Lumihiutaleet ovat todella kiehtovia, koska ne kaikki ovat ainutlaatuisia. Niisstä yhdistyvät fysiikka ja kemia luonnonkauneuden kanssa.

Ne syntyvät, kun ilma on tarpeeksi kylmää, yleensä alle -5°C, ja ilmassa oleva vesihöyry pääsee jäätymään pienen pölyhiukkasen tai tai muun mikroskooppisen, ilmassa olevan hitusen ympärille. 

Kun vesihöyry alkaa kiteytyä sen pinnalle, lumihiutale kasvaa samalla pudoten alaspäin. Riippuen siitä, miten kasvava hiutale kulkee eri lämpötila- ja kosteusvyöhykkeiden läpi, hiutale kasvaa hieman eri tavalla.

Yleistäen lähellä nollaa olevissa lämpötiloissa syntyy yksinkertaisia neulamaisia muotoja. Hieman kylmemmässä, välillä jotakuinkin -5 °C – -10 °C, syntyy enemmän haarautuvia, tähtimäisiä lumikiteitä. Sitä kylmemmässä tulee enemmän levymäisiä ja lopulta alle -15 °C:n pakkasessa syntyvät kauneimmat, monimutkaiset ja haarautuneet lumihiutaleet.

Ainakin tänään Helsingissä satavat hiutaleet ovat sterotyyppisen tähtimäisiä. Todella kauniita. 

Lumihiutaleiden muoto johtuu siitä, että jäätyvät vesimolekyylit asettuvat kuusikulmaiseen eli heksagonaaliseen hilarakenteeseen. Tämä veden sisältämän vedyn sidoksista kumpuava kuusikulmaisuus näkyy lumihiutaleen rakenteessa, niin yksinkertaisissa jäälaatoissa kuin isosakaraisissa hiutaleissa. Kolmio- ja prismamaiset muodot ovat yksinkertaistuksia kuusikulmaisuudesta.

Koska lumihiutaleet ovat jäätä, ja valo kulkee helposti jään läpi samaan tapaan kuin lasikappaleen läpi, saa lumihiutaleiden muoto aikaan valon hajoamista, heijastumista ja sirontaa. Tämä valosekamelska saa aikaan sen, että lumi näyttää valkoiselta. 

Jokainen lumihiutale on ainutlaatuinen, koska jokainen syntyy hieman eri tavalla. Lämpötila, kosteus, paine ja putoamisreitti vaikuttavat siihen, miten vesihöyry kiteytyy jääksi. 

Lumihiutaleet ovat yleensä koontaan muutamia millimetrejä, 1–5 mm, mutta hyvissä olosuhteissa voi syntyä myös parin sentin kokoisia "jalkarättejä". 

Guinnessin ennätysten kirjan perusteella suurin tietoon tullut lumihiutale oli 38 cm leveä. Se  havaittiin vuonna 1887 Fort Keoghissa, Montanassa, Yhdysvalloissa, mutta koska tätä ei ole dokumentoitu tarkasti, voi tämä jättilumihiutale olla myös tarua. 

Lumihiutaleita on ihailtu ja ihmetelty kautta aikain, mutta (tiettävästi) ensimmäisen tieteellisen katsauksen niihin teki Wilson Bentley (1865–1931). Hän kuvasi tuhansia lumihiutaleita mikroskoopilla.

Japanilainen Ukichiro Nakaya luokitteli lumihiutaleita niiden muodon perusteella ja teki ensimmäisen lumihiutaleiden muotodiagrammin, jonka avulla voidaan selittää hiutaleiden muodostumista ilmakehän eri olosuhteissa.

Otsikkokuvassa on amerikkalaisen Israel Perkins Warrenin (1814–1892) piirroksia lumihiutaleista.

Suomessa lumihiutaletutkimusta ovat tehneet mm. Annakaisa von Lerber ja Jani Tyynelä. 

