lämpötila

Bennu-asteroidin pintakivet sinkoutuvat oudosti avaruuteen

Pe, 12/06/2019 - 03:10 Jarmo Korteniemi
Kuva: Sinkoutuneiden kivien ratoja.

OSIRIS-REx -luotain on tutkinut Bennu-asteroidia kohta vuoden ajan. Yksi sen kiehtovimpia löytöjä on pikkukivien irtoaminen asteroidin pinnasta. Tutkijoiden mukaan syy lienee suurissa lämpötilaeroissa yö- ja päiväpuolen välillä.

OSIRIS-REx -luotain saapui vuoden 2018 lopulla asteroidi 101955 Bennun kiertoradalle. Pian sen jälkeen laitteen navigointikamerat havaitsivat, että lähiavaruudessa liikkuu lukuisia outoja kohteita.

Lentoratojen analyysi osoitti, että ne ovat kaikki peräisin Bennusta – palasia useista yksittäisistä paikoista. Irronneet palat olivat halkaisijaltaan tyypillisesti 1–10 -senttisiä. Niiden nopeudet vaihtelivat 5 sentistä jopa kolmeen metriin sekunnissa (10,5 km/t).

Suurienergisin havaittu palasten avaruuteen sinkoutumistapahtuma sattui 6.1.2019 asteroidin eteläisellä pallonpuoliskolla. Arvioiden mukaan tapaus vastasi noin 60 TNT-kilon räjäyttämistä. Tapahtuman seurauksena asteroidia ympäröivästä avaruudesta havaittiin ainakin noin 200 pikkukiveä. Osa putosi tuntien tai päivien jälkeen takaisin, osa pakeni planeettojenväliseen avaruuteen.

"Palasten irti sinkoutuminnen herätti mielenkiintomme. Viime kuukaudet olemme tutkineet tätä mysteeriä. Tämä on oiva mahdollisuus laajentaa näkemystämme siitä miten asteroidit toimivat", kuvailee Dante Lauretta, luotaimen päätutkija.

Tutkijat analysoivat etenkin kolmea merkittävintä tapausta. Niiden "laukaisupaikat" sijaitsevat eri puolilla Bennua, eivätkä vaikuta mitenkään ympäristöstään poikkeavilta. Paikalla ei myöskään näy tuoreita törmäysjälkiä. Kukin tapahtuma kuitenkin sattui myöhään paikallisen iltapäivän aikaan.

Ajankohta antaakin oivan vinkin mahdollisesta syyllisestä: lämpötilaerot yön ja päivän välillä.

Video palasten lentoradoista erään tapahtuman jälkeen.

Bennun vuorokausi – eli aika jona se pyörähtää kerran akselinsa ympäri – kestää 4,3 tuntia. Se on riittävän pitkä aika jotta pinnan lämpötila vaihtelee merkittävästi. Varjon kylmyydestä suoraan päivänpaisteeseen joutuva pinta-aines lämpölaajenee, mikä aiheuttanee kivissä ja lohkareissa suuria sisäisiä jännityksiä. Tutkijoiden mukaan kiviaineksen "laukaisu" avaruuteen saattaakin tapahtua jos jännitys johtaa suuren lohkareen halkeamiseen.

Prosessia saattaa tehostaa myös veden sublimoituminen.

Bennun pinta koostuu osaksi hienojakoisista verkkosilikaateista, joiden rakenteessa on myös vettä. Kun tuo aines kuumenee, vesi saattaa alkaa kiehumaan ja aiheuttaa paineen nousua pienissä rakosissa. Myös tämä prosessi voi johtaa spontaaneihin räjähdyksiin Bennun kivissä.

Kuva: Bennun pintaa. NASA/JPL/OSIRIS-REx
Kuva: Bennun pintaa. Yläoikealla oleva lohkare on n. 15 m korkea.

Tutkijoiden mukaan monet pienemmät "laukaisut" lienevät toissijaisia. Etenkin sellaisten tapausten, jotka sattuvat yöaikaan, uumoillaan johtuvan pinnalle takaisin putoavista heittelekivistä. Törmäykset sinkoavat lisää materiaa ylös.

Tutkijat eivät kuitenkaan voineet sulkea pois tavallisia mutta satunnaisia meteoroiditörmäyksiä. Moisia kappaleita sattuu Bennun kiertoradalle varmasti.

