Nebraskan yliopiston tutkijat ovat kuitenkin moiseen ryhtyneet ja onnistuneet luomaan veden 18. tunnetun kidemuodon – tosin vasta teoreettisesti.

Vuonna 2014 eurooppalaiset tutkijat loivat keinotekoisesti jäätä, jonka tiheys oli ennätyksellisen alhainen – 0,81 g/cm³ (tavallisen jään tiheys on 0,9167 g/cm³ nollassa celsiusasteessa) – mutta nyt hahmotellulla jäällä se on vielä 25 prosenttia pienempi.

"Teimme paljon laskelmia siitä, onko kyse vain harvasta jäästä vai peräti kaikkien aikojen harvimmasta jäästä", toteaa tutkimusta johtanut Xiao Cheng Zeng. 

Zeng on aikaisemminkin tehnyt paljon jäähän liittyvää tutkimusta. Hänen löytöihinsä kuuluu esimerkiksi kaksiulotteinen "Nebraska-jää", joka tietyissä olosuhteissa jäätyessään kutistuu, kun tavallinen jää laajenee.

Uusimmassa tutkimuksessa Zeng mallinsi ryhmänsä kanssa paine- ja lämpötilarajoja, joissa vesi jäätyisi tiettyyn kidemuotoon niin sanotuksi klatraatiksi. Häkkimäisen rakenteen on aiemmin arveltu olevan mahdollinen ainoastaan "vierasmolekyylien", esimerkiksi metaanin avulla. Zengin ryhmä totesi, että rakenne voi olla stabiili ilman ylimääräisiä molekyylejä.  

Siis teoriassa. Käytäntö onkin toinen juttu. Laskelmien mukaan uudenlaista jäätä voi syntyä vain silloin, kun vesimolekyylit ovat suljetussa tilassa, jossa vallitsee hyvin suuri, ulospäin suuntautuva paine.

-23 pakkasasteessa vaadittu paine olisi noin neljä kertaa suurempi kuin Tyynenmeren syvimmissä kohdissa. Ja lämpötilan laskiessa paineen täytyy kasvaa vielä siitäkin. Lisäksi klatraatista pitäisi poistaa vierasmolekyylit tyhjiömenetelmällä. 

Ihan heti uudenlaista jäätä, jolle on annettu nimeksi "Jää XVII", ei siis päästä käsin koskettelemaan. 

Uudenlaisesta jäästä kerrottiin Nebraskan yliopiston uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Science Advances -tiedelehdessä. 

Kuva: Yingying Huang and Chongqin Zhu

Aerosolihiukkaset ovat ovat nykyisin erittäin tärkeä tutkimusala, koska niillä on suuri osa mm. ilmastonmuutoksessa, erilaisissa teollisissa sovelluksissa ja fysiikan perustutkimuksessa, mikä lisäksi niillä on tuntemattomia, haitallisia terveysvaikutuksia.

Anssi Arffmanin väitöstutkimuksen tuloksia voidaan hyödyntää kaikilla näillä tutkimuksen osa-alueilla, koska aerosolihiukkasten koko on yksi olennaisista tekijöistä, joka määrää niiden käyttäytymistä fysikaalisissa prosesseissa.

"Esimerkiksi se, kasvaako aerosolihiukkanen pilvipisaraksi tai toimiiko se vettähylkivänä pintana, riippuu vahvasti hiukkaskoosta", Anssi Arffman kertoo.

Pilvipisaroita on ilmassa ja niillä on vaikutus esimerkiksi siihen, milloin ja miten ilman kosteus muuttuu sateeksi. Esimerkiksi otsikkokuvassa on pieniä meristä ilmaan nousseita suolahitusia, jotka muodostavat ilmassa ollessaan tiivistymisytimiä vesihöyrylle.

Materiaalitieteissä puolestaan tutkitaan innokkaasti erilaisia nanopinnoitteita, jotka ovat itse asiassa aerosoleja. Jos tarkkoja ollaan, niin aerosolit ovat ilmassa olevia erilaisia nanohiukkasia, eli kooltaan nanometrikokoa olevia hitusia.

