vesi

Marsin magneettikenttä sykkii oudosti - tutkijat eivät osaa selittää miksi

La, 09/21/2019 - 22:24 Jarmo Korteniemi
Kuva: Nasa/JPL-Caltech
Marsin magneettikenttä sykkii keskiyöllä aivan ennennäkemättömällä tavalla. Asian selvitti planeetan pinnalle laskeutunut Nasan InSight-luotain. Laite sai myös viitteitä runsaista vesivarannoista syvällä planeetan uumenissa.

InSight-laskeutuja on kököttänyt Marsissa nyt lähes vuoden, yrittäen saada tolkkua planeetan sisäosista. Laskeutujan havainnoista on nyt viimein kerrottu ensimmäistä kertaa Genevessä pidetyssä EPSC-konferenssissa.

Kenties yllättävimmät löydöt tehtiin magneettikenttää mittaavalla magnetometrillä.

Monia yllätyksiä

Mielenkiintoisin löytö oli yön pimeimpinä tunteina toistuva täysin odottamaton magneettinen syke. Se tarkoittaa säännöllistä vaihtelua paikallisen magneettikentän voimakkuudessa (ja/tai sen suunnassa). Jopa pari tuntia kestävässä sykesarjassa yksi pulssi saattaa kestää yli minuutin. Voimakkaimmin aaltoilu näkyy pohjoissuunnassa, heikoimmin pystysuunnassa.

Jotain vastaavaa on nähty aiemminkin sekä Maassa että Marsissa. Moista magneettista vispausta tapahtuu tyypillisesti planeetan päiväpuolella (eli siellä missä aurinkotuulen, kaasukehän yläosien virtausten ja monien muiden tekijöiden vaikutukset ovat suurimmillaan) ja öisin lähellä napa-alueita (eli siellä missä kenttäviivat ohjaavat varautuneita hiukkasia kohti ilmakehää ja aiheuttavat revontulia).

InSightin huomaama sykintä tapahtuu kuitenkin keskiyön tienoilla ja päiväntasaajalla. Eli juuri silloin, kun alue on parhaassa mahdollisessa suojassa aurinkotuulelta, lähes 7000 kilometriä paksun kivikerroksen takana.

Vielä ei ole selvää mikä sykinnän aiheuttaa, mutta tutkijoilla on jo alustava idea (valistunut arvaus) mistä hommassa saattaa olla kyse.

Aurinkotuuli synnyttää Marsin hyvin heikon magnetosfäärin (vuorovaikuttaessaan sen kaasukehän kanssa) ja venyttää sen yöpuolelle suuntautuvaksi pitkäksi hännäksi. Lepattaessaan aurinkotuulen voimasta tuo häntä saattaisi sitten vuorostaan aiheuttaa kentän sykintää suoraan allaan olevalla pinnalla – eli juuri päiväntasaajan tienoilla, kun Aurinko on juuri planeetan toisella puolen. Vastaavaa ilmiötä ei ole ikinä havaittu Maassa, ehkä koska meikäläinen magnetosfääri on paljon voimakkaampi ja ilmakehä paksumpi.

Hypoteesi voitaisiin kenties tarkistaa Marsin magneettikenttää kiertoradalta tutkivalla MAVEN-luotaimella, jos se vain saadaan oikeaan paikkaan, oikeaan aikaan.

Tutkijat ovat InSightin löydöstä ymmärrettävästi innoissaan. Jos oudon sykkeen synty joskus vielä ymmärretään ja pulssit voidaan ennustaa, niitä voitaisiin käyttää planeetan sisäosien luotaamiseen. Parhaita tuloksia saisi magnetometrien linjastoilla tai verkostolla, tai pinnalla liikkuvien magneettikenttää mittaavien kulkijoiden avulla. Näin saatu aivan uudenlainen tieto voisi hyvinkin mullistaa käsityksemme Marsin kuorikerroksen rakenteesta ja kehityksestä.

Toinen yllätys oli luotaimen laskeutumispaikan magneettikentän voimakkuus. Aiempien kiertoratahavaintojen perusteella kentän voimakkuudeksi arvioitiin 20–350 nanoteslaa, mutta se osoitautuikin noin 20 kertaa suuremmaksi. Kentän lähde on magnetisoitunut kiviaines laskeutumisalueen alla.

Kannattaa huomata, että jopa tällainen oudon voimakas magneettikenttä jää kuitenkin vain sadasosiin Maan pinnalla vallitsevasta kentästä (leveyspiiristä riippuen 30–100 mikroteslaa).

Pohjavettäkin löytyi?

InSightin magnetometrillä tehtiin toinenkin erittäin mielenkiintoinen löytö: Jossain laitteen alla sijaitsee noin 2,5 kilometriä paksu kerros ainetta, joka on erittäin hyvin sähköä johtavaa. Kerroksen sijaintisyvyydeksi tutkijat arvioivat varovaisesti "enintään 100 kilometriä".

Valistuneiden arvausten perusteella varteenotettavin selitys olisi paksu  pohjaveden kerros. Kenties suolaista, ehkä veden ja jääsohjon sekoitusta.

