ilmiöt

Päivän kuva 15.4.2013: F-22 rikkoo äänivallin

Ma, 04/15/2013 - 00:14 Jari Mäkinen

Erinomainen otos hetkestä, jolloin Yhdysvaltain uusi, monien ongelmien ja roiman budjettiylityksen kanssa painiva F-22 Raptor -hävittäjä ylittää äänivallin koelennolla Alaskanlahden taivaalla. Paineaallon kartomainen muoto näkyy erinomaisesti paitsi siipien etureunassa, niin myös kohdissa, missä siipien kapeampi kohta alkaa sekä missä se loppuu ja siivet alkavat levitä. Pilvi on – kuten muutkin taivaan pilvet – pieniä vesipisaroita, jotka sokkiaallon alipaine puristaa ilman kosteudesta.

Kuva: Yhdysvaltain merivoimat / Ronald Dejarnett

En pidä kesäajasta!

Ensi yönä, maaliskuun 30. ja 31. päivien välisenä yönä siirrytään jälleen kesäaikaan. Silloin kelloja käännetään klo 03:00 näyttämään kello neljää, mutta saman tunnilla eteenpäin siirtymisen toki voi tehdä myöhemminkin. Ideana on se, että näin aamulla herätessä on valoisampaa.

Kesäaikaan siirtyminen ei ole mitenkään tärkeimpiä asioita maailmassa, mutta varmasti yksi tyhjänpäiväisimmistä tavaksi muodostuneista historiallisista jäänteistä. Varmastikin aikanaan on ollut tärkeää käyttää hyväksi kaikki päivänpaiste ja siirtää siksi kelloja tunnilla edes- ja taaksepäin kevällä ja syksyllä, mutta nykyisin yhteiskunta elää joka tapauksessa kellon ympäri, joten edut ovat hyvin kyseenalaiset.

Kesäaika otettiin ensimmäisen kerran käyttöön ensimmäisen maailmansodan aikaan Saksassa vuonna 1916 ja Britannia sekä Yhdysvallat tekivät samoin seuraavina vuosina. Tärkein peruste oli tuolloin järkevä: oli pula-aika ja kun valtaosa ihmisistä pystyi käyttämään hieman enemmän päivävaloa hyväkseen, säästyi hiiliä ja sähköä. Kesäajasta luovuttiin kuitenkin monissa paikoin pian, koska kellojen vääntely ei ollut ihmisten mieleen. Tosin taas ajatus otettiin uudelleen esiin toisen maailmansodan jälkeen ja lopulta 1980-luvun alussa lähes kaikki Euroopan maat olivat ottaneet kesäajan käyttöön. Suomessa näin tehtiin vuonna 1981.

Tähtitieteilijän näkökulmasta kesäaika on naurettava keksintö kahdestakin syystä: ensinnäkin se pakottaa elämään keinotekoisesti kauempana omasta aurinkoajasta ja toiseksi se tekee illoista yhä valoisampia. On toki mukavaa paistatella päivää pitempään, mutta samalla se tarkoittaa sitä, että pimeä yö tulee myöhempään. Aurinko ei ole etelässä enää keskipäivällä, vaan iltapäivällä. Luonnollisestikaan suuri osa ihmisistä ei kiinnitä mitään huomiota siihen missä Aurinko on milloinkin ja mikä on tähtitaivaan suhde kellonaikaan, mutta tämä on myös yksi peruste sille, miksi kesäaika on nykyisin menettänyt merkityksesä: juuri kukaan ei elä enää Auringon mukaan, vaan kellon mukaan. Elämä menee eteenpäin koko ajan päivänvalosta riippumatta, lamput loistavat monissa toimistoissa ympäri vuorokauden joka tapauksessa ja kodeissa illalla säästetty sähkö käytetään aamulla. Kesäajasta lienee nykyisin lopulta enemmän haittaa kuin hyötyä. Kellojen siirtely vie energiaa ja aiheuttaa kustannuksia, koska kaikki yhteiskunnassa toimii kellonajan perusteella. Ja koska kaikkialla maailmassa ei siirrytä kesäaikaan samana päivänä (eikä kaikkialla siirrytä lainkaan), pitää näinä aikoina ja syksyllä normaaliaikaan siirtymisen aikoihin olla tarkkana.