Aerosolin koko selville alipainetörmäyttimellä

Arffman tutki väitöstutkimuksessaan laskennallisin ja kokeellisin menetelmin aerosolihiukkasten koon mittauksessa käytettäviä alipaineimpaktoreita, eli alipainetörmäyttimiä.

Nimi tulee siitä, että laitteessa nanohiukkasia sisältävä aerosoli kiihdytetään suuttimessa ja suihku törmäytetään keräysalustaan, jolloin tiettyä rajakokoa suuremmat hiukkaset osuvat seinään ja rajakokoa pienemmät hiukkaset jatkavat matkaansa virtauksen mukana. Tällä tavoin aerosolihiukkaset saadaan luokiteltua kahteen eri kokoluokkaan.

"Pystyimme rakentamaan alipaineimpaktoreita, joilla on mahdollista kokoluokitella jopa alle 10 nanometrin kokoisia hiukkasia. Samalla voidaan mitata niiden kokojakaumaa sekä saada tietoa fysikaalisista ominaisuuksista, Arffman selittää.

Tutkimuksen keskeinen tulos on, että impaktorin geometriaa muokkaamalla voidaan vaikuttaa impaktorin resoluutioon eli siihen, kuinka hyvin se jakaa hiukkaset eri kokoalueisiin.

Lisäksi tietokonesimulaatioiden avulla osoitettiin, että hyvä resoluutio tarjoaa myös tasaiset törmäysolosuhteet hiukkasille, jolloin niiden törmäysnopeutta voidaan hallita erittäin tarkasti. Tulosta sovellettiin tutkimalla hopeahiukkasten pomppausherkkyyttä pinnoilta, joka antaa tietoa hiukkasen ja pinnan välisestä vuorovaikutuksesta.

"Tulos on oiva esimerkki laskennallisen ja kokeellisen tutkimuksen yhdistämisestä, sillä ilman molempia lähestymistapoja ei pomppausherkkyyttä nanohiukkasille pystytä määrittämään", Arffman sanoo.

*

Anssi Arffmanin väitöskirja Numerical and experimental study on inertial impactors (“Inertiaali-impaktorien laskennallinen ja kokeellinen tutkimus”) tarkastetaan Tampereen teknillisen yliopiston luonnontieteiden tiedekunnassa  ensi perjantaina 19.2.2016.

Tässä artikkelissa on käytetty materiaalina TTY:n lähettämää tiedotetta.

Otsikkokuva: NASA / GSFC

Suomesta on lähtenyt "virallinen" tutkimusretkikunta Etelämantereelle lähes joka vuosi sitten 1980-luvun lopun. Ensimmäinen retkikunta, Finnarp 1988, aloitti Aboa-tutkimusaseman rakentamisen Kuningatar Maudin maalle sisämaahan noin 130 kilometrin päähän rannikosta. 

Kartalla paikka on Etelämantereen reunalla jotakuinkin Etelä-Afrikan ja Etelä-Amerikan kohtien keskellä.

Aboa-asemaa on paranneltu ja laajennettu useaan otteeseen. Vaikka Etelämantereen kesän – siis meikäläisen talven – aikaan osuvien matkojen miehistöt koostuvat pääasiassa tutkijoista, on mukana aina teknistä henkilökuntaakin, ja toisinaan matkalle on lähdetty enemmän remontti- kuin tutkimusmielellä. 

Tänä vuonna matkassa oli jälleen remppareiskoja: Ilmatieteen laitoksen Etelämanner-ryhmän vakinaisesta henkilökunnasta mukana olivat päällikkönä toiminut Mika Kalakoski ja Petri Heinonen, sekä tavallista omituisemman keikan heittäneitä ammattilaisia Lara Harrison (lääkäri), Esa Vimpari (mekaanikko), Arto Talja (rakentaja), Lauri Hämäläinen (kokki) ja Vesa Marttila (sähkömies).