Olettamusta tukevat lukuisat aihetodisteet. Marsin pinnalla on paljon vesijäätä ja kaasukehässä vesihöyryä. Pinnalla on nähty pieniä suolaveden purkauksia ja etelänavan läheltä on löydetty ainakin yksi iso suolaisen veden järvi jäätikön alta. Aikoinaan pinnalla virranneet ja seisoneet vesimassat ovat jättäneet monenlaisia selviä merkkejä sekä planeetan pinnanmuotoihin että mineraaleihin, eikä noiden vesimassojen katoamista ole ikinä kyetty täysin selittämään. Planeetan lämpötilan myös tiedetään nousevan syvemmälle mentäessä, vaikkei planeetan ydin enää olekaan yhtä kuuma kuin Maalla.

Vesi on selkein tunnettu aine, jolla havaittu sähkönjohtavuus voitaisiin selittää. Kerros saattaa myös hyvin olla alueellinen, ellei jopa globaali.

Pohjavesikerros ei siis olisi täysin odottamaton, mutta sen löytyminen olisi iso asia. Se ensinnäkin nostaisi roimasti marsilaisen elämän synnyn ja jopa nykyisyyteen asti säilymisen todennäköisyyttä. Ja mikäli pohjavesi olisi ihmisteknologialla saavutettavissa, "kaivoveden" saanti voisi olla suuri helpotus Marsiin kenties joskus matkaaville astronauteille.

EPSC-kokouksessa raportoidut InSightin löydöt ovat vasta alustavia, eikä niitä ole vielä ehditty vertaisarvioimaan.

Nasan InSight laskeutui Marsin pinnalle marraskuun 2018 lopulla. Laskeutumispaikka sijaitsee vulkaanisella tasangolla lähellä päiväntasaajaa (4.5° pohj. lev., 135.6° it. pit.). Alue on "tarkoituksella tylsä", sillä InSightin tehtävä ei ole perehtyä pinnan kummallisuuksiin vaan saada uusia tietoja syvältä planeetan uumenista.

Laskeutujan mukana Marsin pinnalle saatiin tutkimushistorian ensimmäinen magnetometri. Sillä tallennetaan laskeutumispaikan magneettikentän ajalliset vaihtelut ja muodostetaan kentästä tarkka kuva kolmella akselilla: itä-länsi, pohjois-etelä ja ylös-alas.

Marsin magneettikentästä saatiin hyvä yleiskuva jo 20 vuotta sitten kiertoratamittausten perusteella, mutta se ei kerro kaikkea. Pinnalta saadaan paljon tarkempaa tietoa kentän voimakkuudesta, suunnasta ja paikasta, sekä selvyys siihen kuinka kenttä aikaa myöten muuttuu.

Aiheesta kertoi Suomessa ensimmäisenä Tekniikan Maailma.

Lähteet: Russell ja kumpp., "The Martian Magnetic Field As Seen By InSight" (EPSC 2019); Andrews, Mysterious magnetic pulses discovered on Mars (National Geographic, 2019)

Aloituskuva: Nasa/JPL-Caltech

Marsin etelänavan läheltä löytyi mittava suolajärvi

Ke, 07/25/2018 - 21:42 Jarmo Korteniemi

Marsin etelänavan tuntumasta paksujen kerrosten alta on löytynyt järvi, jossa on alle nolla-asteista suolaista vettä. Liian "älykäs" tietokone oli vähällä estää Marsin ensimmäisen järven löytymisen.

Tutkijat ovat uumoilleet jo pitkään, että Marsin napajäätiköiden alla saattaisi olla nestemäistäkin vettä. Tätä ennen siitä ei vain ole saatu havaintoja.

Mutta nyt saatiin.

Marsin ensimmäinen järvi on noin 20 kilometrin levyinen ja sijaitsee 1,5 kilometrin syvyydellä lähellä etelänapaa (193o itäistä pituutta, 81o eteläistä leveyttä). Joistain uutisista poiketen järvi ei itse asiassa ole varsinaisen napajäätikön alla, vaan sen lähettyvillä levittäytyvällä laajalla tasangolla, vuorottelevien jää- ja tomukerrosten alla.

Järven syvyydestä ei ole tietoa, mutta varmaa on ettei kyseessä ole ainakaan mikään ohut kalvo jäätikön alapinnalla.

Järvi (punaisen ympyrän sisällä) sijaitsee etelänavan tuntumassa.
Ulompi musta raja osoittaa napa-alueen tasangon ja sisempi
napajäätikön rajat. Kuvan värit kertovat kunkin kohdan korkeudesta
verrattuna Marsin keskipintaan.

Järven veden oletetaan olevan hyvin suolaista. Syynä on se, etteivät paine ja lämpötila riitä pitämään puhdasta vettä nestemäisenä - edes tuolla syvyydellä. Suola alentaa sulamispistettä, ja nyt löydetyn järven vesi voi olla paljonkin nollan alapuolella. Suola on todennäköisesti perkloraattia, sillä sitä on löydetty muualtakin Marsista.

