jää

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.

Tuoreet satelliittikuvat näyttävät selvästi, miten pakkaskausi on jäädyttänyt merialueet Itämerellä Suomen ympärillä ja kuinka koko Suomi on lumen peitossa.

Vaikka tilanne vaikuttaa tukalalta, ei se ole mitenkään erikoinen:  "Jäätilanne on melko tyypillinen tilanne keskimääräiseksi muodostuvalle jäätalvelle", selittää jääasiantuntija Jouni Vainio Ilmatieteen laitoksen tiedotteessa.

"Kuvissa näkyy, kuinka Perämereltä 'valuu' jäitä Merenkurkun läpi Selkämeren luoteisosaan ja samalla Perämeren pohjoisosaan aukeaa Puolikuuksi kutsuttu railo. Siellä näkyy selkeästi myös vilkkaimmat laivaväylät."

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.

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.

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.

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.

Kyseessä on teos nimeltä In Vitro ja siinä on jääkimpale kauniisti tehdyssä lasikaapissa sulamassa. 

Eikä ihan mikä tahansa kimpale: se tuotiin näyttelyyn Ranskan Alpeilta Bossonsin jäätiköltä, joka on eräs ilmastonmuutoksen pahiten uhkaamista jäätiköistä. Vuosisadan kuluessa se on vetäytynyt yli 500 metriä ylöspäin ja kutistunut samalla olennaisesti.

Jännittävää teoksessa on se, että jääpalasta sulava vesi otetaan talteen ja johdetaan tippumaan vieressä olevaan pakastimeen, missä sulavesi muodostaa uuden jääpalan. Pakkasessa on alkuperäisen jääpalan mukaan tehty muotti, joka muodostaa syntyvästä palasta alkuperäisen näköisen.

Kun esillä oleva jää on sulanut, vaihdetaan pakkasessa tuolloin jo valmiina oleva uusi jääpala sulaneen alkuperäisen tilalle.

Yksi sykli kestää 40 – 60 tuntia olosuhteista riippuen. Osa vedestä luonnollisesti karkaa höyrynä ilmaan ja varmaankin myös tippuu vetenä ohi putkien, joten vähitellen teos yksinkertaisesti katoaa. Tai siis teoksessa olennaisessa osassa oleva jää katoaa.

Taidekielellä ilmaisten Celarcin ideana on tutkia luonnossa olevan veden kiertoa ja siten "keskittyä luonnolliseen, koko ajan jatkuvaan uudelleensyntymän prosessiin".

In Vitro oli esillä viime vuonna Amsterdamissa Castrum Peregrini -galleriassa ja teoksen toinen versio, In Vitro II, oli esillä Sloveniassa.

Rotterdamissa valokuvausta ja Ljubljanassa maantiedettä sekä taiteita opiskelleen Celanchin muutkin teokset leikittelevät hauskasta tieteen ja taiteen välimaastossa. Esimerkiksi hiekanjyviä kuvaava Sands tuo mieleen tavan, jolla muun muassa Rosetta-luotain kuvaa komeettaytimestä irtoavia pieniä hitusia. Volcanoes esittelee puolestaan nimensä mukaisesti pienoiskokoisia tulivuoria.

Alla on vielä animaatio In Vitron sulavasta jääpalasta.

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

Viime vuoden elokuusta saakka Churyumovin-Gerasimenkon komeettaa lähietäisyydeltä tutkinut Rosetta-luotain on nyt selvittänyt, mitä komeetan pinnalla ja pinnan alla tapahtuu eri vuorokaudenaikoina.

Komeetta oli lähimpänä Aurinkoa vähän yli kuukausi sitten, 13. elokuuta, ja nyt se on taas etääntymässä siitä. Ydin on kuitenkin edelleen aktiivinen. Rosetta suuntasi VIRTIS-spektrometrin (Visible, InfraRed and Thermal Imaging Spectrometer) komeetan "kaulalla" olevalle Hapi-alueelle. Sen kohdalla jäätä katoaa ja ilmestyy ytimen 12 tunnin mittaisen pyörähdyksen tahdissa.   