Bennu ei varmastikaan ole ainut asteroidi, jolla tällaista tapahtuu. Yleisyys kuitenkin riippuu siitä, mikä prosessi tarkalleen sinkoaa kiviä ylös.

Lämpötilamuutokset saattavat murentaa kiviä pienemmiksi murskeeksi, mikä helpottaisi satunnaisia meteoroiditörmäyksiä nostamaan pikkukiviä avaruuteen. Moinen prosessi toistuisi aivan kaikilla pienillä asteroideilla.

Jos kyse taas on lähinnä veden aiheuttamasta rakojen paineennoususta, pikkukiviä voi odottaa löytyvän ainoastaan niiden asteroidien ympäriltä, joiden mineraaleissa on merkittävästi vettä mukana.

OSIRIS-REx kartoittaa tällä hetkellä Bennun pintaa. Laitteen lopullinen tarkoitus on kuitenkin tuoda Maahan 60–2000 grammaa Bennun pintamateriaalia. Näytteenoton on määrä tapahtua ensi kesänä. Paluumatka alkaa maaliskuussa 2021 ja näytteiden on tarkoitus olla Maassa syyskuussa 2023.

Hyvällä tuurilla näytteeseen sattuu mukaan myös avaruuteen sinkoutuneita ja takaisin pinnalle pudonneita kiviä. Niiden tunnistaminen voi tosin olla hankalaa.

Bennu kiertää Aurinkoa elliptisellä radalla, joka hipoo sekä Maan että Marsin ratoja. Se on myös yksi niistä harvoista asteroideista, joille on määritetty aivan todellinen törmäysuhka.

Nykytietojen mukaan Bennu saattaa törmätä Maahan ensi vuosisadan loppupuolella (vuosina 2175–2199). Osuessaan Bennu synnyttäisi noin 4,5-kilometrisen kraatterin ja tuhoaisi kaiken kymmenien kilometrien säteeltä. Törmäysenergia vastaisi runsasta 1100 megatonnia TNT:tä.

Törmäysuhka on kuitenkin vain 1/2700, eli alle 0,04 prosenttia. On siis runsaan 99,96 prosentin todennäköisyys ettei se osu Maahan - ainakaan tuolla aikavälillä.

Bennu on nimetty muinaisen Egyptin myyttisen jumallinnun mukaan. Lintu kuvataan usein harmaahaikarana, ja edustaa Aurinkoa, luomista ja uudelleensyntymistä.

Lähteet: Lauretta ja kumpp.: "Episodes of particle ejection from the surface of the active asteroid (101955) Bennu" (Science 2019, maksumuurin takana); Jet Propulsion Laboratoryn tiedote

Superhelteen jännä seuraus: polttavan kuuma sade

Pe, 08/10/2018 - 18:05 Jari Mäkinen
Sadetta Joshua Treen luonnonpuistossa

Lämpötilaltaan 50°C oleva vesi ei saa aikaan palovammoja, mutta kuumalta se tuntuu. Miltä tuntuisi saada niin kuumaa vettä sateena niskaan?

Netissä kiersi alkuviikosta juttu siitä, että Kaliforniassa olisi mitattu 24. heinäkuuta kuumin koskaan havaittu sade: Imperial-nimisessä kylässä San Diegon itäpuolella mittarit osoittivat sadepisaroiden lämpötilan olleen 119°F, eli 48°C.

Tuo päivä oli eräs kuumimmista Kaliforniassa koskaan havaituista, sillä Kuoleman laaksossa virallinen mitattu lämpötila oli 52°C ja jopa sitä lähimmässä kaupungissa, Palm Springsissä, oli lukema 50°C. Imperialissa jäätiin hieman alle 50°C:n, sillä sikäläisittäin lämpötila oli 121°F.

Mittaustieto lämpötilaltaan tarkalleen 48,3°C olleesta sateesta paljastui myöhemmin viallisesta sensorista johtuneeksi virheelliseksi havainnoksi, mutta kuumin koskaan oikeasti ja todistetusti mitattu sade ei ole paljoa viileämpi. Needlesissä, samoin Kaliforniassa, Mohaven autiomaan kupeessa, satoi 13. elokuuta 2012 lämpötilaltaan 47,8°C ollutta vettä.