Löytö tehtiin käyttäen Mars Express -luotaimen MARSIS-tutkaa. Se on suunniteltu pinnanalaisten jää- ja vesikerrosten tunnistamiseen. Laitteen nimi on akronyymi sanoista Mars Advanced Radar for Subsurface and Ionosphere Sounding.

Tutkijat tunnistivat järven vuosien 2012 - 2015 välillä tehtyjen 29 ylilennon tutka-aineistosta. Alue pomppaa aineistosta esiin kirkkaana selvärajaisena piirteenä. Lisäksi selvisi, että tuolla kohdalla suhteellinen dielektrinen permittiivisyys on korkeampi kuin millään muulla alueella Marsissa. Tämä tarkoittaa, että tuon kohdan aines pystyy imemään energiaa sähkökentistä paljon paremmin kuin muualla. Sekä kirkkaus että permittiivisyys ovat hyviä vetisen aineen indikaattoreita.

Kuva: ESA / Orosei & al. / Science
Järvi on merkitty punaisella tutka-aineistosta laskettujen karttojen päälle. (ESA / Orosei & al. / Science)

Kyseessä todella vaikuttaa olevan jäätikön alainen järvi.

Mars Express -luotain on kiertänyt Marsia jo vuodesta 2003 ja tutka on toiminut pitkään. Miksi aineistossa selvästi näkyvä järvi sitten huomattiin vasta nyt? Syynä oli liian "älykkääksi" ohjelmoitu tietokone.

Merkkejä järvestä itse asiassa saatiin jo ennen vuotta 2012, mutta ne olivat epäselviä. Syynä oli se, että Maahan lähetettävän datavirran säästämiseksi Mars Express ei lähettänyt alkuvuosina "kotiin" MARSISin raakadataa, vaan aineistoa, josta tietokone oli jo poistanut kaikkein suurimmat poikkeamat. Käytännössä anomalinen kuvapiste oli korvautunut viereisten pikselien keskiarvolla, ja näin suurin osa yllättävistä kirkkaista pisteistä oli jäänyt tähän suodattimeen. Kun yhdeltä alueelta kuitenkin alkoi toistuvasti tulla vastaan aina vain enemmän jopa suodattimen läpi pääseviä kirkkaita signaaleja, tutkijat tilasivat kiintoisalta seudulta myös raakadatan. Ja niin he löysivät järven.

Marsin eteläisen napajäätikön ja viereisten kerrostumien arvioidaan sisältävän noin 1,6 miljoonaa kuutiokilometriä jäätä. Tämä on runsaat 50 % Grönlannin jäätikön tilavuudesta. Marsin etelänavan päälle ja ympäristöön kertyy joka talvi noin metrin kerros hiilidioksidijäätä, joka sublimoituu pois jälleen kevään tullen.

Löytö on saanut tutkijoilta sekä innostunutta että skeptistä vastakaikua. Antarktiksen Ellsworth-järven porausyritystä johtava geofyysikko Martin Siegert huomautti, että vaikka Marsin järvi muistuttaakin Grönlannin ja Antarktiksen jäätiköiden alaisia vesialtaita, sen synnyttäneet prosessit ovat todennäköisesti erilaisia. "Tästä avautuu hyvin mielenkiintoinen tutkimussarka Marsissa", hän jatkaa. MARSIS-tiimissä toimiva Jeffrey Plaut taas pitää järvitulkintaa mahdollisena, mutta huomauttaa että "ei se [järvi] mikään lukkoon lyöty löytö vielä ole".

Marsin pinnalla on planeetan nuoruudessa esiintynyt paljonkin nestemäistä vettä. Tästä kertovat monet rantaviivat, virtausuomat ja jääkerrokset ympäri planeettaa. Nykyisin vesi ei kuitenkaan voi virrata vapaasti hyvin matalan kaasukehän paineen vuoksi. Pinnalle tuleva vesi kiehuisi pian kaasuksi.

MARSIS-tutka toimii lähettämällä pintaa kohden radioaaltopulsseja. Osa aalloista heijastuu heti pinnasta, osa tunkeutuu syvemmälle, jopa kolmen kilometrin syvyyteen ennen heijastumistaan. Heijastumista tapahtuu erityisesti kiven ja jään tai veden rajapinnoilta. Laitteen aineisto koostuu näistä heijastuneista aalloista, jotka palaavat tutkaan asti.

Entäpä onko järvessä elämää? Tätä ei tiedetä. Suolan kyllästämä reippaasti alle nolla-asteinen vesi on luultavasti erittäin haastava, jos ei jopa mahdoton elinympäristö. On kuitenkin mahdollista, että sikäläinen elämä on sopeutunut meille tuntemattomilla tavoilla, tai että järvi on yhteydessä muihin vähemmän suolaisiin altaisiin vielä syvemmällä jään alla.

Järviä saattaa myöhemmin löytyä myös syvemmältä, tai jopa napa-alueiden ulkopuoleltakin. Aika näyttää. Nyt tiedetään mitä etsiä.

Löydöstä kertoi Suomessa ensimmäisenä Helsingin Sanomat.

Kirjoittaja on planetologi.

