vesihöyry

Vesi - teema ja muunnelmia

Ti, 04/05/2016 - 07:07 Markus Hotakainen
Jäätä purossa

Vesi on kummallinen aine. Se voi esiintyä kolmessa eri olomuodossa samoissa olosuhteissa – tai ainakin melkein. Ja nyt eletään taas sitä vuodenaikaa, kun olosuhteissa tapahtuu alvariinsa veden olomuotoon vaikuttavia muutoksia.

Toki kaikilla aineilla on erilaisia olomuotoja, mutta veden tekee poikkeukselliseksi sen olomuotojen muuttuminen meille passeleissa ympäristöoloissa.

Aineelle voidaan määritellä niin sanottu kolmoispiste, jossa sen olomuoto muuttuu kiinteästä nesteeksi tai nesteestä kaasumaiseksi hyvin pienen paineen tai lämpötilan muutoksen seurauksena. 

Vedellä tuo kolmoispiste on 0,01 celsiusasteen lämpötilassa (ja 0,006 baarin paineessa). Se ei välttämättä ole mukavin mahdollinen lämpötila meille ihmisille, mutta silti huomattavasti miellyttävämpi kuin esimerkiksi 4 700 celsiusastetta, jossa on hiilen kolmoispiste.

Meille tuttu lämpötila-asteikko, jonka ruotsalaisen Anders Celsius kehitti 1740-luvulla, perustuu juuri veden olomuodon muutoksiin tietyissä lämpötiloissa: nollassa celsiusasteessa vesi jäätyy (ja sulaa), sadassa celsiusasteessa se kiehuu (ja nesteytyy). Tosin Celsius käytti alkuun käänteistä asteikkoa, jossa veden sulamispiste oli sata astetta ja kiehumispiste nolla astetta.

Lämpötilan laskiessa nollaan celsiusasteeseen – siis nykyisellä celsius-asteikolla – vesi alkaa muodostaa jääkiteitä. Talvella jääkiteiden kasaumia sataa taivaalta lumena. Jää on vettä kevyempää, joten järvissä – tai vaikka pakkaseen jääneessä vesiämpärissä – kiteet nousevat pinnalle, jolloin ne tarttuvat toisiinsa ja muodostavat vähitellen yhtenäisen jääpeitteen. Ilmiö on tuttuakin tutumpi meille pohjoisten leveysasteiden asukkaille, jotka pystyvät osan vuotta kävelemään vaivatta vetten päällä.

Usvaa järvellä

Kun veden lämpötila nousee sataan celsiusasteeseen, vesimolekyylien liike on nesteessä niin rivakkaa, että niitä alkaa sinkoilla vedenpinnasta ilmaan. Jos ollaan tarkkoja, esimerkiksi teekattilasta nouseva "höyry", järvenpinnasta vilpoisaan kesäyöhön kohoava usva tai taivasta peittävät pilvet eivät ole vesihöyryä, vaan ne koostuvat pienenpienistä vesipisaroista. Vesihöyry on näkymätöntä.

Tietyissä olosuhteissa veden olomuoto voi muuttua myös kiinteästä kaasumaiseksi tai päinvastoin ilman nestemäistä välivaihetta. Jos ilmanpaine on hyvin alhainen, jää sublimoituu eli muuttuu suoraan vesihöyryksi.

Toisaalta vesihöyry voi härmistyä eli muuttua suoraan kiinteään olomuotoon. Ilmiö on tuttu talviaamuista, kun ilman vesihöyry on kuorruttanut auton ikkunat kuuralla. Ja ainakin juuri nyt se on tuttua myös kevätaamuista.

Hubble selvitti ensimmäisen kerran super-Maan kaasukehän koostumuksen

Ti, 02/16/2016 - 18:03 Markus Hotakainen
55 Cancri e


Eksoplaneetta 55 Cancri e on niin sanottu super-Maa, noin kahdeksan kertaa maapalloa massiivisempi kiviplaneetta. Sen kaasukehä on rutikuiva.


