Voidaanko yksittäisen atomin tai molekyylin lämpötila mitata? Entä mistä lämpötilassa oikein on kyse?
Tuorein Minuutin selitys koettaa selittää...tosin selitys kestää pari sekuntia minuuttia pitempään.
Vaikka Marsin kaasukehässä on hyvin vähän vesihöyryä, planeetan punaisella taivaalla purjehtii toisinaan pilviä.
Opportunity-kulkija kuvasi kymmenisen vuotta sitten pilvihaituvia lähellä Victoria-kraatteria. Mönkijän "silmien" edessä avautuva maisema on tasainen kuin meren ulappa, koska kraatteri on vastakkaisessa suunnassa.
Marsin pilvet voivat koostua sekä vesi- että hiilidioksidijään muodostamista kiteistä. Ohuet pilvimuodostelmat ovat hyvin korkealla, jopa sadassa kilometrissä.
Pilviä esiintyy myös öisin, mutta silloin ne ovat noin viisi kertaa päivätaivaan pilviä tiheämpiä ja hyvin paljon alempana. Ne leijuvat lähellä planeetan pintaa muistuttaen pikemminkin sumua tai usvaa. Samalla ne hidastavat lämpötilan laskua: pilvisillä alueilla yölämpötilat ovat parikymmentä celsiusastetta korkeampia kuin selkeillä seuduilla.
Kuva: NASA/JPL-Cornell
Miltä kuulostaisi laser, joka kuumentaa aineen Aurinkoa kuumemmaksi ainoastaan 20 kvadriljoonasosasekunnissa? Eikä kyse ole päivätähtemme pinnasta ja muutamasta tuhannesta asteesta, vaan Auringon keskuksesta ja miljoonista asteista.
Lontoon Imperial Collegen teoreetikot ovat kehittäneet huippunopean kuumennusmenetelmän, jolla lämpötila pystytään nostamaan kymmeneen miljoonaan asteeseen sekunnin miljoonasosan miljoonasosassa.
Nyt menetelmä pitäisi vain saada toimimaan muuallakin kuin supertietokoneen laskelmissa. Jos siinä onnistutaan, keksinnöllä voi olla suuri merkitys fuusiovoiman kehittämisessä. Se päihittäisi nopeudessa nykyiset menetelmät satakertaisesti.
Suurteholasereita on perinteisesti käytetty fuusiotutkimuksessa aineen kuumentamiseen. Tuoreessa tutkimuksessa tavoitteena oli löytää keino, jolla voitaisiin kuumentaa ioneja suoraan, sillä ne muodostavat suurimman osan aineesta.
Useimpia materiaaleja kuumennettaessa laserin energia nostaa ensin kohdeaineen elektronien lämpötilan. Vasta sitten elektronit alkavat kuumentaa ioneja, jolloin koko prosessi on paljon hitaampi verrattuna ionien suoraan kuumentamiseen.
Imperial Collegen tutkijaryhmä totesi, että kohdistettaessa suurteholaser tietynlaiseen aineeseen se saa aikaan sähköstaattisen shokkiaallon, joka kuumentaa ioneja.
"Tulos oli täysin odottamaton. Yksi fuusiotutkimuksen ongelmista on ohjata laserin energia oikeaan paikkaan oikealla hetkellä. Tällä menetelmällä energia saadaan suoraan ioneihin", kehuu Arthur Turrell.
Tavallisesti laserilla aikaansaadut sähköstaattiset shokkiaallot työntävät ioneja edellään, jolloin niiden nopeus kasvaa, mutta lämpötila ei nouse. Supertietokoneella tehdyn mallinnuksen avulla tutkijat totesivat, että jos aineessa on sopiva yhdistelmä ioneja, niiden nopeudet kasvavat eri tavoin.
Se saa aikaan kitkaa, joka puolestaan nostaa nopeasti ionien lämpötilaa. Laskelmien mukaan ilmiö on voimakkaimmillaan kiinteissä aineissa, joissa on kahdenlaisia ioneja, esimerkiksi muoveissa.