Päivitys klo 22.15: Korjattu Marsin napajäätikön koostumuksesta kertovaa virkettä. Siitä sai aiemmin kuvan, että etelänavalla olisi merkittäviä määriä CO2-jäätä koko ajan.

Päivitys klo 23.59: Lisätty kolmas kuva.

Lähteet: Orosei ja kumpp.: "Radar evidence of subglacial liquid water on Mars" (Science 2018); Clery: "Liquid water spied deep below polar ice cap on Mars" (Science news, 2018)

Kuvat: Nasa / ESA / Orosei & al. / Science

Superkuumaa vettä pikapikapikaa

Ti, 05/15/2018 - 12:05 Markus Hotakainen

Näillä helteillä uimavedet lämpenevät nopeasti, mutta tutkijat ovat kehittäneet menetelmän, jolla vesi saadaan kuumennettua 100 000 celsiusasteeseen 0,000000000000075 sekunnissa.

Vajaan pikosekunnin kymmenyksen kestävä pikakuumennus tehtiin tehokkaalla röntgenlaserilla. LCLS-laitteisto (Linac Coherent Light Source) löytyy Yhdysvaltain Kansallisesta kiihdytinlaboratoriosta. Tutkijat kohdistivat lyhyitä, mutta hyvin voimakkaita laserpulsseja vesisuihkuun.

"Yleensä kun vettä kuumennetaan esimerkiksi mikroaalloilla, molekyylit alkavat vain liikkua yhä nopeammin. Käyttämämme kuumennusmenetelmä oli tyystin toisenlainen", selittää tutkimusta johtanut Carl Caleman.

"Energinen röntgensäteily iski elektronit irti vesimolekyyleistä, jolloin varausten tasapaino rikkoutui. Atomien välillä alkoi yhtäkkiä vaikuttaa voimakas hylkimisvoima, mikä sai ne liikehtimään hyvin rajusti."

Alle 0,000000000000075 sekunnissa veden olomuoto muuttui nesteestä plasmaksi. Sen tiheys oli kuitenkin edelleen sama kuin nestemäisen veden, sillä atomit eivät ehtineet lyhyessä hetkessä liikkua juuri mihinkään.

"Aineen ominaisuudet ovat samankaltaisia kuin Auringon ja Jupiterin plasmalla, mutta sen tiheys on alhaisempi. Silti sen lämpötila on korkeampi kuin Maan ytimen", toteaa tutkimukseen osallistunut Olof Jönsson.

Mittausten tarkoituksena oli varmistaa simulaatioiden antamat tulokset. Sen lisäksi tutkimuksella on käytännön sovelluksia. Röntgenlasereita käytetään eri aineiden atomirakenteen tutkimiseen, mutta jos ne ovat nestemäisessä olomuodossa, ongelmana on rakenteen tuhoutuminen silmänräpäyksessä – samaan tapaan kuin nyt tehdyssä kokeessa. Tutkimuksen toivotaan antavan osviittaa, miten atomirakennetta voidaan tutkia tuhoamatta näytettä.   

Pikakuumennuksesta kerrottiin DESY-tutkimuskeskuksen (Deutsches Elektronen-Synchrotron) uutissivuilla ja tutkimus on ilmestynyt Proceedings of the National Academy of Sciences -tiedejulkaisussa (maksullinen).

Kuva: Carl Caleman, DESY/Uppsala University

Maan vesi on Kuutakin vanhempaa

To, 03/29/2018 - 10:47 Markus Hotakainen

Vallitsevan käsityksen mukaan Kuu syntyi, kun muotoutumassa olleeseen Maahan törmäsi suunnilleen Marsin kokoinen kappale. Teoria on nyt saanut lisävahvistusta ja samalla alkaa selvitä Maan veden alkuperä.

Ennen kuulentoja Kuun synnylle oli kolme teoriaa. Se olisi irronnut vinhaan pyörivästä Maasta, se olisi Maan sieppaama kappale tai se olisi syntynyt samaan aikaan Maan kanssa samasta Aurinkoa ympäröineen kaasu- ja pölypilven tihentymästä.

Kun astronauttien Kuun pinnalta keräämät kivet saatiin laboratorioihin, kävi ilmi, että mikään näistä teoriasta ei pidä paikkaansa.

Tutkijat kehittivät uusien tietojen pohjalta hypoteesin, jonka mukaan muinaisen Maan ja vähän pienemmän kappaleen törmäys sinkosi avaruuteen ainetta, josta osa jäi Maata kiertävälle radalle ja kasautui lopulta Kuuksi.

Ongelmana on ollut se, että Maan ja Kuun koostumuksissa on kuitenkin sekä yhtäläisyyksiä että eroja. Jos nuoren Maan ja törmänneen kappaleen koostumukset ovat olleet hyvin erilaiset – kuten Aurinkokunnan planeettojen nykykuosin perusteella voisi olettaa – miksi Maa ja Kuu eivät ole yhtä lailla selvästi toisistaan poikkeavat.