Ryhmä lähti matkaan viime marraskuun lopussa ja sai työnsä päätökseen viime viikolla. Matka Aboalta takaisin ihmisten ilmoille alkoi viime keskiviikkona 10. helmikuuta, kun Basler BT 67 -suksikone kävi hakemassa ryhmän laskeutuen sen luokse jään päälle. Kone vei suomalaiset 1000 km päässä sijaitsevalle Novo Runway -jääkiitotielle, mistä matka jatkui torstaina useiden Kuningatar Maudin maalla sijaitsevien tutkimusasemien työntekijöiden kanssa Iljushin TD 76 -rahtikoneella Kapkaupunkiin. Sieltä retkikunta kotiutui viime lauantaina 13. helmikuuta.

Influenssakausi alkaa Suomessa yleensä vuodenvaihteen tienoilla, ja tavallinen flunssakin on ennen kaikkea kylmän vuodenajan vitsaus. Arkipuheessa näitä hengitystieinfektioita nimitetään ”vilustumiseksi”, ja niiden välttämiskeino lienee jokaiselle lapsuudesta tuttu: lämmintä ylle, jotta et kylmety ja vilustu.

Kylmyyden ja hengitystieinfektioiden yhteys vaikuttaa siis itsestään selvältä kansanviisaudelta, mutta seikan tieteellinen varmistaminen ja selittäminen ovat päässeet vauhtiin vasta 2000-luvulla.

Tutkimusten tulokset käytännön elämän kannalta voi tiivistää näin: ääreisosat, varsinkin pää, kannattaa suojata talvella.

"Ja hengitystiesairaalla ihmisellä, kuten astmaatikolla, hengityssuojain voi pitää hengitysteiden lämpötilan ja kosteuden terveellisemmällä tasolla", sanoo flunssaan toden teolla tutustunut tutkinut dosentti Tiina Ikäheimo Oulun yliopiston ympäristöterveyden ja keuhkosairauksien tutkimuskeskuksesta.

”Maailmalla on tehty monia väestötutkimuksia, joiden mukaan matala lämpötila ja matala absoluuttinen ilmankosteus lisäävät sairastavuutta ja kuolleisuutta hengitystieinfektioihin.”

Edeltävä ei flunssapotilaille (ja äidin neuvoja lapsena kuunnelleille) tule varsinaisena yllätyksenä, mutta Tiina Ikäheimo voi perustella asiaa tieteellisesti ja heittää mukaan lisätietoa. Näyttää siltä, että ilmankosteudella saattaa olla hengitystieinfektioissa jopa lämpötilaa merkittävämpi vaikutus. 

Myös eläinkokeet viittaavat kylmyyden ja kuivumisen vaikutukseen. Syy-seuraussuhde ei silti ole aukoton.

”Hengitystieinfektioiden vuodenaikaisvaihtelu voi johtua myös muista tekijöistä, kuten ihmisten kesää läheisemmästä toisensa lähellä olemisesta sekä yleisesti pakkautumisesta sisätiloihin talvisaikaan. Lämpötila- ja kosteuskysymyksellä on kuitenkin oma roolinsa.”

Nollakeli on vaaran vyöhyke

Ikäheimo kuuluu tutkimusryhmään, joka ensimmäisenä maailmassa selvitti lämpötilan ja ilmankosteuden vaikutusta hengitystieinfektioihin kylmässä, –30°C asti jäähtyvässä ilmastossa. Tutkimusaineisto kerättiin Kainuun prikaatissa vuosina 2004–2005 seuraamalla lähes 900 varusmiehen terveydentilaa.

Tutkimuksesta on valmistunut kaksi julkaisua, joista ensimmäinen käsittelee hengitystieinfektioita yleensä ja jälkimmäinen influenssaa.

