Valkeaa ja lauhtuvaa joulua!

Julkaistu

Joulu on tänä vuonna valkea koko maassa, monin paikoin jopa harvinaisen valkea. Nimittäin etelässä lunta on paikoin jo lähes puoli metriä, kun jouluna sitä on keskimäärin esimerkiksi etelä- ja länsirannikolla vain kymmenisen senttiä. Harvinaista on myös se, että jo kuun alussa oli mahdollista ennustaa, ja ennustinkin koko maahan valkeaa joulua.

Tänä jouluna valoa on enemmän koko maan kattavan lumipeitteen vuoksi. Kuva: Aleksi Jokela

Tyypillisesti sää on niin vaihtelevaa meillä että usein on hyvin hankala ennustaa edes muutaman päivän päähän. Nyt kuitenkin suursäätila on ollut helpommin ennustettavissa: Venäjän puolella on ollut pitkään pysyvä laaja ja vahva korkeapaine, joka on pitänyt lännestä lauhaa ja kosteaa ilmaa tuovat matalapaineet loitolla ja meille on päässyt virtaamaan usean viikon ajan kylmää ilmaa Siperiasta.

Tuo Venäjän korkeapaine on kuitenkin hellittämässä otettaan Suomesta juuri jouluksi, sillä ilmavirtaukset kääntyvät puhaltamaan lounaan suunnalta ja sää lauhtuu lähes kertaheitolla ja paljon – rannikoilla jopa plusasteille asti, vaikka vielä aatonaattona hytistään etelässäkin paikoin jopa 25 asteen pakkasissa.

Tarkkoja lämpötilaennusteita on vaikea tehdä usean päivän päähän vaikka säätyyppi olisikin tiedossa, sillä etenkin talvella lämpötila on herkkä pilvisyyden muutoksille. Selkeällä säällä lämpötilat voivat olla helposti 15 astetta kylmempiä, kuin pilvisellä säällä.

Aatonaatto taitaa kuitenkin olla monin paikoin tämän viikon kylmin päivä, ennen kuin tuo lauhtuminen aattoa kohti alkaa lännestä. Vielä aattoaamuna pakkasta on kuitenkin monin paikoin maan etelä- ja keskiosassa sekä Pohjois-Pohjanmaalla ja Kainuussa -10…-20 astetta, länsirannikkoa lukuun ottamatta. Päivän aikana sää lauhtuu kuitenkin nopeasti niin, että illalla pakkasta on enää lännen muutamasta asteesta  idän noin -10 asteeseen. Lapissa pakkasta on vielä koko aaton ajan pääosin -10…-20 astetta ja aatto on koko maassa poutainen.

Joulukuusi jouluaattona. Kuva: Aleksi Jokela

Joulupäivänä sää lauhtuu Lapissakin ja jatkuu myös muualla maassa niin että koko maan etelä- ja keskiosassa on enää pikkupakkasta, rannikoilla lämpötilat voivat jo nollan vaiheilla. Joulupäivän aikana varsinkin maan keski- ja pohjoisosan yli voi kulkea jo joitain lumisateita. Maan pohjoisosassa pakkasta on -10 asteen molemmin puolin.

Tapaninpäiväksi Suomeen saapuu näillä näkymin matalapaine ja tuo lähes koko maahan laajoja sateita viimeistään illaksi ja tuuli voimistuu. Mitään viime Tapaninpäivän kaltaista myrskyä ei kuitenkaan näillä näkymin ole onneksi saapumassa, mutta kovaa tuulta voi olla ja etelässä sekä lännessä sade voi tulla räntänä. Lämpötilat ovat samoissa lukemissa kuin joulupäivänäkin lukuun ottamatta Lappia jossa sää kylmennee jälleen -10…-20 asteen välille.