Tutkijat ovat ratkaisseet ongelman olettamalla törmäyksen olleen niin raju, että kappaleiden aineet sekoittuivat lähes täydellisesti, jolloin ruhjoutuneen Maan ja avaruuteen sinkoutuneen materian koostumukset olivat jokseenkin identtiset. Nykyisin havaittavat erot Maan ja Kuun välillä olisivat seurausta myöhemmästä asteroidipommituksesta.

Richard Greenwoodin johtama ryhmä on tutkinut hapen isotooppijakaumia sekä Kuusta tuoduissa että Maasta kerätyissä näytteissä. Kuun kivissä ja Maan oliviinimineraalissa eroa ei käytännössä ole, mutta kuukivien ja meikäläisten basalttien välillä havaittiin hapen isotooppien pitoisuuksissa muutaman miljoonasosan suuruisia eroja.

Tutkijoiden mukaan havainto tukee käsitystä, että törmäyksen aiheuttama aineen sekoittuminen oli lähes täydellistä. Mitatut erot selittyisivät "loppusilauksella" (late veneer), myöhemmin Maahan osuneiden asteroidien ja meteoriittien tuomalla aineksella.

Isotooppimittausten tulokset viittaavat myös siihen, että suuri osa Maan vedestä oli planeetallamme jo ennen törmäystä, jonka seurauksena Kuu syntyi. Aiemmin on arveltu, että valtaosa vedestä olisi tullut "jälkitoimituksena" Maahan osuneiden vesipitoisten asteroidien ja komeettojen mukana. Greenwoodin johtaman tutkimuksen mukaan ainoastaan 5–30 prosenttia nykyisestä vedestä olisi peräisin näistä myöhemmistä kosmisista törmäyksistä.

Havainnolla, että Maa onnistui säilyttämään suuren osan vedestään tuhoisasta törmäyksestä huolimatta, saattaa olla merkitystä myös eksoplaneettojen elinkelpoisuuksia arvioitaessa.

Tutkimuksesta kerrottiin ScienceDaily-uutissivustolla.

Kuva: Michael Elser/University of Zurich

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

Eksoplaneetan kaasukehästä löytyi vettä – ja paljon

Ma, 03/05/2018 - 22:52 Markus Hotakainen

WASP-39b on vuonna 2011 löytynyt "kuuma Saturnus", joka sijaitsee noin 700 valovuoden etäisyydellä meistä. Planeetta kiertää Neitsyen tähdistöön kuuluvaa tähteä, joka muistuttaa Aurinkoa ja on vain hieman omaa keskustähteämme pienempi.

Planeetalla on massaa reilu neljäsosa Jupiterista eli suunnilleen Saturnuksen verran, mutta halkaisijaltaan se on neljänneksen Jupiteria suurempi. WASP-39b on siis kuin turvonnut Saturnus.

WASP-39b kiertää tähteään vain 7,3 miljoonan kilometrin etäisyydellä, joten se on hyvin kuuma. Helteisyyttä lisää se, että planeetan pyörimisliike on lukkiutunut eli se kääntää aina saman puolen kohti tähteä.

Päiväpuolella lämpötila kohoaakin lähes 800 celsiusasteeseen. Tosin yöpuolen ikuisessa pimeydessä on miltei yhtä kuuma, sillä pimeän ja valoisan alueen rajan eli terminaattorin yli puhaltaa voimakkaita tuulia, jotka kuljettavat lämpöä öiselle pallonpuoliskolle.

Silti planeetan kaasukehässä on runsain mitoin vettä, joskin korkean lämpötilan seurauksena se ei ole nestemäisessä olomuodossa, vaan vesihöyrynä.

Hubble- ja Spitzer-avaruusteleskoopeilla tehtyjen spektrihavaintojen perusteella WASP-39b:n kaasukehässä on vettä kolme kertaa enemmän kuin Saturnuksessa.

Tutkijat olivat aavistelleet jo ennalta, että planeetan kaasukehässä voisi olla vettä, mutta sen määrä yllätti. Sitä on niin paljon, että WASP-39b ei ole voinut syntyä niillä nurkilla, missä se nyt kiertää tähteään.

Veden arvellaan olevan peräisin jäisistä kappaleista, jotka pommittivat planeettaa sen syntyvaiheissa. Alle kymmenen miljoonan kilometrin etäisyydellä auringonkaltaisesta tähdestä ei voi vaellella jäisiä kappaleita, joten WASP-39b on muotoutunut paljon kauempana ja vasta myöhemmin vaeltanut nykyiselle kiertoradalleen.

"WASP-39b osoittaa, että eksoplaneetat voivat poiketa koostumukseltaan huomattavasti Aurinkokunnan kiertolaisista. Toivon mukaan eksoplaneetoissa näkemämme monimuotoisuus antaa meille vihjeitä siitä, miten erilaisilla tavoilla planeetat voivat syntyä ja kehittyä", toivoo tutkimuksessa mukana ollut David Sing.

WASP-39b:stä tehdyt spektrihavainnot ovat jokseenkin yksityiskohtaisimpia, joihin nykytekniikalla on mahdollista päästä. Hannah Wakefordin johtama tutkijaryhmä odottaakin malttamattomana Webb-avaruusteleskoopin laukaisua avaruuteen – joka näillä näkymin lykkääntyy ensi vuoden loppuun tai peräti vuoden 2020 alkupuolelle.