Sade kuumassa ja hyvin kuivassa on harvinainen ilmiö, mutta joskus olosuhteet ovat juuri sopivat sadepisaroiden muodostumiseen. Esimerkiksi Needlesin ennätyssade tapahtui ilman kosteuden ollessa vain 11 % ja tilanteessa, missä tuuli puhalsi varsin nopeasti paikalle kosteampaa ilmaa, joka nousi saman tien ylöspäin ja siitä tiivistyi pisaroita, jotka satoivat alas.

Sade tosin haihtui hyvin nopeasti ja alas maan pinnalle päätyi vain muutamia pisaroita. Mutta ne todellakin paitsi olivat, niin myös tuntuivat kuumilta.

Sitä aikaisempi sateen kuumuusennätys oli kesäkuun 7. päivältä 2012, jolloin Saudi Arabiassa lähellä Mekkaa syntyi mereltä kuumalle aavikolle nopeasti tulleesta meriusvasta ukkosmyrskyjä, jossa sateen lämpötila oli 45°C. Sitä aikaisemmin Marrakechissa, Marokossa satoi 43-asteista vettä heinäkuussa 2010.

Ilmastonmuutos vaikuttaa tähänkin siten, että todella kuumat päivät tulevat yleisemmiksi ja olosuhteita, missä kosteampaa ilmaa pääsee tunkeutumaan kuumaan ja kuivaan paikkaan, syntyy aiempaa useammin.

Suomessa polttavan kuuman sateen mahdollisuus on kuitenkin vielä varsin pieni. Sen sijaan rajuja ukkosia ja rakeita on tiedossa aiempaa useammin.

*

Otsikkokuvassa on pilviä Joshua Treen kansallispuistossa Kaliforniassa hyvin lähellä Imperialia. Kuva on otettu 19. heinäkuuta 2017, jolloin olosuhteet olivat hyvin samanlaiset kuin nyt heinäkuussa: ilma oli hyvin kuivaa ja lämpötila 38°C. Kuva: National Park Service.

Onko Marsin pinnalla muka kylmä - ei tuntuisi Suomen talvea kummemmalta

Pe, 07/13/2018 - 10:45 Jarmo Korteniemi
Kuva: Maartin Takens

Marsista puhutaan usein kylmänä paikkana. Harva tietää, että punaisen planeetan lämpötilaolot ovat itse asiassa varsin siedettävät, ajoittain jopa mukavatkin. Ihminen pärjäisi Marsin pakkasessa aivan hyvin.

Tänä vuonna kesähelteet ovat sen verran tukalat, että on mukava pohtia viileämpiä asioita. Käsittelimme jo maapallon kylmyysennätykset taannoisessa jutussamme, joten siirrytään vielä piirun verran enemmän pakkasen puolelle.

Kuinka kylmä - tai lämmin - naapuriplaneetallamme Marsissa oikein on? Ja mitä se käytännössä tarkoittaa?

Curiosity-mönkijä laskeutui vuonna 2012 Marsin päiväntasaajan eteläpuolelle. Tämän jälkeen se on raportoinut punaisen planeetan pinnalta jopa +20 asteen "helteitä" ja lähes -130 asteen pakkasia.

Satelliittimittaukset ovat vahvistaneet nuo Marsin ekvaattorin tienoilla varsin tyypillisiksi arvoiksi. Lämpötilat pysyttelevät päivisin keskimäärin muutamissa miinusasteissa ja laskevat yöksi -70 - -80 asteen tienoille. Navoilla pakkanen saattaa ajoittain yltää jopa -150 celsiusasteeseen.

Kuulostaako hyisevältä? Kun asiaa tarkastelee lähemmin, moiset lukemat mahtuvat lähes oman planeettamme rajoihin.

Prikulleen etelänavalla sijaitsevan Amundsen-Scottin aseman kesää paistatellaan tyypillisesti -25 asteessa, lämpöennätys on huimat -12 astetta. Talven kylmimpinä aikoina siellä värjötellään -65 asteessa. Sikäläinen kylmyysennätys on -83 astetta, mutta planeetan viralliset pohjalukemat on mitattu vieläkin syrjemmällä sijaitsevalta Vostok-asemalta: -89,2 astetta.

Kummassakin paikassa on miehitys läpi vuoden - vaikka pakkanen paukkuu kuin Marsin päiväntasaajan yössä.