Eli lauhtumista ja säätyypin muutos jouluksi luvassa, siitä eteenpäin voikin olla talvella jo ihan eri suunta – nimittäin lauhempi. Joka tapauksessa valkoinen joulu on koko maahan tulossa. Näin ei aivan joka joulu läheskään ole, nimittäin esimerkiksi etelä- ja länsirannikolla pysyvä lumipeite saadaan keskimäärin vasta vuoden vaihteessa ja vain noin 2/3 jouluista on valkeita, tulevaisuudessa todennäköisesti vielä harvempi. Viime jouluna maa oli lumeton laajalti etelässä ja lännessä. Nautitaan siis jouluna lumesta ja sen tuomasta valosta ja ilosta, sillä se ei ole itsestään selvyys!

Talviunilla

Julkaistu
Veneitä talviunilla, kuva Tiina Asula

Syksy  on pitkällä, ja monet eläimet ovat talviunilla. Talviunella tarkoitetaan yli talven kestävää jaksoa, jolloin eläin nukkuu. Tyypillisiä talviunta nukkuvia nisäkkäitä ovat karhu, mäyrä tai supikoira. Nämä eläimet ovat tasalämpöisiä.

Esimerkiksi siilit tai lepakot eivät nuku talviunta vaan vaipuvat talvihorrokseen. Talvihorros on kylmänhorroksen tapainen tila sillä erolla, että talvihorroksessa eläimet pystyvät säätelemään itse ruumiinlämpöään polttamalla paljon energiaa sisältävää ruskeaa rasvakudosta.

Käärmeet, sammakot ja hyönteiset ovat vaihtolämpöisiä. Niiden ruumiinlämpö laskee talvella nollan tuntumaan. Elintoiminnot loppuvat melkein kokonaan, ja eläin on lähes kuollut.

Monet suomalaiset ihmisetkin viettävät talven jonkinmoisessa unessa tai horroksessa. Pimeä vuoden aika lisää unen tarvetta. Kylmä tai märkä sää saa jotkut kääriytymään peittoon ja kaivautumaan sohvan kulmaan. Ja ne, jotka eivät pimeyttä kestä lentävät etelään kuten muuttolinnut palatakseen jälleen Suomeen, kun päivät pitenevät ja lämpenevät.

Oletko sinä talven horroksessa, jopa unessa? Vai onko talvi sinulle tekemisen aikaa?

Silppua säätutkassa

Julkaistu

virhekaiku
Sadetutkan antamaan informaatioon ei aivan kaikissa olosuhteissa uskalla luottaa.
Sadealueiden seurannassa säätutka on varsin tärkeä havaintolaite. Nykypäivän kaksoispolarisaatiotutkat eivät perinteisten tutkien tapaan mittaa ainoastaan mikroaaltopulssin heijastumisaikaa kohteesta, vaan sadepilvestä kohti maata tippuvista partikkeleista voidaan havaita lukuisia muitakin seikkoja, mm. sateen olomuoto.

Tutkan keilatessa taivaanrantaa, on keskeisenä mielenkiinnon kohteena tietenkin vesi. Vesi voi esiintyä luonnossa vesihöyrynä, eri kokoisina nestepisaroina ja jääkiteinä sekä näiden kaikkien sekoituksena.

Vesimolekyylin poolisen rakenteen johdosta molekyylit pääsevät kääntyilemään ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta suhteellisen helposti. Vesimolekyylien kääntely vaatii kuitenkin aina työtä, joka näkyy tutkalle signaalin vaimenemisena. Aivan kuten poliisi hyödyntää liikkuvan hurjastelijan nopeusmittauksessa doppler-ilmiötä, missä signaalin taajuus muuttuu kuljettajan raskaan kaasujalan funktiona, voidaan vastaavaa menetelmää hyödyntää myös säätutkien yhteydessä. Puolestaan sironnassa tutkan aallonpituutta huomattavasti pienempiin kappaleisiin indusoituu suurtaajuinen sähkövirta, joka saa pienen vesipisaran toimimaan eräänlaisena pikkuriikkisenä antennina, tuottaen ympäristöön palloaallon tavoin etenevän sähkömagneettisen aallon.