"Kaksi ionilajia toimivat kuin tulitikut ja tikkuaski; kumpiakin tarvitaan", selittää tutkimukseen osallistunut Mark Sherlock. "Nippu tulitikkuja ei syty itsekseen – tarvitaan kitkaa, jota syntyy, kun tikut raapaistaan askin kylkeen."
"Itsessään oli jo yllätys, että kohteena käytettävällä materiaalilla oli niin suuri merkitys", lisää ryhmään kuulunut Steven Rose. "Aineissa, joissa on ainoastaan yhtä ionilajia, ilmiötä ei esiinny lainkaan."
Kuumeneminen tapahtuu huippunopeasti, koska kohdemateriaali on hyvin tiheää. Ionit puristuvat yhteen lähes kymmenkertaiseen tiheyteen tavalliseen kiinteään aineeseen verrattuna. Sähköstaattisen shokkiaallon aiheuttama kitkaefekti on silloin paljon voimakkaampi kuin esimerkiksi harvemmassa kaasussa.
Jos menetelmä saadaan toimimaan myös käytännön tasolla, se olisi kaikkien aikojen nopein kuumennuskeino suurelle hiukkasmäärälle.
"Kun atomit törmäävät toisiinsa LHC-kiihdyttimen kaltaisissa laitteissa, tapahtuu vielä nopeampia lämpötilan muutoksia, mutta törmäykset tapahtuvat yksittäisten hiukkasten välillä", toteaa Turrell.
Tutkimuksesta kerrottiin Lontoon Imperial Collegen uutissivuilla ja se on julkaistu Nature Communications -tiedelehdessä.
Kuva: NASA/LMSAL
Mittaukset kertovat, että tästä vuodesta on tulossa ennätysmäisen kuuma. Keskilämpötilat ovat paljon tavanomaista korkeampia paitsi globaalisti, niin myös monilla alueilla paikallisesti – paitsi pienellä alueella Grönlannin kaakkoispuolella.
Siellä vuoden alusta alkaen mitattuina lämpötila on ollut keskimääräisesti huomattavasti normaalia matalampi. Onko sinne kehittymässä ilmastonmuutoksesta kertoneessa The Day After Tomorrow -elokuvassa olleiden kylmän ilman virtauksen kaltainen ilmiö?
Ei ole, mutta jotain omalaatuista on kyllä meneillään, kuten Yhdysvaltain ilmaston- ja merentutkimuslaitos NOAA:n tuoreet lämpötilojen keskiarvokartat (kuten alla, mistä otsikkokuva on suurennos) osoittavat. Pohjoisella Atlantilla Grönlannin kaakkoispuolella ja Islannin lounaispuolella on alue, missä on ollut viimeisen kahdeksan kuukauden ajan ennätyksellisen kylmää.
Tilanteelle ei ole selvää selitystä. Yksi mahdollisuus löytyy maaliskuussa Nature Climate Change -julkaisussa olleesta artikkelista. Siinä Stefan Rahmstorf Potsdam-instituutista ja Michael Mann Penn Staten yliopistosta epäilevät Atlantin merivirtojen olevan heikkenemässä. Kyseessä olisi niin sanottu AMOC, Atlantin keskialueiden lämpösuolavesikierto, jonka osana on lämmintä, vähäsuolaista merivettä pinnalla etelästä pohjoiseen kuljettava Golfvirta ja syvemmällä tapahtuva kylmän, suolaisemman veden liike pohjoisesta kohti etelää.
Mannin ja Rahmstorfin mukaan Grönlannin jäätiköiden normaalia kiihkeämmästä sulamisesta mereen valuva makea vesi häiritsisi kiertokulkua, koska viilennyt ja suolapitoisuudeltaan kasvanut pintavesi ei pääse vajoamaan aiempaan tapaan syvyyksiin virratakseen takaisin eteläisimmille alueille jälleen pintaan noustakseen ja lämmetäkseen.