"Löysimme mekanismin, joka tuottaa komeetan pinnalle uutta jäätä joka pyörähdyksellä. Se pitää komeetan 'elossa'", toteaa tutkimusta johtanut Maria Cristina De Sanctis.

VIRTIS-spektrometrillä tehtiin havaintoja neliökilometrin laajuisesta alueesta 12.-14. syyskuuta. Komeetta oli silloin noin 500 miljoonan kilometrin etäisyydellä Auringosta.

"Näimme tutkimuksen kohteena olleen alueen spektrissä selviä merkkejä vesijäästä, mutta ainoastaan silloin, kun osa siitä oli varjossa", De Sanctis kertoo. "Kun Aurinko paistoi samoille seuduille, jää oli kadonnut. Se osoitti, että vesijään esiintymisessä on jaksollinen vaihtelu, joka seuraa komeetan pyörimisliikettä."

Havaintojen perusteella pinnalla ja muutaman senttimetrin syvyydessä oleva vesijää sublimoituu eli muuttuu auringonpaisteessa vesihöyryksi, joka karkaa komeetasta. Kun alue joutuu ytimen pyöriessä pimentoon, pinta jäähtyy jälleen nopeasti.

Pinnan alla lämpötila pysyy kuitenkin riittävän korkeana, jotta jään sublimoituminen jatkuu. Vesihöyry kulkeutuu komeetan huokoisessa aineessa pinnalle, missä se härmistyy eli muuttuu taas jääksi. Näin pinnalle muodostuu yön aikana uusi kerros jäätä. Auringon noustessa kierros alkaa jälleen alusta.

"Teoreettisten mallien ja muista komeetoista tehtyjen havaintojen perusteella oletimme tällaisen vesikierron olevan kenties käynnissä, mutta kiitos Rosettan saimme Churyumovin–Gerasimenkon komeetasta sille todisteet", iloitsee Fabrizio Capaccioni, VIRTIS-spektrometrin päätutkija.

Tehtyjen mittausten perusteella oli mahdollista arvioida vesijään runsaus suhteessa muihin komeetan ytimessä esiintyviin aineisiin. Tutkitulla alueella vesijää muodostaa muutaman sentin paksuisesta pintakerroksesta 10–15 %.

Samalla selvisi, kuinka paljon tältä pieneltä alueelta vapautui vesihöyryä verrattuna koko komeetan "tuotantoon": noin kolme prosenttia. Vertailutiedot perustuvat mittauksiin, jotka on tehty Rosettan MIRO-mikroaaltoilmaisimella (Microwave Instrument for the Rosetta Orbiter).

"Rosetta pystyy seuraamaan komeetassa tapahtuvia muutoksia sekä lyhyillä että pitkillä aikaväleillä, joten odotamme innolla pääsevämme yhdistämään kaiken saamamme tiedon ja ymmärtämään paremmin tämän ja muidenkin komeettojen kehitystä", arvioi Rosettan päätutkija Matt Taylor.

Tuloksista kerrottiin ESAn uutissivuilla ja niitä esitellään myös Euroopan planeettatutkimuskokouksessa Nantesissa ensi viikolla. Tutkimus on julkaistu Nature-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: ESA/Rosetta/VIRTIS/INAF-IAPS/OBS DE PARIS-LESIA/DLR; M.C. De Sanctis et al (2015) // ESA/Rosetta/NavCam – CC BY-SA IGO 3.0

Naapuriplaneetallamme ei ehkä sittenkään ole koskaan lainehtinut vettä. Vastikään julkaistun tutkimuksen mukaan kahdesta vaihtoehtoisesta ilmastomallista – lauhkea ja kostea (kuvan vasen maailma) tai kylmä ja kuiva – ankeampi vaikuttaa todennäköisemmältä.