Nykyisin lumihiutaleiden muodostuminen voidaan mallintaa kvanttifysiikan avulla; lumihiutaleet auttavat puolestaan ymmärtämään kiteiden kasvua ja itseorganisoitumista.

Aloitetaan asteroiditapauksen analysointi kokoarviolla.

Kaikkein todennäköisimmin 2024 YR₄ on läpimitaltaan noin 55-metrinen. Kuvittele siis eteesi 15-kerroksisen talon korkuinen kivimurikka, joka peittää jalkapallokentän (100x60 m) puolikkaan.

Tuollaisen asteroidin massa on noin 2 miljoonaa tonnia. Se on toisin sanoen 250 kertaa massiivisempi kuin raskain Suomessa operoiva tavarajuna, 18 kertaa massiivisempi kuin Turussa rakennettu Oasis of the Seas -jättiristeilijä, tai kolmanneksen Kheopsin kuulusta pyramidista.

Lisäksi mitat voivat olla jonkin verran suurempia tai pienempiä. Halkaisijasta voidaan sanoa varmasti vain että asteroidi on 40–100 -metrinen. Sen massa taas on 0,3–33 miljoonaa tonnia, tiheydestä riippuen. Materiaali kun voi olla komeettojen tapaan hötyistä jäätä, kivimurskaa, umpikiveä, tai jopa tiivistä rauta-nikkeliseosta. Kaikkea tältä väliltä.

Kokoja on varsin vaikea hahmottaa, mutta Eduskuntatalo Helsingissä on hyvä vertailukohta: sen leveys pohjois-eteläsuunnassa on 78 m ja länsi-itäsuunnassa 55 m. Ristimitta on noin 95 m. Kuva: Jari Mäkinen
 

Kokoarvio perustuu asteroidin oletettavasti heijastaman valon määrään. 

Aurinkokunnassa tiedetään kuljeskelevan niin kirkkaita kuin tummempiakin pienkappaleita. Jos 2024 YR₄:n pinta sattuu heijastamaan paljon valoa, sen läpimitta olisi hieman alle 50-metrinen, kun taas tummempana ja huonosti heijastavana kappaleena halkaisija voisi olla jopa sadan metrin luokkaa. 

Edellisessä jutussamme mainittu ESA:n arvio on maksimissaan 95 metriä, mutta muutamalla metrillä ei ole ison kuvan kannalta merkitystä.

Jahka asteroidin spektri saadaan mitattua tarkemmin, nähdään kuinka se heijastaa eri aallonpituuksia. Tuolloin pintamaterian laatua voidaan arvioida tarkemmin ja sen koostumus ja halkaisija voidaan lyödä lukkoon varsin tarkkaan. Mutta sen massa on yhä tuolloinkin epäselvä, sillä näistä tiedoista ei vielä pystytä sanomaan että onko ehkä kyse soraläjästä, yhtenäisestä kiinteästä kappaleesta, vai jostain näiden ääripäiden väliltä.

Asteroidi 243 Ida on tyypillinen aurinkokunnan pienkappale, joskin se on kertaluokkaa suurempi kuin 2024 YR₄. Halkaisijaltaan Ida on 59,8 × 25,4 × 18,6 kilometriä. Galileo-luotain lensi sen ohi Marsin ja Jupiterin välissä vuonna 1994. Kuva: Nasa.

Törmäystapahtuma hetki hetkeltä

Kuvitellaan, että 2024 YR₄ todella törmää. Mitä tuolloin tapahtuisi?

Todennäköisin törmäyshetki näyttää tällä hetkellä olevan 22.12.2032 klo 11:37 Suomen aikaa. Epävarmuutta on tosin muutaman tunnin verran, eli se voi sattua joskus välillä klo 08.09–15.05. 

Kunhan törmäysaika lasketaan sekunnilleen, selviää myös lopullinen törmäyspaikka. Nykytiedoilla voidaan sanoa vain, että törmäyspaikka on luultavasti jossain hieman päiväntasaajan pohjoispuolella: Etelä-Amerikassa, Afrikassa, Intiassa, tai niiden välisillä merialueilla.