Talvisin tämän päälle tulee vielä tuuli. Jopa 25 metriä sekunnissa puhaltavien jäätikkötuulten vaikutuksesta kovimpien pakkasten purevuus voi Etelämantereella vastata jopa -125 astetta. Nyt ei olla enää kovin kaukana Marsin kylmimmistäkään oloista.

Toki Marsinkin napajäätiköillä tuulee, jopa hieman kovempaa kuin Antarktiksella. Mutta tarkoittaako se, että siellä tuntuisi sitten vastaavasti kylmemmältä?

Ei. Päinvastoin.

Marsin kaasukehä on ohuempi kuin Maan. Paine pinnalla on samaa luokkaa kuin meillä runsaan 30 kilometrin korkeudella. Tällainen harva kaasu ei siirrä lämpöä kovinkaan tehokkaasti, eikä kovallakaan pakkasella siksi ole paljoa vaikutusta.

Itse asiassa Marsin kaasukehä on niin ohut, etteivät sikäläiset pakkaslukemat tuntuisi ollenkaan pahalta.

Kuumimmat marsilaispäivät tuntuisivat helteeltä, ainakin jos Aurinko porottaisi suoraan yläpuolelta.

Marsin keskimääräinen lämpötila on noin -65 astetta. Sikäläisittäin tyypillisessä 7 m/s tuulessa tuntuisi kuitenkin samalta kuin suomalaisittain normaalissa, -15 - -20 asteen pakkasessa.

Eikä kovimmissakaan marsilaispakkasessa seisoskelu olisi edes Etelämantereen ennätysten veroista. -120 astetta 25 m/s tuulella tuntuisi meikäläisittäin vain -55 asteelta. Vastaisi jotakuinkin Suomen ennätyspakkasia. Siperiassa moiselle naurettaisiin.

Lämpötoppauksia siis Marsissa tarvitaan, muttei läheskään niin paljoa kuin voisi kuvitella.

Ajan mittaan kylmyys kuitenkin pureutuisi luihin ja ytimiin. Lämpö nimittäin säteilisi Marsiin eksyneen satunnaisen matkaajan kehosta hiljakseen pois. Siksi astronauttien puvut, asumukset ja kaikki muutkin lämpimänä pidettävät tavarat kannattaisi Marsissa suojata lämpösäteilyn karkaamiselta.

Maan ja Marsin lämpötilojen suurin ero ei olekaan absoluuttiset arvot, vaan vaihtelunopeus. Meillä äärilämpötilat näyttäytyvät kunnolla vasta vuodenaikojen mittaan eikä yön ja päivän välillä ole yleensä eroa kuin 10 - 20 astetta. Marsissa suurin osa vaihtelusta tapahtuu jokaisen vuorokauden aikana, ja vuodenaikojen vaikutus on varsin.

Kirjoittaja on Marsiin erikoistunut planetologi.

Lisälukemista esim. Osczevski: "Martian Windchill in Terrestrial Terms" (Bulletin of the American Meteorological Society, 2014)

Otsikkokuvan henkilö on varustautunut kirpsakkaan -55 asteen pakkaseen Sahan tasavallassa Venäjällä. (Maarten Takens)

Apollo-astronautit sekoittivat mittauksia Kuussa ja tutkijat Maassa

To, 06/07/2018 - 14:14 Jarmo Korteniemi
Kuva: NASA

Tuore tutkimus osoittaa, että astronautit muuttivat havaittavasti Kuussa ympäristöä jonka olosuhteita mittasivat. Tapaus muistuttaa myös siitä, kuinka tärkeää kerätyn aineiston tallentaminen myöhempää käyttöä varten on.

Kuussa 1970-luvulla käyneet astronautit asensivat laskeutumispaikkojensa lähelle lämpötila-antureita. Niitä jätettiin paitsi pinnalle, myös kairattiin pinnan alle.

Antureiden avulla haluttiin selvittää, millainen on Kuun sisäosista tuleva lämpövuo. Oli vielä epäselvää, onko Kuun ydin täysin jäähtynyt, vai yhä kuuma, kuten Maalla. (Nykyisin tiedetään, että ydin on ainakin osittain sula, ja siellä vallitsee 1000 - 2000 asteen lämpötila.)

Anturit toimivat vuosikausia kahdella laskeutumispaikalla: Apollo 15 heinäkuusta 1971 tammikuuhun 1977, ja Apollo 17 joulukuusta 1972 syyskuuhun 1977.