Tätä teoriaa tukee myös viime vuonna Nature Geoscience -lehdessä ollut artikkeli, missä Readingin yliopiston tutkija Jon Robson työryhmineen esitteli mittauksiaan, joiden mukaan syvällä Labradorin meressä ja Grönlannin lounaispuolella syvällä meressä olevan veden tiheys ei ole yhtä tiheää kuin aikaisemmin. Siinä on siis vähemmän suolaa. Artikkelissa todettiinkin, on AMOCissa on meneillään selvä ja huomattava muutos.
Toisaalta nyt havaitut muutokset pohjoisessa mahtuvat vielä epävarmuuden ja mahdollisen luontaisen vaihtelun rajoihin; kunnollisia mittauksia lämpötioista pohjoisessa on alle sadalta vuodelta ja merivirtojen käyttäytymistä ei tunneta kunnolla.
Mutta se on varmaa, että lähinnä koomisen kuvan ilmastotutkimuksesta antaneen The Day After Tomorrowin kaltaistesta kylmän ilman virtausta stratosfääristä alempaan ilmakehään ei ole kyse. Sellainen on luonnolakien vastainen, ja kuten yleensä luonnossa oikeasti, on tässä merivirtojen muutoksessa ja pohjoisen kylmässä alueessa kyse hitaasti kehittyvästä ilmiöstä.
Tosin aiempaan kehitykseen verrattuna tilanne on selvästi muuttumassa nyt nopeasti...
Tutkijat ovat ensimmäistä kertaa onnistuneet luomaan suprajohtavuutta lämpötiloissa, joita esiintyy planeetaltamme aivan luonnollisesti. Suprajohtavuustutkimus suoritettiin Max Planck -instituutin kemian laboratoriossa Maintzissa, ja julkaistiin Nature-tiedelehdessä.
Rikkivety saatiin johtamaan sähköä ilman vastusta -70 asteessa. Vastaavia lämpötiloja esiintyy Etelämantereella, ja Siperiassakin päästään lähes samaan (ennätys -68°C). (Lue lisää aiemmasta artikkelistamme: Mistä löytyy maapallon kylmin paikka.)
Uutta suprajohdetta ei kuitenkaan voida vielä hyödyntää sen epäkäytännöllisyyden vuoksi. Aine täytyi altistaa yli puolentoista miljoonan ilmakehän paineeseen. Tämä saatiin aikaan puristamalla hyvin pientä rikkivetymäärää prässissä kahden timantin välissä.
Rikkivety on huoneenlämmössä pahalta haiseva ja väritön kaasu. Kylmennettynä se kiinteytyy, ja kovassa yli 900 000 ilmakehän paineessa se käyttäytyy kuin metalli. Tutkijat epäilevät, että kovassa paineessa aine muuttuu entistä tiheämmäksi, siten että jokaisella rikki-ionilla olisikin kahden sijasta kolme vetyseuralaista (H3S).
Tutkijat eivät ole aivan varmoja, miksi rikkivety muuttuu suprajohtavaksi. He epäilevät syypääksi kevyitä vetyioneja.
Suprajohtavissa aineissa korreloituneet elektroniparit (Cooperin parit) mahdollistavat sähkövirran nopeamman läpivirtauksen. Pariutuminen on kvanttifysikaalinen ilmiö, mutta voidaan esittää perinteisen fysiikan avulla: Metallissa olevat elektronit vetävät negatiivisella varauksellaan puoleensa aineen 'kehikon' positiivisesti varautuneita ioneja. Kun kehikko vääristyy hieman, syntyy heikkoja positiivisen varauksen tihentymiä, 'pilviä'. Ne taas vetävät puoleensa muita elektroneja -- voimakkaammin kuin elektronit hylkivät toisiaan. Syntyy Cooperin pareja. Elektronit tosin vuorovaikuttavat keskenään varsin heikosti, ja jo pienikin lämpötilavaihtelu voi tuhota parin. Tämän on syynä sille, että suprajohteet täytyy pitää varsin alhaisissa lämpötiloissa. Tätä tutkimusta ennen suprajohtavuutta oli onnistuttu luomaan vain aineilla, jotka on jäähdytetty reippaasti alle -100 asteeseen.