Webb-teleskoopin havaitseman infrapunasäteilyn aallonpituuksilla on mahdollista tutkia esimerkiksi hiilen mahdollista esiintymistä planeetan kaasukehässä. Hiilen ja myös hapen runsaudet kertovat vesihöyryn ohella siitä, missä ja miten WASP-39b aikoinaan syntyi.

Löydöstä kerrottiin NASAn uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Astronomical Journal -tiedelehdessä.

Kuva: NASA/ESA/G. Bacon & A. Feild (STScI)/H. Wakeford (STScI/University of Exeter)

Kuussa onkin vettä vaikka muille jakaa!

Pe, 02/23/2018 - 21:29 Markus Hotakainen

Kiertolaistamme on perinteisesti pidetty rutikuivana paikkana, mutta ilmeisesti käsitys on tyystin väärä. Kuussa on vettä kaikkialla, mutta siihen on hankala päästä käsiksi.

Jos ja kun Kuuhun joskus palataan, on oleellista tietää, minkä verran siellä on vettä. Sitä voidaan nimittäin käyttää sekä juomavetenä että rakettipolttoaineen eli vedyn ja hengityksen kannalta suhteellisen keskeisen hapen valmistamiseen.

Tuoreet havainnot viittaavat siihen, että Kuussa on vettä aina ja kaikkialla. "Olipa vuorokaudenaika mikä tahansa ja katsoimmepa mille tahansa leveysasteelle, vettä näyttää esiintyvän", toteaa Joshua Bandfield, jonka johdolla tehty tutkimus on vastikään julkaistu.

Tähän saakka ollaan oltu käsityksessä, että Kuun vesi – eli jää – on keskittynyt napaseuduille, missä joidenkin kraattereiden pohjat ovat ikuisessa pimeydessä. Näihin "kylmyysloukkuihin" olisi aikojen saatossa kertynyt kenties suuriakin määriä vettä. Niiden liepeillä vesijään esiintyminen noudattelisi vajaan kuukauden mittaisen Kuun vuorokauden vaihtelua.

Kuun pintakerrosten koostumuksen ja muiden ominaisuuksien tutkimus perustuu sekä kiertolaisemme heijastamaan että sen lähettämään säteilyyn. Veden esiintyminen näkyy heijastuvan infrapunasäteilyn spektrissä, mutta tutkimusta hankaloittaa samoilla aallonpituuksilla esiintyvä Kuun pinnan oma säteily. Niiden erottaminen toisistaan edellyttää tietoa Kuun pinnalla vallitsevista lämpötiloista.

Bandfieldin johdolla tutkijat ovat kehittäneet menetelmän, jolla veden esiintymistä voidaan selvittää NASAn LRO:n (Lunar Reconnaissance Orbiter) sekä Intian Chandrayaan-1-luotaimen tekemien mittausten avulla.

Tuoreiden tulosten perusteella vettä on Kuussa hyvin laajalti eikä sen esiintymisessä ole suuria ajallisia vaihteluita. Ihan perusvedestä ei kuitenkaan ole kyse, sillä hapen ja vedyn yhdiste esiintyy lähinnä hydroksyyli- eli OH-molekyyleinä. Sillä on taipumus muodostaa sidoksia erilaisten mineraalien kanssa, joten tulevilla kuulennoilla se on saatava erotettua niistä.

Uusista tuloksista huolimatta Kuun veden alkuperä on edelleen hämärän peitossa. Vaihtoehtoina ovat veden muodostuminen Kuun pintamateriaalissa aurinkotuulen pommituksen seurauksena tai sen tihkuminen Kuun sisuksista, missä se on ollut nalkissa erilaisissa mineraaleissa Kuun syntymästä lähtien.

Kuun vedestä kerrottiin NASAn uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Nature Geoscience -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Markus Hotakainen

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

Stop the press: Marsista löytyi hiekkaa

Ti, 02/06/2018 - 12:24 Markus Hotakainen

Jos kaikki Marsia koskevien jymyuutisten vesimäärä laskettaisiin yhteen, planeetalla lainehtisi kokonainen valtameri.

Ammoin sellainen on Marsissa todennäköisesti ollutkin, mutta tätä nykyä maailma on kylmä ja kuiva. Ja todennäköisesti myös kuollut.

Siellä on kyllä vettä, mutta pahimmillaan 120 asteen pakkasessa se on jäänä. Sitä löytyy sekä napa-alueilta, pinnan alta ikiroutana että toisinaan jääkidepilvinä ja jopa taivaalta tipahtelevina lumihiutaleina.

Nestemäistä vettä on etsitty kissojen ja koirien kanssa, ja usein sitä ollaan oltu löytävinään. Tällä kertaa tuli paha takapakki: Marsista löytyikin hiekkaa.

Yhtenä vahvana viitteenä nestemäisen veden ajoittaisesta esiintymisestä on pidetty kukkuloiden, kraattereiden ja kanjoneiden rinteitä kirjovia tummia juovia, joissa tapahtuu muutoksia vuodenaikojen vaihdellessa.