Yllättävin havainto kuitenkin oli, että pinnan alle sijoitetut anturit vaikuttivat vuosien varrella lämpenevän 1-2 asteella. Mittaukset tehtiin niin syvällä, ettei Kuun vuorokauden vaikutus enää siellä näy. Pinnalla ei muutosta rekisteröity.

Ilmiön syystä on käyty juupas-eipäs -keskustelua lähes 50 vuoden ajan. Kukaan ei kuitenkaanmolebaiemmin onnistunut selittämään asiaa tyhjentävästi. Kuuta ulkoa lämmittävä Auringon säteily ei ainakaan ollut muuttunut. Syy oli joko astronauttien toiminnassa, ehkä antureissa tai niiden asennuksessa, tai kenties Kuun radan muutoksissa. Myös Maasta tulevan "ylimääräisen" säteilyn uumoiltiin selittävän havainnot.

Lisäongelman aiheutti sekin, ettei kaikki mittausaineisto ollut enää tallella. Raakadata oli alunperin tallennettu Houstonissa magneettinauhoille, jotka luovutettiin tutkijoille analysoitavaksi ja arkistoitavaksi. Mutta mittausten loputtua oli tutkimusdataa kuitenkin talletettu vain vuoteen 1974 asti. Kolme - kenties ratkaisevaa - vuotta uupui.

Apollo 15:n ja 17:n mittauspaikat. (Nasa)

Hypätään nykyaikaan. Mysteeriä alettin ratkoa perinpohjin uudelleen Houstonin Lunar and Planetary Institutessa, joka perustettiin juuri kuulentojen tieteelliseksi tukiasemaksi. Lopulta vuonna 2010 tutkijat kaikeksi onneksi löysivat NASAn teknisen tiimin rutiininomaisesti tallentamat, ilmeisesti aiemmin unohtuneet "ylimääräiset" varastokopiot toisesta arkistosta. Ja niiden joukosta löytyi satoja logeja, jotka kattoivat lämpötila-antureidenkin tiedot. Mukaanlukien kadonneen loppujakson. Vanhojen nauhojen entisöinti alkoi, ja kesti analysoinnin kera yhteensä kahdeksan vuotta.

Lopulta selvisi, että lämpötilan nousu todella jatkui läpi koko mittausjakson. Mikä mielenkiintoisinta, muutos oli suurinta lähempänä pintaa, ja lämpötilagradientti pieneni ajan mittaan.

Ilmiön syy näkyy selvästi luotainten ottamissa kuvissa, kuten alla, kun sitä osaa etsiä. Maasto on nimittäin poikkeuksetta ympäristöä tummempaa siellä, missä on kävelty tai ajettu kuuautolla. Näissä kohdissa pinta myös imee hieman enemmän Auringosta tulevaa säteilyä.

Kuva: NASA / LRO
LRO-luotaimen ottama kuva Apollo 17:n laskeutimispaikasta. (NASA)

Yksinkertainen malli riitti selittämään, että pinnan muutokset olivat syynä tutkijoita askarruttaneeseen lämpötilan nousuun metrin syvyydellä pinnan alla. Asentaessaan mittalaitteita astronautit olivat onnistuneet muuttamaan miljoonia vuosia tasapainossa ollutta pintamateriaa niin, että se havaittiin - jopa tuon ajan tekniikalla.

Tutkimus julkaistaan piakkoin JGR Planets -julkaisusarjassa.

Kyseessä on oiva esimerkki siitä, kuinka helposti havainnointi lähes aina vaikuttaa mittaukseen. Yleensä vaikutus on häviävän pieni, mutta tällä kertaa se oli havaittava ja päänvaivaa aiheuttava. (Ilmiö on kuitenkin hieman erilainen kuin kvanttimaailmassa vallitseva epätarkkuusperiaate.)

Löytö auttaa myös muiden, jo tehtyjen mittausten tulkinnassa, ja antaa vihiä kuinka tulevia kuututkimuksia kannattaa (tai ei kannata) toteuttaa.

Lähde: AGUn blogi ja tutkimusartikkeli (maksumuurin takana)

Otsikkokuvan kaatuminen ei liity mittausvirheisiin. Kuvat: NASA

Vesi yllättää yhä – se voi olla lasimaisen tahmeaa

Ma, 03/12/2018 - 18:08 Markus Hotakainen

Vaikka kolme neljäsosaa Maasta on veden peitossa, tutkijat löytävät silti uusia ominaisuuksia tuolta elämän kannalta oleelliselta aineelta. Nyt nestemäisen veden on todettu esiintyvän aiemmin tuntemattomassa olomuodossa.

