Ihme ilmojen teiltä - Tiede | HS.fi

Ihme ilmojen teiltä

Jokainen lumikide on kuusikulmainen ja silti ainutkertainen.

Julkaistu: 27.2. 2:00, Päivitetty 27.2. 6:23

Jos lumihiutaleita laskeutuu lapaselle, kannattaa ihailla pieniä ihmeitä: monimuotoisia tähtiä, litteitä laattoja, onttoja pylväitä, särmikkäitä kuutioita, ohuita jääneuloja. Toisiinsa takertuneina tai erillisinä pieninä kiteinä.

Jokainen niistä on erilainen. Miksi hiutaleista tulee sellaisia kuin tulee? Yllättävää kyllä, sitä ei osata täysin selittää.

Yhdysvaltalainen lumikiteiden tutkija Kenneth Libbrecht valittelee, että pahainen lumihiutale on onnistunut nolaamaan tiedeyhteisön.

”Osaamme halkaista atomin ja lukea ihmisen genomin, mutta lumikiteen ymmärtämiseen kykymme eivät riitä”, Libbrecht ihmettelee tuoreen kirjansa esipuheessa.

Toisaalta kiteiden kasvu on yleisemminkin kova pähkinä purtavaksi. Jos lumen arvoitukset selviäisivät, siitä olisi hyötyä myös materiaalifysiikassa.

Myös Suomessa tutkitaan lunta, erityisesti sen havaitsemista ilmakehässä ja vaikutusta ilmastoon. Suomalaiset tukijat eivät kuitenkaan ole juuri pureutuneet lumen muodostumiseen kidetasolla. Siksi ammennamme nyt siitä tietoa amerikkalaiselta fysiikan professorilta.

Libbrecht eli lapsuutensa talvet lumisessa Pohjois-Dakotassa. Hiutaleet olivat aluksi hänelle vain harrastus. Fysiikan professorina Caltechissa Kaliforniassa hän on tutkinut muun muassa auringon sisustaa ja suunnitellut välineitä painovoima-aaltojen havaitsemiseen.

Kaksikymmentä viime vuotta hänen intohimonsa on kuitenkin kohdistunut lumeen. Hän on kehitellyt keinoja hiutaleiden kuvaamiseen, ja tämän jutun kuvat ja videot ovat hänen ottamiaan.

Tähtimäisisiä hiutaleita muodostuu kosteassa ilmassa, kun kide alkaa kasvaa nopeasti kuudesta kulmastaan. Kuva: KENNETH LIBBRECHT / SCIENCE PHOTO LIBRARY

Libbrecht on julkaissut lumikiteistä yleistajuisia kirjoja, uppoutunut yhä syvemmälle niiden tutkimiseen ja alkanut kasvattaa niitä omassa laboratoriossaan.

Kaiken tietämänsä hän on nyt koonnut 540-sivuiseen teokseen Snow Crystals (Lumikiteet). Siinä kerrataan myös hiutaletieteen historia.

Jo vuonna 135 eaa. kiinalainen filosofi Han Yin kirjoitti kummastellen, kuinka kasvien ja puiden kukat ovat yleensä viisikärkisiä, mutta lumikukat kuusikärkisiä.

Ensimmäinen tieteentekijä, joka ehdotti jonkinlaista syytä tähän, oli tähtitieteilijä ja matemaatikko Johannes Kepler. Kirjeenvaihdossa Thomas Harriotin kanssa Kepler sai tietää, että kanuunankuulien varastoinnissa oli tilankäytön kannalta tehokkaimmaksi havaittu kuuden kuulan symmetriset rykelmät.

Kepler pohti, olisiko kuulien ja lumikiteiden välillä jokin matemaattinen yhteys. Hän osui asian ytimeen, mutta kun molekyyleistä ja atomeista ei vielä tiedetty, hän ei voinut viedä analogiaansa pidemmälle.

Nykyisin tiedämme, että taivaalta satavat lumihiutaleet ovat jääkiteitä ja niiden yhteenliittymiä.

Ne ilmaantuvat melkein tyhjästä – härmistyvät ilmassa leijuvasta vesihöyrystä. Ne tiivistyvät siis kaasusta suoraan jääksi.

Jääkiteen ensimmäinen alkio on kuuden vesimolekyylin muodostama rengashila.

Koska vesimolekyylissä vetyatomit ovat aina samassa kulmassa, molekyylit eivät pysty asettumaan muuhun asetelmaan. Tästä juontuu, että lumikide on aina kuusikulmainen.

