typpi

Aine, joka ei pala tulessakaan

Ti, 07/28/2015 - 08:19 Markus Hotakainen

Todellisuudessa hafnium-typpi-hiili-yhdisteen sulattamiseen tarvitaan huikean paljon korkeampi lämpötila kuin tavallisella tulella saadaan aikaan. Tai tarvittaisiin, sillä tällaista ainetta ei ole olemassakaan.

Tätä mielikuvitusainetta on toistaiseksi kehitetty vain supertietokoneiden uumenissa. Axel van de Walle ja Qijun Hong ovat mallintaneet yhdistettä, joka tunnetaan nimellä HfN0.38C0.51. He totesivat, että sen sulamispiste on korkeampi kuin yhdelläkään tunnetulla tai teoreettisella aineella.

Kestävä yhdiste sulaa laskelmien mukaan vasta noin 4 130 celsiusasteen lämpötilassa. Mallinnuksessa tutkijat säätivät hafniumin, hiilen ja typen suhteellisia runsauksia yhdisteessä. Tietyillä määrillä sulamispiste nousi laskennallisesti noin 200 astetta korkeammaksi kuin hafniumin, tantaalin ja hiilen yhdisteellä, jolla on korkein kokeellisesti todettu sulamispiste.

"Laskennallisella tutkimuksella on se etu, että voimme kokeilla monia erilaisia yhdistelmiä hyvin edullisesti ja etsiä sellaisia, joita kannattaa testata laboratoriossa", toteaa van de Walle. 

Tutkijat sovelsivat menetelmää, jossa sulamispiste määritetään simuloimalla fysikaalisia prosesseja atomitasolla. Laskennallisesti sulamista tarkastellaan nanoskaalassa eli noin sadan atomin kokoisissa ”kappaleissa”. Silloin joudutaan tekemisiin kvanttimekaanisten ilmiöiden kanssa.

"Aineen sulaessa entropia kasvaa, kun olomuoto muuttuu. Jos kiinteän olomuodon entropia on jo valmiiksi suuri, se vakauttaa ainetta ja nostaa sen sulamispistettä", van de Walle selittää.

Tutkijoiden seuraavana tavoitteena on valmistaa ainetta ja tutkia kokeellisesti sen ominaisuuksia. van de Wallen mukaan toistaiseksi on kuitenkin epävarmaa, onko aineelle mitään hyödyllistä käyttöä. Sitä voitaisiin kenties käyttää esimerkiksi kaasuturbiinien lapojen pinnoittamiseen.

"Sulamispiste ei ole aineen ainoa tärkeä piirre. Lisäksi on tarkasteltava esimerkiksi mekaanisia ominaisuuksia ja hapettumisen sietokykyä. Niiden takia yhdisteeseen on ehkä lisättävä aineita, jotka alentavat sen sulamispistettä", arvioi van de Walle.

Tutkimuksesta kerrottiin Brownin yliopiston uutissivuilla ja se ilmestyi Physical Review B -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: van de Walle lab/Brown University

 

 

Plutosta pakenee avaruuteen 500 tonnia typpeä tunnissa

Pe, 07/17/2015 - 21:15 Jarmo Korteniemi

New Horizons -luotain on lähettänyt jälleen Maahan uusia ällistyttäviä Pluto -havaintojaan. Niistä kerrottiin juuri loppuneessa NASAn tiedotustilaisuudessa.

Pluton "sydänkuvion" kirkkaat länsi- ja keskiosat on nimetty "Sputnik Planumiksi". Alue vaikuttaa olevan kauttaaltaan hiilimonoksidi- eli häkäjään peitossa. Se on ainoa paikka missä koko pallolla ainetta on löytynyt. Häkä sublimoituu ja virtaa ylös kaasukehään.

Sputnik Planumilla risteilee suuria 20-25 km läpimittaisia monikulmioita. Niiden syntymekanismi on kuitenkin erittäin epäselvä. Polygonien läpimitta on samaa luokkaa kuin Marsistakin löydetyt "jättipolygonienkin". Samankaltaisten piirteiden löytyminen näinkin kaukaa voi auttaa hahlomaan kummankin paikan geologiaa paremmin. Tällä hetkellä selitysmalleja Pluton piirteille on useita: Kyse voisi olla joko pinnan laajamittaisesta tiivistymisestä lämpötilan vaikutuksesta, tai sitten tehostuneesta sublimoitumisesta piirteiden välisillä alueilla.