Tutkijoiden oletus on, että nyt kehitetyssä rikki-vety -suprajohteessa avainasemassa ovat kevyet ja pienet vetyionit. Elektronit onnistuvat liikuttamaan niitä helpommin, sekä enemmän, kuin raskaampia ioneja. Positiiviset pilvet muodostuvat siksi tiheämmiksi, ja elektronien vuorovaikutus voimistuu. Tällaiset elektroniparit sietävät myös enemmän lämpöliikettä.
Tutkijat toivovat, että lämpötilaennätys rikotaan pian. Huoneenlämmössä (tai ainakin sen lähellä) toimivien suprajohteiden kehittäminen voi mullistaa lähes kaiken sähkön käyttöön liittyvän.
Juttu perustuu New Scientistin artikkeliin sekä Nature-tiedelehdessä julkaistuun tiedeartikkeliin. Otsikkokuvan magneettien päällä leijuva suprajohde ei liity tapaukseen (Kuva: Henry Mühlpfordt / Flickr).
Päivitys 19.8. klo 21.30: Korjattu kirjoitusvirhe toiseksi viimeisestä kappaleesta.
Suuret tulivuorenpurkaukset viilentävät Maan ilmastoa jopa kymmeneksi vuodeksi, selvittivät tutkijat. Tutkimuksessa selvitettiin purkausten vaikutukset ennennäkemättömällä tarkkuudella viimeisen 2500 vuoden ajalta. Tutkimus julkaistiin heinäkuun alussa tiedelehti Naturessa.
Kosmisten säteiden vaikutusta hyödyntäneen tutkimuksen anti oli, että purkausten ja ilmaston lämpötilavaihtelun aikaskaalat kyettiin sitomaan toisiinsa paljon tarkemmin kuin ennen.
Samalla päästiin eroon tähän asti ilmastotulkintoja vaivanneista turhauttavista oletuksista. Tulokset tarkentavat roimasti muunmuassa IPCC:n malleja tulevaisuuden lämpötiloista.
Jäätä, puuta, tulivuoria ja kosmisia säteitä
Tutkijat käyttivät apunaan maanulkoisia tapahtumia. Alkuvuonna 775 sekä vuonna 994 planeetan ilmakehän koostumus muuttui hyvin äkisti - tosin vain vähän. Tämä tiedetään siitä, että hiilen raskaan 14C-isotoopin suhteellinen määrä kasvoi tuolloin ympäri maailmaa eläneiden puiden vuosirenkaissa. Vastaavasti sekä Gröönlannin että Antarktiksen jääkairauksista erottuu selvä berylliumin 10Be -isotoopin piikki. Syynä kumpaiseenkin oli luultavasti kosmisten säteiden aalto, joka muutti ilmakehän isotooppijakaumaa hetkellisesti. Kumpikin havainto on ainutlaatuinen, ja sopii hyvin oletukseen. Aikojen saatossa anomaliat jäivät puiden renkaiden sisään ja tuoreempien jäämassojen alle.
Sekä jääkairauksia että puiden vuosirenkaita on jo pitkään käytetty ilmastohistorian tulkinnassa. Kun jäästä löydetään merkittäviä vulkaanisen tuhkan jäämiä, tiedetään, että jossain tapahtui suuri purkaus. Pohjoisella pallonpuoliskolla sattunut purkaus erottuu lähinnä Gröönlannin jäässä, eteläiset taas Antarktiksella. Päiväntasaajalla alkunsa saava tuhkapilvi näkyy kummassakin. Useimmiten purkauksen aikaan eläneiden puiden vuosirenkaat ovat tuolloin myös normaalia ohuempia. Tästä sitten päätellään, että ilmasto viileni purkauksen aikoihin, koska ilmaan tupsahtaneet rikkiyhdisteet ja muut aerosolit heijastavat auringon säteilyä.
Vaikka puiden ja jään tarjoamat aikasarjat täsmäävätkin erittäin hyvin suuressa mittakaavassa, niissä on kuitenkin tarkemmin katsottuna pientä, 10 - 15 vuoden heittoa. Syy- ja seuraussuhteita on vaikea todeta pitävästi, ja päättelyssä joudutaan luottamaan malleihin ja moniin oletuksiin. Tuollaiset selitykset ovat aina avoimia tulkinnoille ja kritiikille.