55-metrinen asteroidi on riittävän suuri näkyäkseen ihan paljaalla silmälläkin ehkä puolisen tuntia ennen törmäystä taivaalla nopeasti liikkuvana valopisteenä. Sen voi kuitenkin erottaa vain yöpuolelta, sieltä mistä katsoen Aurinko sattuu valaisemaan kappaleesta riittävän suurta osaa. 

Päiväpuolella asujat eivät kiveä voi nähdä ennen sen tuloa ilmakehään.

Sekä asteroidin kiertonopeus Auringon ympäri että Maan painovoiman vaikutus siihen on saatu laskettua jo varsin tarkkaan. Törmäyksessä asteroidi tunkeutuu ilmakehään huimalla 17 kilometrin sekuntivauhdilla.

Helsingistä pääsisi Tampereelle tuolla vauhdilla 10 sekunnissa. Asteroidin koko ilmalento hoituu samassa ajassa. Ilmassa ehtii kuitenkin tapahtua hyvin paljon.

Ilma asteroidin edessä puristuu kasaan, ionisoituu ja alkaa hehkua, kuumentaen samalla murikan pintaakin ehkäpä noin millin syvyydeltä. Taivaalla näkyy nopeasti suureneva ja paikoin hehkuva pallo. Sen perässä leviää sankka savuvana.

Ilmakehä jarruttaa asteroidia rankasti, rasittaen sen rakennetta äärimmilleen. Siihen syntyy pieniä rakoja ja halkeamia, jotka repeytyvät lopulta auki. 

Noin 50 kilometrin korkeudella asteroidi alkaa hajota, mikä tosin näkyy maanpinnalle vain välähdyksinä ja savuvanan hetkellisiä laajentumina. Lopulta 5 – 6 kilometrin korkeudella asteroidi hajoaa lähes täydellisesti suuressa räjähdyksessä.

Noin 15 metriä halkaisijaltaan ollut meteori törmäsi Maahan Tšeljabinskin luona 15. helmikuuta 2013. Se räjähti noin 30–50 kilometrin korkeudessa. Kuva: via ESA.

Räjähdyksen tuloksena pintaan alkaa parin sekunnin päästä ropista meteoriitteja, luultavasti yhä muutaman kilometrin sekuntinopeudella. Mukana on kaikkea tomusta pesukoneen kokoisiin järkäleisiin. 

Kivien jysähtelyä maahan voi verrata vaikkapa rypälepommien keskityksen. Rytäkässä syntyy pieniä kraatterinpoikasia sinne sun tänne. Mutta tämä pommitus rajautuu kuitenkin pääosin asteroidin alkuperäiseen lentosuuntaan. Se ei suinkaan ole pahinta mitä on luvassa.

Arizonassa oleva Barringerin kraatteri on noin 1200 metriä leveä ja 170 metriä syvä. Sen synnytti Maahan osunut noin 50-metrinen nikkelirauta-asteroidi 50 000 vuotta sitten. Tiedetuubin Klubi vieraili paikalla vuonna 2017. Kirjoittaja on eturivissä neljäs vasemmalta. Kuva: Jari Mäkinen.

Paineaalto

Törmäyksen suurin haitta tulee suoraan ilmassa tapahtuneesta räjähdyksestä. Voimakkuudeltaan posaus on noin kahdeksaa megatonnia TNT:tä, vastaten suurta vetypommia. Siitä lähtevä paineaalto suuntautuu tasaisesti joka suuntaan, kaataen ja murskaten taloja, puita, siltoja – lähes kaikki maanpäälliset rakenteet. Äänen nopeudella etenevä paineaalto saavuttaa minuutissa 20 kilometrin etäisyyden.

Tämä nähtiin selvästi vuonna 2013 tapahtuneessa Tšeljabinskin meteoritörmäyksessä: paineaalto sai aikaan suuria vaurioita, kappaleiden putoaminen maahan ei.

