Kiinteän jään sublimoituminen tapahtuu yhtä nopeasti kuin nestemäisen veden haihtuminen

Veden voisi kuvitella haihduttavan jäätä paljon nopeammin. Yllättäen Amsterdamin yliopiston tutkijat ovat nyt osoittaneet, että pienten jääpisaroiden kohdalla näin ei ole: jää- ja vesipisarat katoavat yhtä nopeasti. Tämä selittää hiihtäjien hyvin tunteman tosiasian: juuri pudonnut lumi on hyvin erilaista kuin muutaman päivän vanha lumi. Tulokset julkaistiin Nature Communications -lehdessä tällä viikolla.

Jos asetamme vesilasin pöydälle ja odotamme pitkään, odotamme veden haihtuvan, mutta emme itse lasin tai pöydän. Kokemuksemme mukaan kiinteät aineet eivät haihdu; siksi odotamme intuitiivisesti, että jää, joka sekin on kiinteä aine, ei myöskään haihdu merkittävästi. Tällaista prosessia – joka tunnetaan fysiikan termistössä assublimoitumisena – kuitenkin tapahtuu: esimerkiksi hiihtäjät tietävät, että vaikka lämpötila pysyisi pakkasen alapuolella, muutama sentti lunta voi kadota parissa päivässä.

Yllättävä tulos

Vaikka sitä on tutkittu paljon vähemmän kuin nesteiden haihtumista, kiinteän jään sublimoitumisella on merkittäviä seurauksia, sillä se vaikuttaa ilmastoon (koska jää heijastaa auringonvaloa) sekä pilvissä olevien jäähiukkasten kokoon ja muotoon (jolloin syntyy lumihiutaleita, raekuuroja ja jääpellettejä), ja se on ensiarvoisen tärkeä monimutkaisten eroosiokuvioiden, kuten lumen penitenttien muodostumisessa lumikentillä korkeilla paikoilla.

Nature Communications -lehdessä tällä viikolla julkaistussa tutkimuksessa fyysikot Etienne Jambon-Puillet, Noushine Shahidzadeh ja Daniel Bonn Amsterdamin yliopistosta tutkivat pienten jääpisaroiden ja lumihiutaleiden sublimoitumista. Yllättäen he havaitsivat, että samoissa olosuhteissa jäätyneen jääpisaran sublimoituminen tapahtuu yhtä nopeasti kuin saman pisaran haihtuminen silloin, kun se koostuu nestemäisestä vedestä.

Diffuusio asettaa rajan

Tutkijat osoittavat, että tämä yllättävä ilmiö johtuu siitä, että sekä nestemäisen veden että jään haihtumisnopeutta rajoittaa diffuusioprosessi: tapa, jolla syntyvä vesihöyry leviää hitaasti ilman läpi. Tämä päätelmä pätee jääpisaroihin, mutta myös lumihiutaleisiin: ne muuttuvat pyöreämmiksi sublimoitumisen aikana (ks. kuva); tämän prosessin on aiemmin katsottu johtuvan kiderakenteen vaikutuksesta. Tutkijat väittävät nyt, että tämä kiderakenne ei ole niin tärkeä kuin aiemmin luultiin: heidän diffuusioargumenttinsa riittävät selittämään kvantitatiivisesti kokeissa havaitun lumihiutaleiden muodon kehittymisen.

Tulokset selittävät siis eron juuri pudonneen lumen ja muutaman päivän vanhan lumen välillä. Johtopäätökset eivät kuitenkaan ole kiinnostavia vain hiihtämisestä pitäville, sillä sovellukset eivät rajoitu jääpisaroihin tai lumihiutaleisiin. Tulokset pätevät yhtä lailla pienten kiteiden liukenemiseen, sillä niiden dynamiikkaa säätelee sama fysiikka. Näin ollen tuloksia voidaan soveltaa myös nanohiukkasten ja suolakiteiden koon ja muodon tai lääkkeiden liukenemisnopeuden hallintaan.