Yllä: Näkymä USA:n tukikohdasta Pinatubon suuren 1991 purkauksen aikaan. Kuva: R.S. Culbreth U.S.A.F. / Kentucky National Guard Public Affairs office / Flickr
Nyt ongelma on korjattu. Synkronoimalla samaan aikaan syntyneet isotooppianomaliat toisiinsa tutkijat sitoivat puurenkaat ja jääkairaukset entistä tiiviimmin yhteen. Ja vieläpä kahdesta kohdasta. Parasta on, että sitomiseen käytettiin keinoa, joka on täysin ilmastomalleista riippumaton.
Kun aikasarjojen linkitys oli tehty, alkoi jää- ja puunäytteistä näkyvien tapahtumien vertailu. Niiden havaittiin täsmäävän erittäin tarkasti, käytännössä vuodelleen, ainakin muutama sata vuotta kumpaankin suuntaan isotooppi-anomalioista. Kauempanakin tarkkuus on paljon aiempaa parempi: Vuoden 500 eaa. tienoillakin heitto on enimmillään vain viisi vuotta. Virheraja tippui siis reippaasti alle puoleen.
Bonuksena tutkijat vielä löysivät kahden, toistaiseksi tuntemattoman erittäin suuren purkauksen vaikutukset. Ne sattuivat vuosina 536 ja 540, jossain päin päiväntasaajan seutua. Niiden tuottamat aerosolimäärät olivat suurempia kuin Tamboran, historiallisen ajan ylivoimaisesti suurimman purkauksen. Lämpötila laski tuntemattomien purkausten ansiosta ainakin Euroopassa 1,4 - 2,7 asteella - kymmeneksi vuodeksi. Euroopassa ja ehkä myös Kiinassa riehui nohin aikoihin sekä nälänhätä että Justinianuksen ruttona tunnettu tautiepidemia. Noin puolet maanosamme väestöstä kuoli.
Parantaa ilmastonmuutoksen ennusteita
Tiedeyhteisö on lähes yksimielinen siitä, että ihmiskunnan kasvihuonekaasupäästöt lämmittävät ilmastoa. Tulkinnoissa on eroja, sillä eri tutkijat painottavat eri mekanismeja eri tavoin. Tämän vuoksi lämpenemisen nopeusarvioissa on suuriakin eroja. IPCC:n kokoamien arvioiden mukaan hiilidioksiditason kaksinkertaistaminen lämmittää planeettaa 2 - 4,5 asteella. Vaihteluväli on suuri, ja yhtenä muuttujana - epävarmuustekijänä - on ollut vulkanismin syöttämien aerosolien merkittävyys.
Nyt julkaistu tutkimus pienentää virherajoja ja auttaa siis ennusteiden tarkentamisessa.
Päivitys klo 21.00: Kirjoitusvirheitä korjattu.
Jutun lähteenä on käytetty Scientific Americanin uutista sekä mainittua Naturen tiedeartikkelia.
Otsikkokuva: 2200-vuotiaan punapuun vuosirenkaat. Kuva: Richard Masoner / Cyclelicious / Flickr
Tähdet ovat erivärisiä ja tarkkaan katsoen sen huomaa jo paljain silmin. Tähden väri kertoo sen lämpötilan, mutta toisin kuin vesihanasta tuttu värikoodi: kylmimmät tähdet ovat punaisia ja kuumimmat sinisiä.
Todellisuudessa kaikki tähdet säteilevät kaikkia spektrin värejä, mutta tähden pinnan lämpötila määrää, millä aallonpituuksilla se säteilee voimakkaimmin. Siksi tähden väri riippuu sen lämpötilasta.
Syvänpunaisten tähtien pinnalla lämpötila kipuaa hädin tuskin 2 000 celsiusasteeseen. Punaiset tähdet ovat joko hyvin pieniä kääpiötähtiä tai valtavan suuria, kymmenien tai satojen miljoonien kilometrien läpimittaisia jättiläistähtiä. Niiden sisuksissa ydinreaktiot ovat hiipuneet ja ulko-osat ovat laajentuneet harvaksi kaasukerrokseksi.