Pinnan alla piileksivän jään on ajateltu aika ajoin sulaneen sen verran, että pinnalle on tihkunut juoksevaa vettä, joka sitten on valunut rinnettä alas.

Kaunis ajatus, mutta väärä.

Juovilla on toki asiaankuuluva nimi ja kirjainlyhenne: Recurring Slope Lineae eli RSL. "Toistuvilla rinneviivoilla" ei ilmeisesti ole mitään tekemistä sen kummemmin jään kuin vedenkään kanssa.

Tutkijat ovat tarkastelleet huolella Mars Reconnaissance Orbiter -luotaimen ottamia kuvia Vallis Marineris -rotkojärjestelmään kuuluvasta Eos Chasmasta. Suurennuslasin alla on ollut kaikkiaan 151 juovaa.

Niiden todettiin muistuttavan hiekkadyynien rinteillä esiintyviä hiekkanoroja, jotka ovat rutikuivia muodostelmia. Lisäksi juovat näyttivät päättyvän yhtä loiviin rinteisiin riippumatta niiden pituudesta.

Tutkijoiden mukaan oikeastaan mikään ei sovi yksiin sen ajatuksen kanssa, että tummat juovat olisivat virtaavan veden aiheuttamia. Siksi lupaavalta tuntunut ajoittain kostea maailma onkin nyt kapulakielisesti "vesirajoitteinen ympäristö".

Tulevien miehitettyjen lentojen kannalta havainnolla ei ole suurta merkitystä. Jos ja kun ihminen joskus pääsee Marsiin saakka, pinnan alla korkeintaan metrin syvyydestä alkava routa ja jyrkänteiden seinämistä vastikään löytetyt jääesiintymät tarjoavat yllin kyllin vettä uudisasukkaiden tarpeisiin.

Kuva: NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona

Tutkijat: Marsissa jättimäisiä jääkenttiä

Pe, 01/12/2018 - 05:23 Jarmo Korteniemi
Kuva: NASA/JPL-Caltech/UA/USGS

Tutkijat ovat viimein päässeet vilkaisemaan erään Marsin laajimman pinnanmuodon sisälle. Kyse on laajoja alueita peittävästä paksusta jääkerroksesta.

Amerikkalainen tutkimusryhmä on saanut kuvia kerroksesta, joka verhoaa noin kolmannesta Marsista. Odotusten mukaisesti kerros on pääosin jäätä. Jää on kaiken kukkuraksi kerrostunutta ja sitä on erittäin paljon.

Löytö julkistettiin Science-tiedelehden tammikuun numerossa.

Marsin keskileveysasteita peittää suurelta osin laaja materiakerros, joka ikäänkuin verhoaa kaiken alleen ja näin pehmentää muita pinnanmuotoja. Kerros ulottuu lähes kaikkialle päiväntasaajan molemmin puolin, leveysasteiden 30 ja 60 välillä. Maapallolla se siis ulottuisi jotakuinkin Kairosta Helsinkiin.

Tähän mennessä kerrosta ei ole päästy tutkimaan aivan suoraan. Sitä nimittäin peittää samanlainen tomu- ja kivikuorrotus kuin lähes kaikkea muutakin Marsissa.

Tutkijat päättivätkin suunnata huomionsa jyrkänteisiin, joissa verhoava kerros kuorrotuksineen päättyy yllättäen. Näissä kohdissa eroosio on syönyt kerrokset poikki ja paljastaa niiden sisällön.

Seinämistä otetuissa tarkoissa kuvissa erottui paksu kirkas patja, joka koostuu kymmenistä ohuemmista sisäkerroksista. Patjan materiaaliksi paljastui suhteellisen puhdas jää. Lämpötilamittaus puolestaan osoitti, ettei kyse ollut mistään ohuesta seinämälle kertyneestä kuurakerroksesta. Nyt katsottiin siis varmasti seinämän sisärakenteeseen.

Vaikka jyrkänteet alulle saattanutta ilmiötä ei tunneta, niiden nykyinen toiminta on kuitenkin yksinkertaista: Kun jää paljastuu ja altistuu kaasukehän alhaiselle paineelle, se alkaa sublimoitua suoraan vesihöyryksi. Samalla seinämä vetäytyy taaksepäin, levenee ja mahdollisesti kasvaa korkeuttakin. Ja paljastaa koko ajan lisää jäätä. Prosessi jatkuu niin kauan kuin jäätä riittää tai olosuhteet muuttuvat riittävästi.

Jyrkänteitä on toistaiseksi löytynyt kahdeksan kappaletta. Ne kaikki sijaitsevat 55–58 leveysasteiden välillä kummallakin pallonpuoliskolla. Maassa tämä vastaisi Latvian ja Etelä-Amerikan kärjen tienoita.

Kuva painanteesta, jonka pohjoisseinämästä otsikkokuva on suurennettu. (NASA/JPL-Caltech/UA/USGS)

Paljastuneen jääpatjan paksuus on paikoitellen ainakin sata metriä. Parhaimmissa paikoissa kerros alkaa heti metrin tai parin syvyydestä pinnan alta.