Suoraan räjähdyksen alla olevasta pisteestä täytyy mennä noin viiden kilometrin päähän, jotta selviäminen olisi mahdollista muutoin kuin aivan ihmeen kaupalla. Todennäköistä se alkaa kuitenkin olla vasta 15 kilometrin päässä.

Merellä sattuessaan paineaalto puskee alleen jopa parikilometrisen kraatterin, joka kuitenkin oikenee nopeasti. Samalla syntyy ulospäin leviävä tsunamiaalto. Aivan kraatterin reunalla sen korkeus on useita kymmeniä metrejä, mutta jo 10 kilometrin päässä vain 2–4 metriä. 

Symmetrisyydestä ja veden edestakaisesta loiskahtelusta johtuen tsunamia ei 20 kilometrin etäisyydellä enää ehkä edes huomaa.

Nyt määritellyllä vaaravyöhykkeellä elää vähintään 200 miljoonaa ihmistä. 

Miljoonakaupunkeja alueella on hieman yli 30 kappaletta. Äärimmäisen ikävästi osuessaan asteroidi voisi tuhota hetkessä vaikkapa jonkin jättimäisen metropolin, kuten Bogotan (11 miljoonaa asukasta), Kalkutan (15 milj.), Lagosin (21 milj.), Mumbain (23 milj.) tai Dhakan (24 milj.).

Rajattu alue osoittaa tämänhetkisen törmäysriskin alueen, pohjalla on vuoden 2020 väestöntiheyskartta. Kuva: Daniel Bamberger / Duncan Smith (LuminoCity3D) / Jarmo Korteniemi.

Onneksi törmäys on hyvin epätodennäköinen, ja osuminen kaupunkiin on vielä hirmuisen paljon epätodennäköisempää.

Nämä vaikutukset on laskettu uumoillun kokoiselle 55-metriselle kiviasteroidille. Laskennallisesti moisia törmää Maahan keskimäärin tuhannen vuoden välein.

Hieman pienempi tai harvempaa materiaalia oleva asteroidi räjähtäisi korkeammalla ja pienemmällä voimakkuudella. Sen synnyttämä paineaalto ei yltäisi yhtä vahvana yhtä kauas, eikä tuhovaikutus olisi yhtä mittava. Kaupungin päälle osuessaan kuolonuhreilta ei luultavasti voitaisi kuitenkaan välttyä, jos alla olevia alueita ei evakuoitaisi ajoissa.

Suurempi (tai tiheämpi) murikka räjähtäisi joko alempana ilmassa, tai yltäisi maahan asti ja siirtäisi energiastaan aimo osan kiveen. Tuolloin pahin ongelma ei lähiympäristössä olisi paineaalto, vaan niskaan satava kiviaines.

Kaikeksi onneksi 2024 YR₄ on riittävän pieni (ja törmäyshetki on vielä tarpeeksi kaukana) että törmäys voitaisiin nykytekniikalla välttää. Toimeen täytyisi kuitenkin ryhtyä pian sen jälkeen jos ja kun törmäys varmistuu.

Riittää, että sen vauhtia hidastetaan tai nopeutetaan vain hieman, jotta se ei ole Maan kanssa samassa pisteessä aivan tismalleen samaan aikaan. DART-luotain osoitti vuonna 2022, että suurempikin asteroidi liikahtaa riittävästi kun saa vain riittävän nopean töytäisyn raskaalla laitteella.

DARTin törmäys Dimorphosiin kuvattuna Etelä-Afrikassa olevalla Lesedi-teleskoopilla. Kuva: SAAO

Mitä aikaisemmin asteroidia päästään tuuppimaan, sitä helpommin sen sijaintiin Maan luona vuonna 2032 voisi vaikuttaa.

Toisaalta, jos törmäyspaikka olisi riittävän syrjäinen, asteroidin kannattaisi ehdottomasti antaa törmätä. Törmäysprosessia ja sen vaikutuksia olisi nimittäin tärkeätä päästä tutkimaan ihan todellisessa maailmassa – tämä kappale kun on tarpeeksi suuri, mutta ei kuitenkaan niin iso, että sillä olisi maailmanlaajuisia vaikutuksia.