Punainen jättiläistähti löytyy esimerkiksi Orionin tähdistöstä. Betelgeuze on elinkaarensa loppuvaiheissa oleva tähti, joka voi räjähtää supernovana milloin tahansa. Betelgeuze on läpimitaltaan satoja kertoja Aurinkoa suurempi: jos se olisi Aurinkokunnan keskustähti, sen viileä pinta olisi Marsin radan tuolla puolen.
Oranssi väri kertoo hieman kuumemmista oloista, noin 4 000 asteen pintalämpötilasta. Myös oransseja tähtiä löytyy kokoskaalan kummastakin päästä, sekä paljon Aurinkoa pienemmistä kääpiötähdistä että paljon Aurinkoa suuremmista jättiläisistä.
Oranssia tähteä voi katsella esimerkiksi Härän tähdistössä. Sen kirkkain tähti Aldebaran on läpimitaltaan ”vain” nelisenkymmentä kertaa Aurinkoa suurempi jättiläistähti.
Keltaiset tähdet, joiden pintalämpötila on noin 6 000 astetta, ovat tutuimpia, sillä Aurinko on yksi niistä. Ajomiehen kirkkain tähti Capella on puolestaan kahden kaksoistähden muodostama järjestelmä. Kirkkaampi kaksoistähdistä muodostuu kahdesta keltaisesta jättiläistähdestä, jotka ovat kooltaan noin kymmenen kertaa Aurinkoa suurempia.
Aurinkoa kuumempien, noin 7 500-asteisten tähtien väri on kellanvalkoinen tai vaaleankeltainen. Ne ovat kooltaan usein samaa luokkaa kuin Aurinko, mutta matkalla kohti jättiläisvaihetta. Vaaleankeltainen tähti on esimerkiksi Pienen koiran Procyon. Se on noin kaksi kertaa Aurinko suurempi, mutta useita kertoja kirkkaampi.
Tähdet, joiden pintalämpötila on noin 10 000 astetta, ovat valkoisia. Huomattava osa paljain silmin näkyvistä tähdistä kuuluu tähän ryhmään. Syynä on niiden kirkkaus: kirkkaat, valkohehkuiset tähdet näkyvät kauempaa avaruudesta kuin himmeät, punaiset kääpiötähdet, jotka ovat Auringon lähiympäristön tyypillisimpiä tähtiä.
Koko taivaan kirkkain tähti, Sirius, on väriltään valkoinen. Se ei ole poikkeuksellisen kirkas, ainoastaan noin 25 kertaa Aurinkoa kirkkaampi, mutta se on viidenneksi lähin tähti ja loistaa siksi kirkkaasti öisellä talvitaivaalla.
Vielä kuumemmat tähdet hehkuvat sinertävänvalkoista valoa. Niiden pintalämpötila on peräti 20 000 astetta. Esimerkiksi Orionin tähdistön Rigel on superjättiläinen, jonka kirkkaus on noin 40 000 kertaa suurempi kuin Auringon.
Toisaalta sinertävänvalkoisia, voimakkaasti säteileviä tähtiä on myös nuorissa, vain kymmenien tai satojen miljoonien vuosien ikäisissä tähtijoukoissa. Esimerkiksi Härän tähdistössä sijaitsevassa Plejadien tähtijoukossa on sinertävänvalkoisia tähtiä.
Kaikkein kuumimmat tähdet on väriltään sinisiä. Ne ovat niin ikään superjättiläisiä, jotka voivat säteillä miljoona kertaa voimakkaammin kuin Aurinko. Korkean lämpötilan takia suuri osa säteilystä on silmille näkymätöntä ultraviolettisäteilyä. Orionin tähdistössä on useita jättiläistähtiä ja siitä löytyy myös sinisenä loistava tähti: Alnitak on Orionin ”vyön” vasemmanpuoleinen tähti.