Yllä: Pluton sydänkuvion keskustan tienoilla maasto koostuu suurista polygoneista. Skaala: 100 mailia = 161 km, 20 mailia = 32 km.

Sputniktasangolta löydettiin myös tummia viiruja, jotka vaikuttavat tuulen aiheuttamilta. Tuulen sijaan kyse voi tosin olle myös geysirien kaltaisista pinnanalaisista purskahduksista, samaan tyyliin kuin Tritonillakin tapahtuu. Tummasta keskuksesta lähtevät viirut himmenevät kauemmas mentäessä. Tutkijoiden mukaan on mahdollista, että kyse on hiilivedyistä.

Kaasukehästä häviää rutkasti typpeä

Pluton kaasukehästä häviää alustavan tiedon mukaan roppakaupalla typpeä: Alustava arvio on noin 500 tonnia tunnissa. Avaruudessa ionisoituvasta kaasusta muodostuu Plutolle pitkä, aurinkotuulessa lepattava typpipyrstö. Pyrstö näkyy otsikkokuvan taustalla sinisenä.

Karkaavan materian määrä on valtava. Esimerkiksi Marsin kaasukehästä katoaa vain tonni tunnissa. Pluton pienempi painovoima päästää tavaraa helpommin pois.

Jos nyt havaittu ainemäärä ekstrapoloidaan Pluton koko 4,5 miljardin vuoden historian ajalle,  kääpiöplaneetan pinnalta olisi hävinnyt 300–3000 metrin paksuinen kiinteän typen kerros. Tämä on kuitenkin erittäin spekulatiivista, sillä kaasun häviämistahti vaihtelee varmasti jo vuoden aikana hyvin paljon, saati sitten miljoonien tai miljardien vuosien skaalassa.

----

Alla on NASAn tänään julkaisema, kuvista koostettu video, joka näyttää miltä maisema vaikutteisi sen yli lennettäessä. Kuvissa olevat paikat on nimetty Norgay Montesiksi (Norgayvuoret) ja Sputnik Planumiksi (Sputniktasannoksi). Vuoristo on saanut nimensä Tenzing Norgayltä, Edmund Hillaryn Everest-vuorelle johdattaneelta shepra-oppaalta, joka todennäköisesti oli huipulla myös ensimmäisenä.

Pluto-kuvat ja animaatio: NASA / JHUAPL / SWRI

Pluton piirteitä: haljennut sydän, Balrog ja Cthulhu

Ke, 07/15/2015 - 15:50 Jarmo Korteniemi

Pluton pinnan salaisuudet alkavat hiljalleen avautua tutkijoille. Osa New Horizons -luotaimen lähettämä aineistosta sopii hyvin Maasta tehtyihin tutkimuksiin. Osa taas ei sovi ollenkaan, edes toisiinsa.

Aineita pinnalla ja pinnan päällä

Kuvan keskellä näkyy "sydän".  Se on muodostunut kahdesta osasta: vasen vaikuttaa olevan valtava törmäysallas ja oikea taas laajalle levittäytyvä kraatteroitunut tasanko. Syväntä täyttävä vaalea materia on yhtälailla kaksijakoinen, mutta aineista ei ole vielä täyttä selvyyttä. Kyse voi olla typpilumesta (N2), häkä-jäästää (CO), kummastakin, tai jostain muusta. Häkä-ideaa tukee se, että tuo aines on saatu kartoitettua jo Maasta käsin. Havaittu muoto täsmäisi hyvin ainakin vasempaan "sydämen" lohkoon.

Pluton napajäätikkö koostuu tiettävästi typpi- ja hiilidioksidijäästä. Maasta tehtyjen tutkimusten perusteella Pluton väritys muuttuu alituiseen: pohjoinen alue kirkastui ja eteläinen tummui 1993-2004, ja lopuksi koko Pluto muuttui punertavammaksi. Kyse on vuodenaikojen vaihtelun aiheuttamasta sublimaatiosta, jäätymisestä ja aineiden siirtymisestä eri alueille kääpiöplaneetan pinnalla.