Hubble-avaruusteleskoopin avulla onnistuttiin ensimmäisen kerran määrittämään super-Maa-luokkaan kuuluvan eksoplaneetan kaasukehän koostumusta ja ominaisuuksia. Se koostuu pääosin vedystä ja heliumista, vesihöyrystä sen sijaan ei näy jälkeäkään.

Planeetta kiertää Kravun tähdistön 55 Cancri -tähteä, jonka etäisyys meistä on noin 40 valovuotta. Se on jo aiemmin saanut lempinimen "Timanttiplaneetta", sillä sen kokoon ja massaan perustuvien mallien mukaan planeetan sisuksissa on runsaasti hiiltä.

"Tulos on hyvin jännittävä, sillä ensimmäisen kerran olemme onnistuneet havaitsemaan spektristä 'sormenjälkiä', jotka kertovat, mitä kaasuja super-Maan kaasukehässä esiintyy", riemuitsee Angelos Tsiaras Lontoon University Collegesta. Tsiaras kehitti havaintojen käsittelyssä käytetyn analyysimenetelmän yhdessä Ingo Waldmannin ja Marco Rocchetton kanssa.

"55 Cancri e:n kaasukehästä tehdyt havainnot viittaavat siihen, että planeetta on onnistunut pitämään otteessaan merkittävän määrän vetyä ja heliumia kaasupilvestä, josta se alun perin muodostui."

Super-Maat ovat oletusten mukaan Linnunradan yleisin planeettatyyppi. Hubble-avaruusteleskoopilla on yritetty aiemmin tutkia kahden muun samaa kokoluokkaa olevan eksoplaneetan – GJ1214b ja HD97658b – kaasukehiä, mutta niistä ei saatu riittävän tarkkoja spektrejä.

55 Cancri e on kuitenkin poikkeuksellinen super-Maaksi, sillä se kiertää hyvin lähellä tähteeän. Vuoden pituus on ainoastaan 18 tuntia ja pintalämpötilan arvellaan olevan noin 2 000 celsiusastetta. 

Havainnot perustuivat planeetan ylikulkuihin tähden editse. Hubblen avulla muodostettiin useita spektrejä, joita käsittelemällä saatiin erotettua tähden ja sitä kiertävän planeetan spektrit. Mittausten mukaan kaasukehässä näyttäisi olevan myös syaanivetyä eli sinihappoa. Se viittaa myös hiilen esiintymiseen planeettaa ympäröivässä kaasukehässä. 

"Havaittu syaanivedyn runsaus viittaisi siihen, että kaasukehässä on hyvin suuri hiilen ja hapen suhde", arvioi 55 Cancri e:n kaasukehän kemiallisen mallin laatinut Olivia Venot.

"Jos syaanivedyn ja muiden molekyylien esiintyminen varmistetaan muutaman vuoden kuluessa uuden sukupolven infrapunateleskoopeilla, se tukisi teoriaa, että tällä planeetalla on runsaasti hiiltä, joten se on hyvin eksoottinen maailma", toteaa puolestaan Jonathan Tennyson. "Tosin syaanivety eli sinihappo on äärimmäisen myrkyllistä, joten se ei ole planeetta, jolla haluaisin asustaa."

Havainnoista kerrottiin Hubblen kotisivuilla ja tutkimus on julkaistu Astrophysical Journal -tiedelehdessä.

Kuva: ESA/Hubble, M. Kornmesser (kuva on visualisointi siitä, miltä planeetta voisi näyttää)

Rosettan kohdekomeetta “hikoilee”

ESAn Rosetta-luotaimen mittaukset kertovat, että Churyumovin-Gerasimenkon komeetasta vapautuu avaruuteen kaksi juomalasillista vettä sekunnissa, vaikka sen etäisyys Auringosta on vielä hyytävät 583 miljoonaa kilometriä.