Nykytekniikka saa tosin monet kellot ottamaan kesäajan huomioon automaattisesti, mutta tämäkin luo omat ongelmansa: mikä kello on siirtynyt itsekseen ja mikä ei? Kelloja on lisäksi joka puolella, joten ainakin meillä kotona siirtämättömiä kelloja löytyy vielä viikkojen päästäkin. Kesäajasta luopumisesta on käynnissä myös kansalaisaloite.

Ihmeellinen vesi

To, 03/07/2013 - 15:24 Toimitus

Vesi on kummallinen aine. Se voi esiintyä kolmessa eri olomuodossa samoissa olosuhteissa – tai ainakin melkein. 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.

Kun veden lämpötila nousee sataan celsiusasteeseen, vesimolekyylien liike on nesteessä jo niin rivakkaa, että niitä alkaa sinkoilla vedenpinnasta ilmaan. Jos ollaan tarkkoja, esimerkiksi teekattilasta nouseva ”höyry”, järvenpinnasta vilakkaan 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.

Tagit

Sateenkaaren tuolla puolen

Su, 03/03/2013 - 10:30 Toimitus

Kesäisenä sadepäivänä pilvien jo hiljalleen hajaantuessa taivaalle voi leimahtaa upea sateenkaari. Silloin aurinko pilkahtaa pilvien raosta ja paistaa väistyvän sateen langettamiin pisaroihin. Sateenkaari näkyy aina vastakkaisella puolella taivasta kuin aurinko, koska valo heijastuu sadepisaroista takaisin tulosuuntaansa.

Pelkkä valon heijastuminen vesipisaroista ei kuitenkaan riitä selittämään sateenkaaren värejä, siihen vaaditaan myös valon taittumista. Kun auringonvalo taittuu ja heijastuu vesipisaroissa, valkoiselta näyttävä auringonvalo hajoaa – kirjaimellisesti – sateenkaaren väreihin. Punainen, oranssi, keltainen, vihreä, sininen, indigo ja violetti ovat väreinä sitä hehkuvampia ja kirkkaampia, mitä suurempia vesipisarat ovat.

Kun auringonvalo kulkee sadepisaran pinnan läpi, valon kulkusuuntaa muuttuu, koska se siirtyy harvemmasta aineesta tiheämpään: ilmasta veteen. Valo heijastuu kertaalleen pisaran sisäpinnasta ja kun se taas poistuu vesipisarasta, sen kulkusuunta muuttuu jälleen: tällä kertaa se siirtyy tiheämmästä aineesta harvempaan eli vedestä ilmaan.

Kahden taittumisen ja yhden heijastumisen seurauksena valon kulkusuunta muuttuu vesipisarassa aina saman verran, 42 astetta. Siksi sateenkaari näkyy taivaalla vastapäätä aurinkoa ja kaartuu ilmiötä ihailevan katsojan pään varjon ympärille 42 asteen etäisyydellä.

Valon kulkusuunta ei kuitenkaan muutu täsmälleen 42 astetta, sillä valon eri aallonpituudet eli värit taittuvat eri tavoin: punainen taittuu vähiten ja violetti eniten. Siksi punainen väri on sateenkaaren ulkoreunassa ja violetti sen sisäreunassa. Niiden välissä ovat muut värit eli oranssi, keltainen, vihreä ja sininen.

Usein kirkkaan sateenkaaren ulkopuolella näkyy toinen, hieman himmeämpi sivusateenkaari. Sen värit ovat samat kuin pääsateenkaaressa, mutta niiden järjestys on päinvastainen: ulkoreunalla on violetti ja sisäreunalla punainen. Sivusateenkaari on himmeämpi, koska sen synnyttävä valo heijastuu sadepisaran sisällä kahdesti. Jokaisessa heijastumisessa valoa menee hivenen haaskoon.

Sateenkaaren kirkkauden lisäksi ylimääräinen heijastus pisaran sisällä vaikuttaa myös kaaren kokoon. Valon kulkusuunta muuttuu kahden taittumisen ja kahden heijastumisen tuloksena noin 51 astetta, joten sivusateenkaari kaartuu katsojan pään varjon ympärille 51 asteen etäisyydellä. Siksi sivusateenkaari on aina pääsateenkaaren ulkopuolella. Pääsateenkaaren sisäreunalla näkyy toisinaan niin sanottuja interferenssikaaria, joita ei pidä sekoittaa sivusateenkaareen. Joskus useita kertoja toistuvat vihreän ja sinisen sävyt johtuvat valon aaltoliikkeestä: interferenssissä hieman eri vaiheissa olevat aallot vahvistavat tai heikentävät toisiaan.