Yllä: Pluton parhaiten nähdyn puoliskon alustava kartta. Värit ilmentävät erilaisia geologisia yksiköitä. Katso myös aiempi kartoitus vastakkaiselta pallonpuoliskolta. Kuva: NASA / JHUAPL / SRI / Jarmo Korteniemi (kartoitus).

 

Pluton kaasukehä aiheuttaa tutkijoille yhä harmaita hiuksia. Pitkän linjan Pluto-tutkija Ralph McNutt on varsin skeptinen aiemmin julkistetun typpi-ionilöydön suhteen. Hänen mukaansa on varsin todennäköistä, että kyse oli aurinkotuulen aiheuttamasta anomaliasta. Tämä olisi myös paremmin linjassa sen kanssa, mitä muut tutkimukset ovat kertoneet Pluton kaasukehästä. Se ei olekaan niin mittava kuin aiemmin luultiin.

Vaikuttaa siltä, että Kharon nappaa osan Plutosta karkaavista aineista. Kharonin tumma alue voi hyvinkin olla suuri allas, johon päätyy kasoittain Plutosta peräisin olevaa materiaa. Tumma aines nimittäin vaikuttaa varsin erilaiselta kuin loppu Kharonista, mutta varsin samankaltaiselta kuin naapurinsa ekvaattorin juuri nimetyt alueet (tai oikeastaan koko Pluto). Oletus on, että kyse on hiilipitoisista ja punertavista toliineista.

Uutta nimistöä

Tiistaina pidetyssä tiedotustilaisuudessa julkistettiin kartta, johon on nimetty Pluton ekvaattoria kiertävät tummat läikät (otsikkokuva). Mukana on esimerkkejä niin kirjallisuudesta (Cthulhu ja Balrog) kuin mytologiastakin (Meng-p'o, Krun, Ala, Vucub-Came ja Hun-Came). Nimet eivät ole virallisia, vaan yleisökampanjan avulla kerättyjä. Ne voivat siis vielä muuttua ennen IAU:n hyväksyntää.

Nimet heijastelevat muutoinkin Pluto-systeemin tuonpuoleiseen viittaavaa nimittelyä: Kuista Kharon on kreikkalaisessa mytologiassa Haadeen lautturi, Styx on virta manalan ja elävien maailman välillä. Nix on Kharonin äiti, ja Kerberos manalaa vartioiva hauveli. Kääpiöplaneetta itse on manalan jumala – roomalaismytologiassa, tosin.

Kirjoittaja taas on luotainkuvien analysointiin erikoistunut planetologi.

Päivitys klo 16.15: Lisätty tieto Maasta tehdyistä tutkimuksista.

Lähteinä käytetty NASAn kuvia sekä MSNBC:n artikkelia sekä Emily Lakdawallan Twitter-tilillään raportoimia asioita tiedotustilaisuudesta.

Pluto-ohilennon ensimmäisiä tiedetuloksia: Typpijäätikkö ja vuotava kaasukehä

Ti, 07/14/2015 - 08:29 Jarmo Korteniemi
Kuva: JHUAPL/SwRI

New Horizons -luotaimen tutkimustiimi on julkistanut ensimmäiset tieteelliset löydökset kääpiöplaneetasta. Ne perustuvat viimeisen kahden viikon aikana tehtyihin mittauksiin. Pääkohtia on neljä:

  1. Plutolla on metaani- ja typpijäinen napalakki, joka erottuu koostumukseltaan selvästi päiväntasaajan tummasta materiasta. Napa-alueet vaikuttavat varsin samankaltaisilta kuin Neptunuksen Triton-kuulla on. Asiaa osattiin jo aiemmin epäillä, mutta nyt se on varmistettu.
  2. Pluto on luultua suurempi: Sen halkaisija onkin 2350–2390 kilometriä. Pluto nousi samalla suurimmaksi tunnetuksi kääpiöplaneetaksi. Aiemmin Plutoa luultiin hieman pienemmäksi kuin kauempana kiertävä, tarkasti 2324–2348 km levyiseksi todettu Eris.
  3. Pluto on luultua harvempi. Suurempi läpimitta laskee tiheyttä (koska massa ei ole muuttunut). Plutossa on siis enemmän jäätä ja vähemmän kiveä kuin aiemmin oletettiin. Eris on yhä massiivisin ja tihein kääpiöplaneetta: se on 27 % Plutoa raskaampi.
  4. Pluton kaasukehä toimii eri tavoin kuin luultiin. Havaintoja kaasukehästä karkaavista typpi-ioneista alettiin saada jo 4–5 miljoonaa kilometriä odotettua etäämmältä. Tämän perusteella kaasukehä onkin paljon luultua aktiivisempi ja sen materiaa katoaa avaruuteen nopeammin kuin mallit antavat ymmärtää. Tai sitten typen muuttuminen ioneiksi toimiikin eri tavoin kuin luultiin. Kaasukehän pitäisi myös olla oletettua ohuempi, sillä sen paksuus perustuu vanhaan läpimittaan. Pluton kaasukehän toiminta on ollut tutkijoille suuri haaste, aina löytymisestään lähtien. Alla oleva kuva osoittaa paitsi Maan ja Pluton suhteelliset koot, niin myös kaasukehien koot.

New Horizons on nyt lähettänyt viimeiset navigointia varten ottamansa kuvat Maahan, ja keskittyy nyt lähiohituksen kiireisiin kuvaus- ja mittaustoimiin.

Juttu perustuu Planetary Societyn blogissa kerrottuihin tietoihin NASAn tiedotustilaisuudesta.

Luonnon oma kolmikantadiili

Ke, 01/22/2014 - 22:52 Markus Hotakainen

Tutkijat ovat todenneet, että Etelä-Amerikassa asustavalla kolmivarvaslaiskiaisella, yöperhosilla ja levillä on keskinäinen yhteistyösopimus, josta kaikki hyötyvät. Jonathan Paulin johtama Wisconsin-Madison-yliopiston tutkijaryhmä selvitti erikoisen symbioosin, joka takaa kolmen hyvin erilaisen lajin menestymisen, mutta tekee ne toisaalta toisistaan riippuvaisiksi.

Kolmivarvaslaiskiaiset syövät pelkästään puiden lehtiä, jotka sulavat huonosti ja joiden ravinnepitoisuus on kehno. Niiden aineenvaihdunta on hyvin hidas ja liikehdintä sen mukaista. Laiskiaiset asustavat puiden oksistossa ja laskeutuvat maahan vain noin kerran viikossa kakkiakseen puun juurelle.

Vessareissu on paitsi rasittava – se kuluttaa kerralla liki kymmenyksen eläimen energiavarannoista – myös vaarallinen: puun juurella kykkivä verkkaisesti liikkuva nisäkäs on petoeläimille helppo saalis. Tutkijoita on askarruttanut, miksi nimensä mukainen kolmivarvaslaiskiainen ylipäätään vaivautuu laskeutumaan puusta, kun sen kaksivarpainen serkku hoitaa tarpeensa oksistossa.

Nyt arvoitukseen on löytynyt ratkaisu. Cryptoses choloepi -yöperhoslaji elää ainoastaan laiskiaisen turkissa. Isäntänisäkkään laskeutuessa maahan perhosnaaraat pääsevät munimaan maassa oleviin tuoreisiin ulosteläjiin. Kun munista kuoriutuneet toukat aikansa aterioituaan koteloituvat ja aikuiset perhoset puolestaan kuoriutuvat, ne lentävät laiskiaisen turkkiin parittelemaan.

Kosteassa ilmanalassa laiskiaisen turkki on usein läpimärkä, mikä takaa erinomaiset elinolosuhteet leväkasvustolle. Perhoset kuljettavat mukanaan typpeä, joka on levien kasvun kannalta tärkeä ravinne. Perhosten tuoman "typpilannoitteen" turvin turkissa kukoistavat levät puolestaan tarjoavat laiskiaiselle kovasti kaivattuja lisäravinteita, joita sen syömistä lehdistä puuttuu. Kaikki hyötyvät – paitsi ne epäonniset laiskiaiset, jotka sattuvat joutumaan jaguaarin saaliiksi.

Tutkimus ilmestyi 22. tammikuuta Proceedings of the Royal Society B -julkaisussa ja siitä kerrottiin Royal Societyn uutissivustolla.

Kuva: Stefan Laube