Mittaamalla eri etäisyyksiltä saapuvia tutkakaikujen kestoa, vaihe-eroa, taajuutta, sirontaa, eri aineiden polarisoitumismekanismeja ja lopuksi yhdistämällä tämä kaikki suureen määrään meteorologista tutkimustietoa sekä viime vaiheen visualisointia, saadaan lopuksi näkyviin illan tv-lähetyksessä esitetty säätutkakuva.

Monesti on ollut tilanteita, jolloin säätutkassa näkyy ei-niin-säähän liittyviä kaikuja. Linnut, hyönteisparvet ja rannikon aiheuttamat kaiut tuovat omat haasteensa, jolloin virheellisiä kaikuja joudutaan suodattamaan pois.

Joskus kaiuille löytyy hieman poikkeava syy. Viimeksi tänään saimme ilmoituksen Ilmavoimien koelentokeskuksen jo toteuttamasta tutkahäirinnästä nk. passiivisen silpun avulla. Tämän tarkempaa tietoa menetelmästä ei ole, mutta muualla maailmalla on käytössä tekniikoita, missä pölläytetään lentokoneesta pilvi voimakkaasti mikroaaltoja heijastavaa materiaalia. Tämä luo lentokoneen ja tutkan väliin eräänlaisen savuverhon ja estää näkyvyyden tutkassa.

Tällä kertaa säätutkassa oli valitettavan hiljaista, vaikka lentoja tarkkailtiin. Eivät ehkä näkyneet, ehkä lentoja siirrettiin?
Ei voi tietää.

Lähteet:

Kaksoispolarisaatiotutkan takaisinsironnan numeerinen mallintaminen, TKK DI-työ, Timo Piipponen

http://www.globalsecurity.org/military/systems/aircraft/systems/chaff.htm

http://fi.wikipedia.org/wiki/Tutkan_historia

Valokuva:
Virheellinen tutkakuva, Tiina Asula
(Valovkuva ei liity puolustusvoimien suorittamiin lentoihin, mutta muuten aito tilanne.)

Suuri magneetti

Julkaistu

neodyymimagneetti jääkaapin ovessa
Jääkaapin oveen kiinnitetty neodyymimagneetti ja mukamas kupari(teräs!)kolikko hakeutuvat potentiaalienergialtaan pienimpään lokaaliin minimiin.

”Magnus magnes ipse est globus terrestris”
Koko maa on suuri magneetti
–William Gilbert

Kompassi on hyvä apuväline erämaan kätköihin eksyneelle vaeltajalle. Vaikka todellinen erämies osaa ottaa suunnan muurahaispesien kasautumisesta puiden runkoa vasten, tai vaihtoehtoisesti kuusenoksien tiheämmästä kasvusta puiden eteläpuolella, ei kompassi silti paljon taskussa paina. Ulapalla seilaavan merenkulkijankin on hyvä osata turvautua kompassiin. GPS-navigaattori voi rikkoutua, satelliitti olla teillä tietämättömillä. Liukas muovivempele voi myös helposti lipsahtaa käsistä merenpohjaan. Tällöin on aika kaivaa tuo vanha kiinalainen keksintö esiin.

Magnetoitu teräsneula asettuu painopisteestään tuettuna Maan magneettikentän kenttäviivojen suuntaisesti. Yleensä nämä kenttäviivat kuvitellaan suoriksi viivoiksi etelästä pohjoiseen, mutta todellisuudessa tilanne on paljon mutkikkaampi ja mielenkiintoisempi.

Magneettivuon näkökulmasta reitti on aina suorin mahdollinen, mutta maastossa erämies tulee kulkeneeksi jossain määrin kiemurtelevaa reittiä. Suunnistustermein puhutaan erannosta sekä eksymästä. Erannon aiheuttaa maantieteellisen ja magneettisen pohjoisnavan välinen kulma. Eksymän voi aiheuttaa esimerkiksi maaperässä oleva malmiesiintymä. Esimerkiksi rautaesiintymän kohdalla magneettivuo voi kulkea tämän kautta todellisen pohjoisen sijaan, tai kenttä vastaavasti heikentyä esimerkiksi vismutti-metallin kohdalla. Kompassin virhenäyttämän voi todeta jo viemällä sen henkilöauton viereen. Vaikka aine itsessään ei olisi magnetoitunut, toimii teräs ilmaa huomattavasti parempana magneettisena johteena.