Teoreettisesti on laskettu, että tietyissä oloissa nestemäisen veden tiheys voi laskea äkillisesti ja vesimolekyylit järjestyä uudelleen tavalla, joka tekee vedestä jähmeämpää, vähemmän vuolaasti virtaavaa.

Keittiön vesihanasta juoksevan veden kohdalla ei moisista muutoksista ole pelkoa, sillä Arizonan valtionyliopiston C. Austen Angellin johtaman ryhmän kokeissa tarvittiin hyvin alhaisia lämpötiloja ja erikoisolosuhteita.

Simulaatioiden perusteella etsittyä ilmiötä on ollut vaikea havaita kokeellisesti, koska juuri ennen veden oletettua nesteolomuodon muutosta se tuppaa muuttumaan kiteiseksi jääksi. Ilmiölle on annettu nimeksi "kiteytymisverho" ja se on estänyt monia muitakin veden olemuksen selvittämiseen tähdänneitä kokeita.

"Keksimme kuitenkin keinon, jolla ’kiteytymisverhon’ saa vedettyä syrjään riittävän pitkäksi ajaksi, jotta ehdimme nähdä, mitä on sen tuolla puolen – tai pikemminkin sen alapuolella", Angell toteaa.

Nyt havaittu olomuodon muutos muistuttaa veden jäätymistä, mutta se tapahtuu paljon nollaa celsiusastetta alhaisemmassa lämpötilassa. Andellin johtamissa kokeissa tempussa onnistuttiin –90 celsiusasteen lämpötilassa. Vesi voi siis olla nesteenä paljon jäätymispistettä alhaisemmissa lämpötiloissa, mutta se onnistuu vain laboratorio-olosuhteissa.

Uudenlaisen veden jäljille päästiin laboratoriossakin jo pari vuotta sitten, kun Andell selvitteli kollegansa Zuofeng Zhaon kanssa proteiinien tutkimuksessa käytetyn "ideaaliliuoksen" ominaisuuksia. He huomasivat, että tietyissä oloissa suolaliuoksen jäähtyessä alkoikin vapautua lämpöä, joka mahdollisti veden pysymisen nesteenä, tosin uudenlaisessa olomuodossa.

Lasimaisen sitkas neste oli ominaisuuksiltaan yllättävä. Kun prosessi käännettiin toiseen suuntaan, vesi ei edelleenkään muuttunut jääksi, vaan palasi alkuperäiseen, "tavalliseen" olomuotoonsa.

Tuolloin tutkijat eivät osanneet selittää ilmiön fysikaalisia perusteita, mutta kun Andell lyöttäytyi yksiin Amsterdamin yliopiston Sander Woutersenin kanssa, alkoivat veden uudet salat selvitä.

Woutersen on asiantuntija infrapunaspektroskopiassa, jolla päästiin tutkimaan yksityiskohtaisesti veden molekyylirakennetta. Kävi ilmi, että molekyylitasolla vedessä tapahtuneet muutokset olivat samanlaisia kuin kahden aiemmin, jo 1990-luvun alkupuolella, havaitun jään olomuodon välillä.

Tuoreet tulokset osoittavat, että "kiteytymisverhon" takana todella tapahtuu olomuodon muutos nesteestä toisenlaiseksi nesteeksi. Uusi löytö saattaa auttaa myös selittämään omituisuudet nestemäisen veden termodynaamisissa ominaisuuksissa.

"Tällainen käyttäytyminen on lähes ainutlaatuista lukemattomien tunnettujen molekyylinesteiden joukossa", Andell lisää. "Sitä arvellaan esiintyvän vain joidenkin muiden aineiden kohdalla, mutta ainuttakaan tapausta ei ole vielä pystytty todistamaan."

Vesitutkimuksesta kerrottiin EurekAlert!-sivustolla ja se on julkaistu Science-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Markus Hotakainen

Apua paukkupakkasiin – litiumakku, joka toimii -70 celsiusasteessa

To, 03/01/2018 - 13:14 Markus Hotakainen

Viime aikoina Siperiasta henkinyt arktinen ilmamassa on hyydyttänyt yhden jos toisenkin kännykän. Nyt Kiinassa on kehitetty litiumakku, joka antaa virtaa vaikka Oimjakonissa.