Mars on ollut mahdollisesti jo vuosimiljardeja sitten hyvin kolea maailma. Lämmintä ajanjaksoa ei ollutkaan, pohjoista pallonpuoliskoa ei peittänyt laaja meri eivätkä jokilaaksot syntyneet sateiden seurauksena vaikka moinen ajatus on viime aikoina tullut yhä suositummaksi.

Robin Wordsworthin johtama ryhmä tutki Marsin kaasukehän virtausmallin avulla erilaisia vaihtoehtoja veden kiertoliikkeelle 3–4 miljardia  vuotta sitten.  

Yhdessä versiossa Marsin oletettiin olleen lämmin ja vetinen maailma, missä keskilämpötila olisi ollut noin 10 celsiusastetta, ja toisessa jäätävän kylmä keskimääräisen lämpötilan laskiessa 48 pakkasasteeseen.

Tutkijaryhmän mukaan kylmä malli sopii paremmin yhteen Auringon kehityshistorian ja Marsin akselin kaltevuuden menneiden vaihteluiden kanssa. Koska Mars on kauempana Auringosta kuin Maa, se saa tällä hetkellä noin 43 prosenttia Maahan lankeavasta Auringon säteilyenergiasta. 

Nuoren Auringon arvellaan olleen 25 prosenttia nykyistä himmeämpi, joten lämpöä oli tarjolla varsin niukalti. Lisäksi se kohdistui suurelta osin Marsin napaseuduille, sillä planeetan pyörimisakseli oli ajoittain sen kiertoradan tasossa.

Silloin nykyisin navoilla olevat jäätiköt olivat päiväntasaajan seutuvilla, missä on suurin osa veden uurtamista pinnanmuodoista. Kylmä malli näyttäisi siis selittävän – hieman yllättäen – paremmin myös veden jättämät jäljet. 

Lämmin malli vaatii paljon enemmän epätodennäköisiä olettamuksia. Vaikka otettaisiin huomioon muinaisen Marsin tiheämpi kaasukehä sekä pilvien, pölyn ja kasvihuoneilmiön lämmittävä vaikutus, on kosteaa ja lämmintä ajanjaksoa hyvin vaikea selittää.

Vaikka lämmintä mallia muokattiin siten, että Marsista kehittyi "väkisin" lauha maailma, sillä ei pystytty saamaan aikaan jokiuomien muodostamia verkostoja eikä myöskään niiden keskittymistä päiväntasaajan seuduille.

Mikäli Mars todella olisi ollut lämmin paikka, ilmastomallin mukaan sateita olisi ollut eniten Arabian ja Hellaksen alueilla, missä veden kovertamia laaksoja ei juuri näy. Sen sijaan seuduilla, joilla niitä on runsaasti, sademäärät olisivat jääneet alle kymmenesosaan Arabian ja Hellaksen vastaavista.

Kylmä mallikaan ei silti ole täydellinen. Vaikka sen mukaan jäätä on aikoinaan kertynyt alueille, joille vesi on jättänyt kiistattomat jälkensä, jonkin tekijän on täytynyt aiheuttaa jään sulamista. Hyvinä kandidaatteina pidetään asteroidien törmäyksiä ja vulkaanista toimintaa, jotka olisivat saaneet aikaan lämpötilan nousun lyhytaikaisesti ja paikallisesti.

Kulkijoiden ja kiertolaisten välittämien tietojen perusteella tiedetään, että muinaisessa Marsissa oli järviä. Mutta kuinka pitkäikäisiä ne olivat? Esiintyikö niitä ajoittain vai pidempään? Ja edellyttikö jokilaaksojen synty sateita vai muodostuivatko ne tosiaan pelkästään lumen ja jään sulaessa?

Kysymyksiä siis riittää edelleen.

Tutkimuksesta kerrottiin AGU:n (American Geophysical Union) uutissivuilla ja se on julkaistu Journal of Geophysical Research – Planets -tiedelehden verkkoversiossa (maksullinen).

Kuva: Robin D. Wordsworth