Maan magneettikentän syntymekanismi, muutokset magneettikentän voimakkuudessa ja suunnassa ovat olleet tutkijoiden erityisenä mielenkiinnon kohteena. Suoria havaintoja tehdään jatkuvasti esimerkiksi Nurmijärven ja Sodankylän magneettisilla mittausasemilla. Tämän lisäksi geologisilla näytteillä tulivuorten jäähtyneestä laavasta tai merenpohjan kerrostumista voi tehdä pidemmän aikavälin epäsuoria havaintoja siitä, miten magneettiset navat ovat liikkuneet historian saatossa.

Hyvin kuumissa olosuhteissa sulan laavan ferromagneettiset rakeet järjestäytyvät Maan magneettikentän suuntaiseksi, mutta jäähdyttyään alle Curie-lämpötilan, nämä rakeet eivät enää pääse sekoittumaan, vaan ikään kuin tallentavat Maan magneettiset olosuhteet muistiin. Ilmiötä kutsutaan jäännösmagnetismiksi.

Pitkään magneettikentän arveltiin olevan seurausta maapallon synnyn jälkeisestä jäännösmagnetismista, mutta teoria on sittemmin hylätty. 1800-luvulla oli käsitys magnetismin syntyvän maan alkalimetallien hapettumisen seurauksena. Maaperään ajateltiin syntyvän galvaanisia pareja, joiden aikaansaama sähkövirta tuottaisi magneettikentän. Vielä nykyäänkin teorioita on useita, joista yksi liittyy suolaisen meriveden virtauksiin. Yleisemmän käsityksen mukaan magneettikenttä syntyy Maan sulan ydinosan nestevirtauksista, joiden tuottama sähkövirta aikaansaa havaitsemamme muutamien kymmenien mikroteslojen suuruisen magneettikentän.

Kotikäyttöön hyvin soveltuvia vahvoja neodyymimagneetteja kannattaa purkaa vanhoista tietokoneen kovalevyistä. Siellä ne kovalevyn lukupään akselin alla majailevat ja vain odottavat noutajaansa.

Lähteet:

http://magnetic-declination.com/
http://archive.org/details/manualofelectric01lardrich
http://fi.wikipedia.org/wiki/Permeanssi
http://fi.wikipedia.org/wiki/Vismutti
http://en.wikipedia.org/wiki/Diamagnetism
http://en.wikipedia.org/wiki/Neodymium
http://www.kayelaby.npl.co.uk/general_physics/2_6/2_6_6.html

Sateenkaaren päähän

Julkaistu

sateenkaari vanhalla Lahdentiellä
Pää- ja sivusateenkaari kuvattuna vanhalla Lahdentiellä. Löytyykö aarre Mäntsälästä?

Säätilaltaan vaihteleva syksy on hyvin otollista aikaa aarteenmetsästykseen. Hyvällä onnella sateiseen taivaanrantaan voi ilmestyä sateenkaareksi kutsuttu optinen ilmiö, mikäli aurinko paistaa sopivassa kulmassa selkämme takaa.

Monet muistavat sateenkaareen liittyvän katkeran petoksen lapsuudesta. Teorian mukaan sateenkaaren päästä voi löytää aarteen. Aarrearkun perässä lukemattomat sukupolvet on juoksutettu pitkin viljapeltoja, mutta varsin usein laihoin lopputuloksin. Harvoin löytyi kultaa, vielä harvemmin jalokiviä ja sahramia.

Oppitunnin ei kuitenkaan voi katsoa menneen aivan hukkaan. Aarteenmetsästys konkreettisella tavalla opettaa Snellin laiksi kutsutun valon taittumislain perusperiaatteen kahden väliaineen rajapinnalla.