Akku- ja paristotekniikka on kehittynyt huimasti, mutta silti sähkövirran varastointi alkaa olla ongelmallista, jos lämpötila laskee reilusti pakkasen puolelle.

Perinteiset litiumioniakut hyytyvät siihen tahtiin, että -40 asteen lämpötilassa niiden kapasiteetti on pudonnut 12 prosenttiin huoneenlämmön arvoista. Ongelma on elektrolyytin eli ioneja kuljettavan aineen ja elektrodien rajapinnassa tapahtuvien reaktioiden hidastuminen lämpötilan laskiessa.

Yong-yao Xian johdolla on Shanghain yliopistossa kehitetty uudenlainen etyyliasetaattipohjainen elektrolyytti, jonka jäätymispiste on alhainen ja siten sen sähkönjohtavuus säilyy hyvänä kylmissäkin oloissa.

Elektrodien materiaaleina puolestaan käytettiin kahta orgaanista yhdistettä, polytrifenylamiinia (PTPAn) ja polyimidiä (PNTCDA), joka on 1,4,5,8-naftaleenitetrakarboksyylidianhydridin johdannainen.

Aiemmista materiaaleista poiketen niiden toiminta ei perustu interkalaatioon, jossa ionit kytkeytyvät elektrodien molekyylirakenteeseen – mikä hidastuu lämpötilan laskiessa. Siten alhainen lämpötila ei syö akun tehoa.

Orgaanisten aineiden käyttö akuissa ja paristoissa tekee niistä myös potentaalisesti edullisempia, sillä Xian arvion mukaan niiden hinta on noin kolmannes perinteisissä litiumioniakuissa käytetyistä siirtymäalkuaineista.

Laboratoriossa kehitetty uudenlainen akku ei vielä ole valmis kaupallisiin sovelluksiin. Sen energiatiheys on toistaiseksi melko huono, joten akut ovat tehoonsa nähden raskaita. Tutkijoiden mukaan tekniikka vaikuttaa kuitenkin lupaavalta.

Tutkimus on julkaistu Joule-tiedelehdessä.

Kuva: Yong-yao Xia et al.

Vesi voi esiintyä nestemäisessä olomuodossa vielä sadassa pakkasasteessa

To, 02/15/2018 - 16:48 Markus Hotakainen

Etenkin täällä "tuhansien järvien maassa" vesi mielletään tuttuakin tutummaksi aineeksi, mutta todellisuudessa sillä on useita tosi omituisia ominaisuuksia.

Jään kelluminen ei ole kenellekään yllätys: kiinteässä olomuodossa veden tiheys on pienempi kuin nestemäisessä. Siihen perustuu vesistöjen jäätyminen sillä tavoin kuin ne pakkasten tullen jäätyvät.

Yllättävämpää on, että jäästä tunnetaan 17 erilaisia muotoa ja toisaalta vesi voi esiintyä nesteenä ankarassakin pakkasessa.

Vedellä on teoreettisesti päätelty olevan myös hyvin harva-aineinen nestemäinen olomuoto, mutta sen tuottaminen on osoittautunut hankalaksi. Nyt Chuanlong Lin, Jesse Smith, Stanislav Sinogeikin ja Guoyin Shen ovat siinä onnistuneet.

Veden tiheys normaalioloissa on gramma kuutiosenttimetriä kohti eli litra vettä painaa kilon. Tiheys voi olla lämpötilasta riippuen jotain muutakin, joko suurempi tai pienempi, mutta etenkin "harvan" veden tutkimus on vaikeaa, koska sellaiseen olomuotoon on siirryttävä asteittain melkein yhtä hankalien, painetta ja lämpötilaa laskevien, vaiheiden kautta.

Carnegie-instituutin tutkijaryhmä käytti uutta tekniikkaa, jolla painetta pystytään alentamaan hyvin nopeasti. He muuttivat korkeassa paineessa esiintyvää kiteistä "jää-VIII:aa" rakenteeltaan timanttia muistuttavaksi "jää-Ic:ksi", jota esiintyy lämpötilavälillä 140–165 kelviniä eli 133–108 celsiusastetta pakkasta.

Röntgensäteilyn avulla tutkijat pystyivät havaitsemaan, että tiheydeltään alhaista nestemäistä vettä esiintyi noin puolen sekunnin ajan -108 celsiusasteen lämpötilassa.