Löydökset ovat hyvin samansuuntaisia: sekä influenssa että  virus- kuin bakteeriperäisetkin hengitystieinfektiot lisääntyivät, kun ilman absoluuttinen kosteus laski ja lämpötila painui noin +5 ja –5 asteen välille.

Tarkkoja arvojakin saatiin, esimerkiksi influenssan kohdalla 1°C lämpötilan lasku kolmena sairastumista edeltävänä päivänä lisäsi sairastumisriskiä 11 prosenttia. Veden määrän väheneminen 0,5 grammalla ilmakuutiometrissä puolestaan lisäsi riskiä 58 %.

Tutkimus kuitenkin huomauttaa, että ilmankosteuden ja lämpötilan keskinäisen riippuvuuden vuoksi niiden vaikutuksen tarkka erottelu ei välttämättä ole mielekästä. Tietty suurpiirteisyys koskee myös lämpötilarajoja, toteaa Tiina Ikäheimo.

”Olisi hienoa, jos voisi antaa yhden lämpötilan, jota kylmempää pitäisi varoa. Tämä oli kuitenkin yksittäinen tutkimus, jota ei voi vahvasti yleistää. Monissa tutkimuksissa hengitystieinfektiot lisääntyvät jo korkeammissa lämpötiloissa.”

Alan pioneeri Joseph Weber ilmoitti havainneensa gravitaatioaaltoja jo vuonna 1969. Hänen rakentamassaan ilmaisimessa oli kaksi tyhjiöön ripustettua alumiinitankoa. Ajatuksena oli, että ilmaisimen ohittava gravitaatioaalto venyttää ja kutistaa tankoja siten, että ne alkavat värähdellä tietyllä taajuudella. Ja mielestään Weber oli mitannut juuri oikeanlaista värähtelyä.

Signaali oli niin voimakas, että se olisi voinut syntyä ainoastaan hyvin massiivisen tähden luhistuessa mustaksi aukoksi tai kahden mustan aukon sulautuessa yhteen – juuri sellaisesta ilmiöstä olivat peräisin LIGO-observatorioiden havaitsemat aallot.

Seuraavana vuonna Stephen Hawking, mustien aukkojen asiantuntija, kävi tutustumassa Weberin laitteistoon, josta ei teoreetikkona ymmärtänyt juuri mitään. Havainnot eivät olleet jääneet yhteen yksittäiseen signaaliin, vaan Weber kertoi "näkevänsä" pari gravitaatioaaltopurkausta päivässä. Väite oli huima.

Hawking kiinnostui asiasta ja laati oppilaansa Gary Gibbonsin kanssa tieteellisen artikkelin, jossa ne tarkastelivat gravitaatioaaltojen havaitsemiseen liittyvää teoreettista puolta, mutta ehdottivat myös rakenteeltaan herkempää ilmaisinta. 

Kukaan ei kuitenkaan osoittanut mielenkiintoa moisen instrumentin rakentamiseen, joten Hawking ja Gibbons ottivat omien sanojensa mukaan "teoreetikoille uhkarohkean askeleen" ja anoivat Science Research Councililta apurahaa kahden ilmaisimen rakentamisteen.

Hanke oli jo niin pitkällä, että kaksikko etsi laitteiston rakentamiseen tarvittavia komponentteja ja pohti ilmaisimille sopivia sijoituspaikkoja. He eivät kuitenkaan olleet ainoat asiasta kiinnostuneet. Science Research Council oli saanut anomuksia muiltakin tutkimusryhmiltä ja päätti välttää päällekkäisyydet kutsumalla kaikki koolle keskustelemaan hankkeistaan.

Siinä vaiheessa Hawking ja Gibbons vetivät hakemuksensa takaisin. Kuten Hawking toteaa omaelämäkerrassaan: "Se liippasi likeltä!"

Hänen sairautensa paheni kaiken aikaa, joten kokeellisen tutkimuksen tekeminen olisi pian käynyt hyvin hankalaksi ja ennen pitkää mahdottomaksi. "Olen hyvin tyytyväinen, että pysyttelin teoreetikkona", Hawking päättää tästä vähemmän tunnetusta episodista kertovan kirjansa luvun.