Sateenkaaren synty alkaa, kun valonsäde kulkee ilmasta vesipisaran sisään. Vesi on optisesti ilmaa tiheämpää väliainetta, mikä saa valon taittumaan kohti pinnan normaalia. Taittosuhde on riippuvainen valon aallonpituudesta, jolloin alkujaan useista eri aallonpituuksista koostuva valkoinen valo hajoaa tutuiksi sateenkaaren väreiksi. Pisaran takareunalla tapahtuva kokonaisheijastus kääntää valon kohti katsojaa. Jokaisen vesipisaran voi ajatella toimivan pienen prisman tavoin.

Sateenkaarta katsellessa voi näkyä yksi pääsateenkaari, hyvällä onnella toinen sivusateenkaari, tai erittäin hyvällä onnella ja laadukkaalla kiikarilla katsottuna lukemattomia interferenssikaaria. Kun sateenkaaren katselussa pääsee tähän pisteeseen, tietää olevansa jo pahasti koukussa sähkömagnetismiin.

Sateenkaaren keskipistettä voi hakea kuvittelemalla suoran linjan auringon ja silmien kautta horisonttiin. Pääsateenkaari löytyy aina tästä kuvitteellisesta pisteestä noin 42 asteen kulmassa ylöspäin. Täydellinen ympyräsateenkaari voi otollisissa olosuhteissa olla mahdollista havaita lentokoneesta, mutta toki sellaisen voi aina tarpeen vaatiessa luoda puutarhaletkun avulla. Sateenkaaria voi myös nähdä varhain aamulla kasteisessa metsässä esimerkiksi hämähäkinseitissä.

Sateenkaarista voi oppia yhtä sun toista mielenkiintoista. Sateenkaaria ovat tuijottaneet ja tutkineet lukemattomat filosofit ja tiedemiehet aina Aristoteleestä James Clerk Maxwelliin. Ehkäpä meidänkin olisi syytä.

Heitetään siis polaroivat aurinkolasit nurkkaan. Heti ensimmäisen vesisateen koittaessa kipin kapin aarteen hakuun!

Lähteet:

Sateenkaari – 4.6.2012 klo 19.50 Kangasala
Taivaanvahti, URSA:n havaintojärjestelmä
http://www.taivaanvahti.fi/observations/show/5152

http://www.polarization.com/rainbow/rainbow.html

http://fi.wikipedia.org/wiki/Sateenkaari

http://fi.wikipedia.org/wiki/Snellin_laki

Valokuva:
Mika Toivonen

Vesipisaroita

Julkaistu

Vesipisara lehdellä
Vesimolekyylien välinen koheesiovoima pitää pisaran pyöreänä. Adheesio pitää pisaran paikallaan lehdellä. Kuva: Mika Toivonen
Monelle lomalaiselle taivaalta tippuvat vesipisarat ovat tulleet tänä kesänä varsin tutuiksi. Tätä elämänmuodollemme välttämätöntä liuotinta kaadamme kurkkuumme päivittäin, puhdistamme sillä vaatteemme sekä patoamme suurin määrin energiantuotantoon. Harvemmin kuitenkaan pysähdymme miettimään veden ainutlaatuista olemusta tarkemmin.

Vesi esiintyy luonnonolosuhteissa kiinteänä jäänä, nestemäisenä vetenä ja kaasumaisena vesihöyrynä. Veden olomuotomuutokset ovat hyvinkin keskeisessä roolissa yhtä lailla ilmaston kannalta, mutta myös luonnon kasvien, eläinten ja ihmisten lämmönsäätelyssä.

Veden korkean ominaislämpökapasiteetin ja höyrystymislämmön vuoksi olomuotomuutokset vaativat tapahtuakseen varsin suuren energiamäärän. Tämä ominaisuus tekee vedestä erittäin käyttökelpoisen aineen lämmönsiirtoon ja -varastointiin.