Ensimmäiset havainnot vesihöyrystä tehtiin luotaimen MIRO-mikroaaltoinstrumentilla 6. kesäkuuta, jolloin luotaimen etäisyys komeetasta oli noin 350 000 kilometriä – eli suunnilleen sama kuin Maan ja Kuun välinen etäisyys. Sittemmin vesihöyryä on havaittu joka kerran, kun MIRO on suunnattu kohti komeettaa.

“Olemme tienneet kaiken aikaa, että komeetasta vapautuisi vesihöyryä, mutta olimme yllättyneitä, että pystyimme havaitsemaan sitä näin aikaisessa vaiheessa”, hämmästelee Sam Gulkis, MIRO-instrumentin päätutkija NASAn Jet Propulsion Laboratorysta.

“Tässä tahdilla komeetta täyttäisi olympialaisten kisa-altaan noin 100 vuorokaudessa. Kun komeetta lähestyy Aurinkoa, vesihöyryn määrä kasvaa huomattavasti. Rosettan ansiosta meillä on erinomainen tarkkailuasema näiden muutosten ja niiden taustalla olevien syiden suhteen.”

Vesi on hiilimonoksidin, metanolin ja ammoniakin ohella komeettojen keskeisiä ainesosia. MIROn avulla on mahdollista mitata eri aineiden runsaudet ja saada siten tietoa komeetan ytimen ominaisuuksista, kaasujen vapautumisprosessista ja purkausten sijainnista ytimen pinnalla.

Kaasupurkausten mukana avaruuteen kulkeutuu pölyä ja yhdessä ne muodostavat ydintä ympäröivän koman. Komeetan lähestyessä Aurinkoa koma laajenee ja ennen pitkää aurinkotuuli puhaltaa osan kaasusta ja pölystä pitkäksi pyrstöksi.

Rosetta pääsee tarkkailemaan kaikkea tätä lähietäisyydeltä. Komeetta ja luotain ovat lähimpänä Aurinkoa elokuussa 2015, jolloin ne ovat Maan ja Marsin ratojen välissä.

Komeettatutkimuksen kannalta on tärkeää määrittää, millä tahdilla Auringon läheltä kulkevasta komeetasta vapautuu vesihöyryä ja muita kaasuja. Se on oleellista myös itse luotainlennon kannalta, sillä lähempänä komeettaa kaasupurkaukset saattavat muuttaa Rosettan rataa.

“Komeetta alkaa heräillä horroksesta, jossa se on ollut kauempana avaruudessa, ja vähitellen sen toiminta vilkastuu Rosettan mittalaitteiden tarkkailevien silmien edessä”, toteaa Rosettan projektitutkija Matt Taylor.

“Rosetta-tutkijat käyttävät MIROn havaintoja avuksi myös suunnitellessaan lennon tulevia vaiheita, kun luotain on lähellä komeetan ydintä.”

Tällä hetkellä luotain on enää noin 70 000 kilometrin etäisyydellä määränpäästään. Kaikkiaan kymmenestä radankorjauksesta on vielä tekemättä kuusi. Niiden tuloksena Rosetta saapuu noin 100 kilometrin etäisyydelle komeetan ytimestä 6. elokuuta.

Kääpiöplaneetta Cerekseltä löydetty vettä

To, 01/23/2014 - 04:51 Jarmo Korteniemi
Kuva: Riley Kaminer

Kääpiöplaneetta Cereksen pinnalta on löydetty vettä. Suurimmaksi osaksi se on jäätyneenä pinnalle. Tietyillä alueilla se kuitenkin sulaa ja höyrystyy (tai sublimoituu) avaruuteen suihkuten.

Suihkut syntyvät Auringon lämmön vaikutuksesta. Ceres toimii siis hieman kuin jättimäinen komeetta.

Mullistava löytö julkaistiin tänään torstaina tiedelehti Naturessa. Itse havainto tehtiin Euroopan avaruusjärjestön Herschel-avaruusteleskoopilla jokin aika sitten. Laite lakkasi toimimasta keväällä 2013.