Eilen Stephen Hawking onnitteli tuoreeltaan LIGO-observatorion väkeä heidän tekemästään havainnosta. Hän toteaa lähettämässään viestissä, että "on jännittävää nähdä, kuinka yli 40 vuotta sitten tekemäni ennusteet esimerkiksi mustan aukon pinta-alasta ja  hiuksettomuusteoreemasta tulevat todennetuiksi elinaikanani". 

Kuva: Alexandar Vujadinovic

Gravitaatioaallot ovat aika-avaruuden värähtelyjä, jotka Albert Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria ennusti vuonna 1915, siis jo yli sata vuotta sitten. Äärimmäisen heikkoa ilmiötä on jahdattu kymmenien vuosien ajan, mutta havaintolaitteiden herkkyys ei ole riittänyt – tai sitten aaltoja ei ole olemassa.

Nyt on lopullisesti varmistunut, että gravitaatioaallot ovat todellisuutta. Kahden mustan aukon sulautuminen yhteen sai aikaan gravitaatioaaltojen pulssin, joka onnistuttiin havaitsemaan LIGO-laboratorion (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) mittalaitteilla Louisianan osavaltiossa sijaitsevassa Livingstonin observatoriossa ja Washingtonin osavaltiossa sijaitsevassa Hanfordin observatoriossa.

14. syyskuuta 2015 kello 11.51 Suomen aikaa havaittu pulssi kertoi, että 1,3 miljardin valovuoden etäisyydellä kaksi mustaa aukkoa, joiden massat olivat 29 ja 36 Auringon massaa, törmäsivät toisiinsa lähes puolella valon nopeudella. Kosmisessa kolarissa muuttui noin kolmen Auringon massan verran energiaa sekunnin murto-osassa gravitaatioaalloiksi. 

Suomalaisten seksuaalielämästä on kerätty vuonna 2015 uutta tietoa: uusimman FINSEX-tutkimuksen tulokset kertovat siitä, että edellisessä tutkimuksessa vuonna 2007 todettu yhdyntämäärien lasku 2000-luvulla jatkuu edelleen.

Väestöliiton tiedotteen mukaan suhteellisesti eniten yhdyntämäärät vähentyivät 30–40 -vuotiailla nuorilla aikuisilla.

Ainoastaan keski-ikäisillä miehillä keskimääräiset yhdyntämäärät olivat vähän lisääntyneet vuonna 2015 vuoteen 2007 verrattuna. Muun ikäisillä miehillä ja kaiken ikäisillä naisilla yhdynnät olivat vastaavasti vähentyneet.

Suurinta yhdyntäaktiivisuus oli noin 20-vuotiailla naisilla ja 50-vuotiailla miehillä, molemmilla oli yhdyntöjä noin puolitoista kertaa viikossa. Muun ikäisillä miehillä ja naisilla oli keskimäärin yksi yhdyntä viikossa. Eläkeikäisillä yhdyntöjä oli vähän harvemmin, suunnilleen joka toinen viikko.

Tarkemmin määristä kertovat seuraavat kuvaajat:

Maailman eri kieliä voidaan vertailla monin erilaisin eksaktein ja tunteellisin perustein, mutta tuoreessa Southamptonin yliopiston, Turun yliopiston ja Tianjinin normaaliyliopiston tutkimuksessa selviteltiin kuinka tehokkaasti eri kielet pystyvät kirjoitettuina välittämään tietoa. 

Tai aivan kaikkia kieliä ei suinkaan tutkittu, vaan tarkastelussa oli kolme mielenkiintoisesti erilaista kieltä: osallistujayliopistojen mukaan englanti, suomi ja kiina. 

Tutkimuksessa koehenkilöt lukivat saman tekstin, joka oli tarkasti käännetty heidän omalle äidinkielelleen. Tutkijat havaitsivat, että vaikka sanojen välillä lukemiseen käytetty aika hieman vaihteli, virke- ja kappaletasolla lukeminen oli yhtä nopeaa kaikilla kielillä.