Pää- ja sivusateenkaaren välissä on niin sanottu Aleksanterin tumma vyöhyke. Sen alueelta tulee katsojan suuntaan vähemmän valoa kuin pääsateenkaaren sisäpuolelta ja sivusateenkaaren ulkopuolelta. Nimensä vyöhyke on saanut Aleksanteri afrodisialaiselta, joka pohti sateenkaaren syntyä vuoden 200 tienoilla. Auringonvalon hajoamisen väreihin selitti Isaac Newton noin 1500 vuotta myöhemmin.

Sydänkesän keskipäivällä aurinko kohoaa eteläisessä Suomessa yli 53 asteen korkeudelle, joten silloin taivaalla ei voi näkyä sateenkaaria ollenkaan. Sekä pää- että sivusateenkaari jäävät taivaanrannan alapuolelle. Sen vuoksi sateenkaaria näkyykin eniten alku- ja loppukesästä.

Kun aurinko laskee alemmas, tulee ensin näkyviin sivusateenkaari – jos se on näkyäkseen – ja sitten myös pääsateenkaari. Toisinaan horisonttia viistävää sateenkaaren voimakkaan punaista yläreunaa ei välttämättä edes tunnista sateenkaareksi. Vasta kun kaari auringon hitaasti vajotessa kohoaa ylemmäs, tulee näkyviin myös muita värejä ja ilmiön tunnistaa sateenkaareksi. Aamupäivän puolella taivaanrantaa hipova sateenkaari tietysti vähitellen katoaa, kun auringon kipuaa yhä ylemmäs – edellyttäen, että sateenkaari pysyttelee taivaalla näkyvissä niin pitkään.

Vanhan kansanuskomuksen mukaan sateenkaaren päässä odottaa löytäjäänsä kulta-aarre. Sitä voi yrittää etsiä, mutta puuha voi osoittautua turhauttavaksi, koska sateenkaaren perään kiiruhtava aarteenetsijä joutuu huomaamaan, että sateenkaari pakenee samalla vauhdilla. Ehkä uskomus viittaa juuri tähän: kulta-aarteen löytäminen onnistuu yhtä helposti kuin sateenkaaren pään tavoittaminen.

Pääkuvan on ottanut davidyuweb ja se on julkaistu Creative Commons -lisenssillä Flickr-palvelussa.

Äänekäs lumi

To, 02/21/2013 - 11:15 Toimitus

Kipakassa pakkasessa lumella on mahdoton kävellä äänettömästi: jokainen askel saa lumen narskumaan. Narskuminen on sitä voimakkaampaa, mitä alhaisempi on lämpötila. Toisaalta nollakelillä ja suojasäällä lumi ei narsku lainkaan. Miksi? Ja miksi ei?

Pakkasella jalan alle jäävät lumihiutaleiden monihaaraiset jääkiteet hankautuvat toisiaan vasten ja katkeilevat terävästi napsahdellen. Mitä kireämpi pakkanen on, sitä lujempaa on kiteitä muodostava jää ja sitä kovemmin se napsuu särkyessään.

Maahan sataneessa lumessa on jääkiteitä valtavan paljon, joten yhdellä askeleella tulee rikkoneeksi suuren määrän yksittäisiä jääkiteitä. Silloin lukemattomat yksittäiset napsahtelut kuulostavat narskumiselta, vähän samanlaiselta kuin kävely pienten lasinsirpaleiden päällä – mitä kukaan ei tietysti alituiseen tule tehneeksi.

Suojasäällä jääkiteiden pinnalla on ohuelti vettä, joka ensinnäkin liukastaa kiteitä niin, ettei niiden hankautumisesta kuulu ääntä ja toisaalta myös vaimentaa katkeilevista kiteistä kuuluvaa napsahtelua. Lisäksi jää on lämpötilan ollessa plussan puolella myös pehmeämpää, joten napsahtelu on muutenkin miltei olematonta.

Toisaalta pakkassäällä ääntä pitävä lumi on hyvä äänieriste. Etenkin vastasataneen kuohkean lumipeitteen muodostavien hiutaleiden välissä on runsaasti ilmataskuja, jotka vaimentavat ääniaaltojen värähtelyjä. Erityisesti metsässä, missä lunta on myös puiden oksilla, hiljaisuus voi olla lumisateen jälkeen lähes rikkumaton.