Aiemmin veden olemassaoloa Cereksellä on osattu epäillä. Nyt tehty löydös varmistaa asian.

Ceres on asteroidivyöhykkeen suurin kappale. Sen halkaisija on noin 950 km. Se luokitellaan nykyisin kääpiöplaneetaksi.

Höyrysuihkuja pinnalta

Kenties jännittävintä löydössä on, että vettä löytyy kaasuna Cereksen ympäriltä. Vesihöyry tarkoittaa kenties kaasukehää. Tai ainakin jotain sinne päin.

Tutkijat olettavat, että Cereksen pinnalla tapahtuu ajoittaisista vesihöyryn purkauksia. Sellaisia voi syntyä, jos jäinen pinta lämpiää epätasaisesti. Vesihöyryä ei nimittäin nähty joka kerralla kun Herschel suunnattiin kohti Cerestä. Kääpiöplaneetan oma pyöriminen tuntui peittävän vesihöyryalueet.

Purkausten alkuläheiksi tunnistettiin kaksi oudon tummaa pyöreähköä aluetta Cereksen pinnalla. Toisaalta purkaukset alueilla loppuivat, kun Ceres siirtyi kauemmas Auringosta.

Tarkimpia Maasta otettuja kuvia Ceresin pinnasta. Nuolet osoittavat kahta tummaa aluetta, joilla vesipurkaukset tapahtuivat.

Ceres näyttää siis toimivan hieman kuin jättiläismäinen komeetta. Löytö voikin hyvin hämärtää rajaa asteroidien ja komeettojen välillä. Tutkijat ovat viime aikoina löytäneet asteroidivyöhykkeeltä ja muualta aurinkokunnasta useita kappaleita, jotka vaikuttavat pyöreähköille radoille kiertämään jääneiltä komeettaytimiltä.

NASAn luotain Dawn on parhaillaan matkalla kohti Ceresiä. Se saapuu perille keväällä 2015. Se tulee varmasti kartoittamaan tunnistetut oudot alueet ja Ceresin aktiivisuuden tarkasti. Dawn tulee kiertämään kääpiöplaneettaa ehkä vuoden ajan.

Veden löytyminen sinänsä ei ole mitenkään outoa. Teoreettisten mallien perusteella Ceresillä on uumoiltu olean paksu jääkuori, joka peittää kivistä ydintä. Sulatettuna jääkuoren vesimäärä voisi olla jopa 200 miljoonaa kuutiokilometriä. Se tarkoittaa nelinkertaisesti kaikkea Maan makeaa vettä - mukaanlukien kaikki jäätiköt, järvet, joet, pohjavedet ja ilmakehän vesihöyry.

Vettä on löydetty lähes kaikilta tarpeeksi tarkkaan tutkituilta aurinkokunnan kiinteäkuorisilta kappaleilta. Pääosin kiinteässä muodossa, jäänä. Erityisen yleistä se on kappaleilla, jotka sijaitsevat kauempana auringosta kuin Maa. Ceres on yksi näistä.

Ceres on nyt viides aurinkokunnan suurempi kappale, jonka pinnalta on suoraan havaittu veteen liittyviä merkittäviä geologisia prosesseja. Muut ovat Maa, Mars, Jupiterin kuu Europa ja Saturnuksen kuu Enceladus. Myös lukemattomilla komeetoilla tapahtuu vesiprosesseja.

Ceres on viidestä virallisesti kääpiöplaneetta-statuksen saaneesta Aurinkokunnan kappaleesta lähinnä Aurinkoa. Ceresin rata on hieman elliptinen. Sen etäisyys Auringosta vaihtelee lähes 63 miljoonalla kilometrillä. Keskietäisyys on 414 miljoonaa kilometriä, eli 2,8 kertaa suurempi kuin Maan.

Ceresin oletettu rakenne. Kuva: NASA / ESA / A. Feild (STScI)