Tämä on ensimmäinen kerta, kun jääkerrosta päästään tutkimaan suoraan. Kerroksen olemassaolo tosin on tiedetty jo aiemminkin. Se on selvitetty epäsuorasti tutka- ja spektrometritutkimusten avulla. Se, että kerrokset ovat noin paksuja ja paikoin noinkin lähellä pintaa, oli yllätys.

Vanhaa ilmastotietoa astronauttien janojuomaksi?

Jääpatjan kerroksellisuus paljastaa sen historian. Aine on kerrostunut alueelle lumena vähintään kymmeniä tuhansia vuosia sitten, silloin kun Marsin akselin kaltevuus on ollut nykyistä paljon suurempi. Planeetan ilmastonvaihtelut ovat hyvin dramaattisia, sillä kaltevuus vaihtelee useita kymmeniä asteita miljoonien vuosien saatossa. Science-artikkelin kirjoittajien mukaan osa kerroksista vaikuttaa vaihtelevan juuri tuohon syklisyyteen sopivalla tavalla.

Kerrostunut jää siis kertoisi Marsin menneistä ilmasto-olosuhteista, samaan tapaan kuin jäätikköjää maapallolla. Jo kerrosten tarkka paksuusvaihtelu kertoisi paljon, mutta sen sisältämän kaasukoostumuksen selvittäminen olisi vielä mielenkiintoisempaa. Haaveissa onkin saada paikalle laite, joka tutkisi paljastunutta jäätä eri korkeuksilta.

"Noin kolmannes Marsista on hyvin lähellä pintaa olevan jään peitossa. Olemme nyt nähneet poikkileikkauksia tämän jään läpi, mikä antaa meille aiempaa tarkemman kolmiulotteisen näkymän sen sisältämistä kerroksista. Jäähän on tallentunut Marsin vastikäistä historiaa", kertoo artikkelin ensimmäinen kirjoittaja Colin Dundas Yhdysvaltojen geologisen tutkimuskeskuksen Astrogeologian yksiköstä.

Marsin jään määrää kuvataan usein WEG-arvona (engl. Water Equivalent Global layer). Tämä tarkoittaa sen vesikerroksen syvyyttä, joka syntyisi, jos jää sulatettaisiin ja neste levitettäisiin tasaisesti ympäri punaista planeettaa. Aiempien arvioiden mukaan verhoavan kerroksen sisältämä jää vastaisi 2–3 metrin globaalia vesikerrosta (eli 10–20 Itämerta). Nyt julkaistun tutkimuksen tietoja tuskin voidaan yleistää, mutta jos yleistettäisiin, puhuttaisiin jopa paristakymmenestä metristä! Marsin napajäätiköihin on vertailun vuoksi sitoutunut noin Välimeren vesimäärä (WEG ~30 m).

Jos käyttökelpoista jäätä todella on saatavilla edes paikallisesti tuollaisia määriä, se saattaisi olla yllättävän helppo resurssi haman tulevaisuuden Mars-astronauteille. Nyt tutkittujen rinteiden luota juomavedeksi muunnettavaa jäätä saisi vaikka hakattua suoraan kallioseinämästä kimpaleina ämpäriin. Vastaavia paikkoja löytyisi lähinnä vain napajäätiköiltä, jotka tosin eivät ole kovin houkuttelevia laskeutumispaikkoja sijaintinsa (tai olosuhteidensa) puolesta. Jäästä saatava vesi voi osoittautua myös tärkeäksi rakennusmateriaalien sidosaineeksi.

Jään joukossa olevat mahdolliset epäpuhtaudet tosin saattavat tehdä aineesta vaikeasti hyödynnettävää. Marsin pintapölyssä kun on useita ihmiselle myrkyllisiä aineita.

Marsissa on tiedetty olevan vettä eri muodoissa jo kauan. Sitä on etenkin jäänä pinnan alla ja napajäätiköissä, mutta myös kaasuna kaasukehässä. Pinnalla on havaittu myös nestemäistä vettä aika ajoin, mutta ainoastaan erittäin suolaisina liuoksina.

Tutkimuksessa käytettiin kolmen pintaa kuvaavan instrumentin aineistoja: Mars Reconnaissance Orbiter -luotaimen kyydissä kiertävät HiRISE-kamera ja CRISM-spektrometri, sekä Mars Odyssey -luotaimen THEMIS-kamera. Kaikki aineistot ovat vapaasti yleisönkin katsottavissa netissä. Odyssey on kiertänyt planeettaa vuodesta 2001 ja MRO vuodesta 2006. Niiden lisäksi Marsia kiertää tällä hetkellä neljä muuta luotainta ja pinnalla toimii kaksi mönkijärobottia.

Tutkimuksesta kertoi Suomessa ensimmäisenä Tiedetuubi.

Lähteet: Dundas ja kumpp., Science (2018) (maksumuurin takana), JPL

Kuvat: HiRISE-kuva eräästä tutkitusta jyrkänteestä. NASA/JPL-Caltech/UA/USGS

Kirjoittaja on Marsin pinnanmuotojen tutkimukseen erikoistunut planetologi.