Oleellista oli paineen alentaminen hyvin nopeasti, lähes 50 gigapascalia sekunnissa. Jos paineenalennus tapahtui hitaasti, alle 0,01 gigapascalia sekunnissa, jää-VIII muuttui vaiheittain muiksi jään muodoiksi ilman nestemäistä, joskin lyhytaikaista välivaihetta.

Hyisestä vedestä kerrottiin Garnegie-instituutin uutissivuilla ja tutkimus on ilmestynyt Proceedings of the National Academy of Sciences -tiedejulkaisussa.

Kuva: Chuanlong Lin & Guoyin Shen

Video: Kuinka lasia leikataan ruokaöljyllä

Onko joskus tullut vastaan tilanne, jossa lasipurkin tai -pullon kaulaosuus ehkä haittaa käyttöä, tai astia on muuten vain liian korkea? Tai pitäisikö pinnasta saadakin vino? Tässä on oiva keino hoitaa ongelma ohuen öljypinnan avulla!

Keksitkö, miksi tämä toimii? Katso ensin video ja vasta sitten selitys alta.

Lämmön kulkeutuminen aineesta toiseen on mielenkiintoista, usein hyvin hyödyllistäkin. Tästä ovat esimerkkeinä vaikkapa ilman käyttö eristeenä ikkunoissa ja villapuseroissa, sekä juottokolvin tai paistinpannun nopea lämpeneminen.

Videolla on kysymys samasta asiasta, lämmön siirtymisestä.

Niksin idea on, että kuuma metallipuikko kuumentaa öljyä roimasti. Lämpötilaero lasin pinnassa saa sen halkeamaan juuri oikealta kohdalta. Mitä pienempi öljyn kosketuspinta lasiin on, sen tarkempi tuloksesta tulee.

Toisella videolla leikkaaminen tapahtuu pistämällä öljy purkin sisälle. Sekin toimii, mutta rajasta tulee selvästi epätasaisempi. Syy on pienemmässä tilavuudessa, mikä johtaa nestepinnan nousuun ja aaltoiluun leikkauksen aikana. Myös paksumpi öljykerros voi haitata.

Tärkeintä osaa tempussa näyttelee joka aineelle ominainen suure, ominaislämpökapasiteetti. Vedellä se on 2,1–2,5 kertaa öljyä suurempi, riippuen mitä öljyä käytetään. Tämä tarkoittaa, että veteen joutuu upottamaan tuplasti enemmän energiaa, jotta sen lämpötila nousee yhtä paljon kuin öljyllä. Metallipuikko siis lämmittää eritoten öljykerrosta, joka siirtää energian tehokkaasti lasiin.

Vesi toimii tempussa tukipintana, jonka päällä leikkaava kuuma öljy kelluu, ja toisaalta pitää lasipurkin alaosan viileänä. Öljyn yläpuolella saman asian hoitaa Ilma.

Joko kesä alkoi?

La, 05/07/2016 - 10:20 Markus Hotakainen
Kesä?

​Virallisen määritelmä mukaan terminen kesä alkaa, kun vuorokauden keskilämpötila nousee pysyvästi kymmenen plusasteen yläpuolelle. Viime päivinä on ollut lämmintä ja aurinkoista, ja monien mielestä kesä on jo ilmiselvästi alkanut.

Päivän kuvaTermisen kesän määritelmään kuuluu kuitenkin myös se, että keskilämpötila nousee ”pysyvästi” +10 asteen paremmalle puolelle. Pysyväisyys on tietysti ailahtelevaista, mutta yksi tai kaksi lämmintä päivää ei vielä tee kesää. Kun Suomi on lisäksi pohjois-eteläsuunnassa pitkä maa, kesä alkaa muutenkin sitä myöhemmin mitä pohjoisemmas mennään.

Kun nyt eletään vasta toukokuun alkupuolta, yöt voivat edelleen olla kylmiä, ja Lapissa mittarit näyttävät yhä öisin pakkaslukemia. Tilastollisesti terminen kesä alkaa eteläisessä Suomessa toukokuun puolivälin jälkeen ja pohjoisimmassa Lapissa vasta juhannukselta. Mutta kesää kannattaa kuitenkin viettää silloin, kun siltä tuntuu. Viime vuonnahan se uhkasi jäädä kokonaan väliin.

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.