Vesimolekyyli koostuu yhdestä happi- ja kahdesta vetyatomista, jotka ovat keskenään sitoutuneet kovalenttisiksi sidoksiksi kutsutulla sähkömagneettisella voimalla. Varausjakauma vesimolekyyleissä ei ole aivan tasainen, mikä tuo vesimolekyylille dipoliluonteen. Dipolia voi tässä tapauksessa ajatella hyvin (hyvin) pikkuriikkisenä paristona tai magneettina (paitsi se ei ole tietenkään näistä kumpaakaan, mutta menköön nyt tällä kertaa ajattelun apuvälineeksi). Vesimolekyylin dipoliluonteen seurauksena vesimolekyylejä voi ohjata sähkökentässä, esimerkiksi ohut kraanasta valuva vesivana taipuu sähköisesti varautuneen kamman läheisyydessä. Vesimolekyylien poolisuutta voi hyödyntää myös laittamalla ne värähtelemään ja lämpenemään mikroaaltouunin suurtaajuisessa sähkömagneettisessa kentässä.

Vesimolekyylien välillä vaikuttaa voimia, kuten vetysidosvoimat, van der Waals -vuorovaikutusvoimat sekä dipoli-dipoli -sidoksien väliset voimat. Näistä tietysti kaikki, mutta erityisesti vetysidosvoimat ovat vastuussa veden mielenkiintoisista fysikaalisista ominaisuuksista. Veden korkea sulamis- ja kiehumispiste sekä veden erikoinen ominaisuus olla painavinta juuri +4 Celcius-asteisena ovat näiden voimien ansiota. Ominaisuutta ainakin kalat kiittävät, sillä se pitää talvisin järven yleensä edes pohjasta sulana.

Vesimolekyylien väliset vetysidosvoimat (koheesiovoimat) sekä veteen kosketuksessa olevan aineen väliset voimat (adheesio) tuottavat vedelle myös muita mielenkiintoisia ominaisuuksia. Syvällä vedessä molekyylien väliset voimat jakautuvat tasaisesti, mutta veden pinnalla voimien yhteisvaikutus suuntautuu alaspäin. Tämä luo eräänlaisen joustavan kumimaisen kalvon veden pintaan.

Ilmiö tunnetaan pintajännityksenä. Vesi on tunnetusti märkää, mutta juuri pintajännityksen vuoksi se ei ole lainkaan riittävän kastelevaa esimerkiksi pyykinpesuun. Veteen liuenneet suolat (myös tavallinen ruokasuola kelpaa, jos asiaa haluaa kokeilla) nostavat veden pintajännitystä. Saippuan ainesosat puolestaan pienentävät veden pintajännitystä. Pintajännityksen pienentyessä veden pisarakoko tulee pienemmäksi liuottaen näin likaa entistä paremmin.

Pintajännitys on elinehtona vesimittarin tyyppisille hyönteisille, jotka kykenevät näin sulavasti luistelemaan kesällä tyynellä järvenpinnalla. Pintajännitys, tässä tapauksessa osin ehkä myös Arkhimedeen lain noste ovat riittävän vahvoja kannattelemaan jopa kevyimpiä kolikoita.

Puolestaan adheesion ja koheesion tasapainotilana syntyvä kapillaari-ilmiö lienee tuttu kahvinjuojille. Kapillaari-ilmiön seurauksena varovasti kahvikuppiin kulmasta kastettu sokeripala vettyy painovoimaa uhmaten hetkessä kokonaan. Vastaavalla tavalla myös kasvit saavat nostettua vettä ohuiden hiussuonien avulla aina juuresta latvaan saakka.

Mikäli kesäloma kaikesta huolimatta uhkaa mennä säätilan suhteen pieleen, voi sadepäivien ratoksi aina kokeilla rakentaa veden potentiaalienergiaa hyödyntävän, jo vuonna 1867 kehitetyn Kelvinin elektrostaattisen generaattorin!

Lisätietoja:
http://www.splung.com/content/sid/3/page/electrostatic_machines

Video:
Kelvin electrostatic generator, Dr. Walter Lewin, MIT
http://www.youtube.com/watch?v=GTt-qM1UwXo

http://fi.wikipedia.org/wiki/Van_der_Waalsin_voima + koheesio, adheesio