Olisi hyvä päästä varmistamaan että simulaatiot antavat edes suurpiirteisesti oikeata tietoa.

Tarkasti ennustettu ja seurattu isohko törmäys olisi täysin ainutlaatuinen tapahtuma koko ihmiskunnan historiassa. Pääsisimme kerrankin näkemään Aurinkokunnan yleisimmän geologisen prosessin toimessa.

Peukut pystyyn!

-

Otsikkokuvassa on liitetty yhteen Apollo-astronauttien kuvaama maapallo ja Lutetia-asteroidi. Alkuperäiset kuvat: Nasa.

Tänään vuonna 1893 professori James Dewar kertoi kuuluisan brittiläisen tiedeyhdistyksen Royal Societyn tapaamisessa, että hän oli onnistunut muuttamaan ilmaa kiinteäksi.

Hän sanoi pakastaneensa ilmaa kirkkaaksi, läpinäkyväksi jääksi.

Kyseessä oli omituinen havainto, koska jään tarkkaa koostumusta ei kyetty sanomaan ja jäätyminen oli tapahtunut kummallisesti.

"Se on kuin hyytelöä, missä on kiinteää typpeä ja mukana hieman nestemäistä happea samaan tapaan kuin lihahyytelössä voi olla nestemäistä vettä kiinteän liivatteen seassa."

"Tai se voi olla oikeaa, kiinteää ilmaa, missä happi ja typpi ovat kumpikin kiinteissä muodoissaan."

1800-luvun loppu oli jännittävää aikaa fysiikassa tässäkin suhteessa, koska tuolloin tekniikka oli sillä tasolla, että tutkijat pystyivät saavuttamaan typen ja hapen nesteyttämiseen vaadittavia matalia lämpötiloja.

Typpi kehuu -195,8°C:n lämpötilassa ja jäätyy -210°C:n lämpötilassa, hapen sulamispiste on -218,8°C ja kiehumislämpötila -182,9°C. Ne ovat siis hyvin saman kaltaisia ja voivat olla samanaikaisesti niin nesteenä kuin kiinteässäkin muodossa.

1800-luvun puolivälissä Michael Faraday onnistui nesteyttämään suuren osan kaasuista, paitsi kuusi hankalinta, joita hän kutsui pysyviksi kaasuiksi. Näitä olivat happi, vety, typpi, hiilidioksidi, metaani ja typpioksidi.

Heliumista ei tuolloin tiedetty vielä mitään (ja sen löytäminen ja nesteyttäminen on aivan oma tarinansa).

Ranskalainen Louis Paul Cailletet ja sveitsiläinen Raoul Pictet tekivät vuonna 1877 ensimmäiset pisarat nesteytettyä ilmaa, mutta ilman muuttaminen kiinteäksi jäi vielä odottamaan.

Ja 123 vuotta sitten professori Dewar onnistui siinä, mikä on mahdollista tehdä melkein missä tahansa kemianlaboratoriossa nykyisin. Tästä esimerkki on päivän kuvana oleva malja kiinteää ilmaa.

Kuva on kaappaus alla olevalta videolta, jolla temppu tehdään kätevästi painekammiossa painetta vähentämällä.

Nokkakartio irroitetaan vain 187 sekunnin (kolmen minuutin ja seitsemän sekunnin) kuluttua laukaisusta, jolloin raketti on jo turvallisesti sadan kilometrin korkeudessa. Siellä ilma on jo niin ohutta, ettei siitä ole haittaa satelliitille.

Gaian "kapsulointi" tapahtui Kouroun avaruuskeskuksen hallin S3B puhdastilassa, mistä raketin kokonainen nokkaosa kuljetetaan laukaisualustalle ensi viikolla kun raketti on siirretty kokoonpanohallistaan sinne ja nostettu pystyyn.