Yksinkertaisin lumihiutale on pikkuruinen symmetrinen prisma. Auringonpaisteessa se näyttää kimmeltävältä pölyltä. Kuva: KENNETH LIBBRECHT / SCIENCE PHOTO LIBRARY

Joskus kiteet kasvavat hanakammin sivuille päin. Tuloksena on litteitä, laattamaisia lumikiteitä.

Jääkiteessä on aina kuusi kulmaa. Kuivassa ilmassa kiteet jäävät levymäisiksi. Kuva: KENNETH LIBBRECHT / SCIENCE PHOTO LIBRARY

Sopivissa oloissa kide kasvaa erityisen nopeasti kulmistaan. Koska olot kiteen eri puolilla ovat samanlaiset, ilman vesihöyry härmistyy sen kulmiin samaa tahtia. Näin syntyy symmetrinen, kuusisakarainen tähti.

Toisinaan taas kide kasvaa kiivaasti ylöspäin. Silloin muodostuu korkeita, pylväsmäisiä kiteitä.

Neulaskiteitä syntyy, kun kide kasvaa erityisen voimakkaasti ylöspäin. Kuva: KENNETH LIBBRECHT / SCIENCE PHOTO LIBRARY

Kaikki lumikiteet voidaankin jakaa kahteen pääryhmään: laattoihin ja pylväisiin.

Minkä mallinen lumikiteestä kasvaa, riippuu ainakin ilman lämpötilasta ja kosteudesta. Japanilainen Ukichiro Nakaya osoitti tämän 1940-luvulla, ja tulokset on toistettu monesti sen jälkeen.

Mitä enemmän kosteutta pilvessä on, sitä monimutkaisempia lumikiteitä muodostuu. Lämpötilaa hiutaleen muoto kuitenkin seuraa kaikkea muuta kuin suoraviivaisesti.

Kahden pakkasasteen tienoilla syntyy lähes yksinomaan laattamaisia kiteitä. Kun pakkanen kiristyy viiteen asteeseen, hiutaleet alkavat kasvaa pylväiksi.

Kovemmassa, 15 asteen pakkasessa syntyy jälleen litteitä laattoja ja näyttäviä tähtiä.

Tämän poukkoilun syy on edelleen arvoitus. Siihen vaikuttaa kuitenkin ilmeisesti jääkiteen pinnan ohuen ohut esisulanut kerros, joka on kuin liimaa uudelle vesihöyrylle.

Esisulaneessa pinnassa vesimolekyylit ovat osin jääkiteistä irrallaan, ja niihin vesihöyryn vesimolekyylit helposti liittyvät.

Tämän ilmiön ja lämpötilan vaikutusta hiutaleen muotoon Libbrecht yrittää nyt selvittää.

Oikein kuivassa ilmassa lumikiteet kasvavat vaivoin. Mitä kosteampaa, sitä suuremmiksi kiteillä on taipumus kasvaa.

Lähellä nollaa kiteet takertuvat helposti toisiinsa ja muodostavat muhkeita jalkarättihiutaleita.

Lumitähdessä voi olla 12 sakaraa. Silloin kyse on kahdesta yhdessä kasvaneesta kiteestä. Kuva: KENNETH LIBBRECHT / SCIENCE PHOTO LIBRARY

Jos loppumatkasta lämpenee, hiutaleet alkavat sulaa ja tulevat lopulta alas räntäroiskaleina tai vesisateena. Mutta kun pakkasta riittää, ne leijailevat maahan ihmeellisinä koriste-esineinä.

Jokainen lumikide kasvaa omanlaisekseen, koska ilmavirtojen tuiverruksessa kukin niistä kulkee erilaisen reitin ja kohtaa erilaisia olosuhteita eri järjestyksessä.

Pylväskide, jonka molemmissa päissä on levyt. Kuva: KENNETH LIBBRECHT / SCIENCE PHOTO LIBRARY

Yksinkertaiset neulamaiset pakkaslumen kiteet saattavat näyttää keskenään melko samanlaisilta, mutta kun katsotaan riittävän tarkasti, niissäkin on eroja.

Kokonaan poissuljettua ei ole, että maailmassa on syntynyt kaksi aivan samanlaista lumikidettä. Kukaan ei pysty tarkistamaan kaikkia. Libbrecht pitää kuitenkin identtisiä kaksosia hyvin epätodennäköisinä.

”Jos kävisit läpi jokaisen hiutaleen koko maapallon historian ajalta, et lähes varmasti löytäisi kahta täsmälleen samanlaista”, hän kirjoittaa.

Ellei sitten mukaan lueta myös kaikista pienimpiä, silmälle näkymättömiä muutaman vesimolekyylin muodostamia kiteitä, joista kaikki alkaa. Niiden joukosta löytyy myös samanlaisia.

Seuraa uutisia tästä aiheesta