"Löydös esittää, että vaikka kirjoitetuissa kielissä oli erittäinkin merkittäviä eroja, perustasolla ihmiseltä kuluu sama aika käsitellä tietoa riippumatta siitä, millä kielelle se on kirjoitettu", professori Simon Liversedge Southamptonin yliopistosta kertoo.

Idea tutkimuksesta syntyi muutama vuosi sitten, kun Turun yliopiston professori Jukka Hyönä ja Liversedge olivat luennoimassa Kiinassa. Näin syntyi nopeasti suomalais-brittiläis-kiinalainen verkosto.

"Virisi idea vertailla kolmea, toisistaan selkeästi poikkeavan kielen lukemista", selittää Hyönä.

"Kiina on merkkipohjainen eikä siinä merkillä ja äänteellä ole yhteyttä vaan se pitää vain opetella. Suomi puolestaan on yksi maailman säännönmukaisimmista kielistä. Kun tuntee äänteet, voi lukea suomea ääneen vaikka ei ymmärtäisi siitä sanaakaan. Englanti puolestaan on äänneasultaan äännemerkkijärjestelmää käyttävistä kielistä yksi epäsäännöllisimmistä."

Kolmikko laati tutkimusta varten yleistajuisia tekstejä, jotka käännettiin jokaiselle kielelle niin, että ne vastasivat tarkasti samaa asiaa kaikissa kielissä. Kukin yliopisto kutsui 25 tutkittavaa omaan laboratorioonsa lukemaan tekstiä ja lukunopeus selvitettiin käyttämällä silmänliikekameraa. 

Gretchen Früh-Greenin ja Beth Orcuttin johtama ryhmä otti kivinäytteet merenpohjasta ja sen alta kairaamalla. Tarkoituksena oli tutkia, miten vaipan kiviaines päätyy merenpohjaan ja kuinka se reagoi meriveden kanssa. 

Oletus on, että kivien ja veden vuorovaikutus voi tarjota energiaa elämälle, jota esiintyy syvällä auringonvalon ulottumattomissa. Merten syvänteitä arvellaan jopa elämän synnyn tyyssijoiksi muinaisella maapallolla. 

Samalla tarkasteltiin hiilen osuutta näissä vuorovaikutuksissa, millä puolestaan voi olla vaikutusta siihen, miten meret sitovat ilmakehän hiilidioksidia.

"Porauksissa löysimme merkkejä vedystä ja metaanista näytteissä, joita mikrobit voivat ’syödä’ kasvaakseen ja muodostaakseen uusia soluja", selittää Orcutt.

"Samanlaisia kiviä ja kaasuja on muillakin planeetoilla, joten tutkimalla elämän edellytyksiä merenpohjan alla vallitsevissa ankarissa olosuhteissa voimme saada vinkkejä elämän etsintään muualta maailmankaikkeudesta."

Tutkimuksessa kairattiin näytteitä Maan vaipan kiinteästä yläosasta, jossa lämpötila nousee "vain" satoihin asteisiin. Vaippa ulottuu kuitenkin paljon syvemmälle, tuhansiin kilometreihin, jossa kuumuuskin on paljon kovempi. Vaippa kattaa valtaosan planeettamme tilavuudesta ja massasta.

Tutkimus oli osa kansainvälistä IODP-ohjelmaa (International Ocean Discovery Program). Retkikunta, johon kuului 31 tutkijaa 13 eri maasta, lähti matkaan 26. lokakuuta viime vuonna James Cook -tutkimusaluksella ja palasi 11. joulukuuta. Sen kohteena oli Keski-Atlantin selänteellä sijaitseva neljän kilometrin korkuinen vedenalainen vuori, Atlantis-massiivi. 

Löydöistä kerrottiin Astrobiology-tiedelehdessä.

Kuva: Berkeley Lab