolloin esim. palavan nestealtaan lämpeneminen voidaan ennustaa tarkemmin ilman, että laskenta-aika kasvaa.
Hankkeessa tehdyt esimerkkisimuloinnit osoittivat, että nestekerroksen säteilylaskennan tarkkuus on erityisen tärkeää, kun yritetään ennustaa ohuiden nestekerrosten palotehoa. Tällaisia tilanteita voi esiintyä mm. polttoainevuotojen yhteydessä, eikä niille ole olemassa yleisesti tunnettuja empiirisiä malleja, kuten paksujen nestealtaiden paloteholle. Ohuilla nestekerroksilla nesteen läpi tunkeutuvan ja alla olevaan materiaaliin, vaikkapa lattiaan, sitoutuvan säteilyn osuudella on merkitystä nesteen kuumenemisnopeudelle.
Tutkimushankkeen toisen osan alaotsikko oli ”Säteily kaasuissa”, ja se toteutettiin vuosina 2020–2025. Tulokset on raportoitu useissa tieteellisissä julkaisuissa sekä Soroush Rashidzadehin väitöskirjassa vuodelta 2026. Hankkeessa muun muassa toteutettiin ei-harmaa kaasufaasin säteilymalli FDS-ohjelmaan. Mallin sisällyttäminen ohjelman viralliseen versioon on suunniteltu tapahtuvan vuoden 2026 aikana. Lisäksi toteutettiin FDS-ohjelmaan säteilyn ja turbulenssin vuorovaikutuksen malli, joka ottaa huomioon liekkien hienorakenteesta johtuvat epälineaariset ilmiöt virtauslaskennan aikana. Tieteellisen työn kannalta on merkittävää, että näiden kehitysaskelien myötä palosimulointien säteilymallinnus on vertailukelpoisessa asemassa kaikkein edistyneimpien polttotekniikan sovellusten kanssa. Yksityiskohtaisten palosimulointien kyky ennustaa liekin lähettämän säteilyn intensiteetti on tulosten myötä parantunut. Lisäksi olemme julkaisseet erityisesti vetyliekkien säteilylle optimoidut mallit, koska vihreään energiaan liittyvien turvallisuustarkastelujen määrän uskotaan lisääntyvän.
Eräs tärkeä sovelluskohde entistä tarkemmille mutta laskennallisesti tehokkaille säteilymalleille on suurten liekkien lähettämän säteilyn etenemisen ja ympäröiville kohteille aiheutuvan vaaran arviointi. Säteily ei nimittäin etene tyhjiössä, vaan vaimenee ilmankosteuden vuoksi. Aiemmat, harmaan kaasun mallit eivät pystyneet ottamaan huomioon suhteellisen kosteuden vaihtelua ja vaikutusta useiden kymmenien tai satojen metrien etäisyyksillä. Uusilla malleilla tätä prosessia voidaan simuloida, ja ottaa samalla huomioon mm. tuulen, erilaisten geometrioiden, ja sammutustoimien vaikutus.
Keväällä 2026 on käynnistynyt hankkeen kolmas vaihe, jossa kehitämme ei-harmaita säteilymalleja sellaisiin simulointitilanteisiin, joissa esiintyy pisaroita ja hiukkasia. Esimerkkejä ovat esim. vesisuihkujen säteilyvaimennus ja metsien paloainekset. Pisaroiden ja mahdollisesti myös kiinteiden hiukkasten kanssa emission ja absorption lisäksi mukaan tulee säteilyn sironta, eli prosessi jossa säteily muuttaa suuntaansa. Käsityksemme on, että erityisesti metsäpaloainesten säteilymallinnus on pitkään perustunut voimakkaasti yksinkertaistaviin oletuksiin. Voidaan olettaa, että ilmastonmuutoksen vuoksi kasvavaa maastopaloriskiä ja maastopalon ja rakennusten vuorovaikutusta on voitava simuloida siten, että säteilyn tunkeutuminen tulee lasketuksi oikein.
Kirjoittaja Simo Hostikka on Aalto-yliopiston paloturvallisuustekniikan professori.
