Ilmaston lämmetessä lämpenee jääkin – eikä se noudata kylmän jään sääntöjä
Kun ilman lämpötila pysyy nollan tuntumassa, muodostuu niin sanottua lämmintä jäätä. Se käyttäytyy murtuessaan eri tavoin kuin kylmempi jää, havaitsivat Aalto-yliopiston tutkijat. He selvittivät ilmiötä maailman suurimmassa sisäjääaltaassa yliopiston kampuksella.
”Ilmaston lämpeneminen on tosiasia, ja sen myötä merijää on lämpimämpää kuin aikaisemmin. Aiheeseen on syytä keskittyä myös jäätutkimuksessa, jossa on perinteisesti tarkasteltu vain kylmää jäätä. Jään ominaisuuksissa voi olla perustavanlaatuisia eroja, kun se ei olekaan kylmää vaan lämmintä”, sanoo tohtorikoulutettava Iman El Gharamti.
On tärkeää ymmärtää jään murtumisen syitä ja mekanismeja. Tällöin voidaan varmistaa esimerkiksi satamien, siltojen ja meriliikenteen turvallisuus pohjoisilla vesillä, jotka jäätyvät talvella. Ilmaston lämpeneminen kuitenkin muuttaa olosuhteita, jotka ovat aiemmin olleet helposti ennustettavissa. Tämä asettaa infrastruktuurin ja tekniikan koetukselle.
Aalto-yliopiston jääallas on maailman suurin sisätiloissa sijaitseva jääntutkimusallas. Sen pinta-ala on 40 x 40 metriä ja syvyys 2,8 metriä. Tavallisesti jään murtumista tutkitaan pienessä mittakaavassa, 10–20 senttimetrin kokoisilla koekappaleilla yli 10 pakkasasteen olosuhteissa. Aalto-yliopiston tutkimusryhmä käytti suuria koekappaleita. Ne olivat noin 30 senttimetrin paksuisia, 3 metriä leveitä ja 6 metriä pitkiä. Tutkimustilan lämpötila pidettiin -0,3 asteessa.
Jään käyttäytyminen yllätti tutkijat
Jäätä tutkitaan laboratorio-olosuhteissa tai luonnossa. Nyt tutkijat käyttivät Aalto Ice Tank -jääallasta, kun he selvittivät, miten lämmin jää reagoi siihen toistuvasti kohdistuviin mekaanisiin voimiin, joilla jäljiteltiin luonnonolosuhteita. Jäätä rasitettiin hydraulisella laitteella, joka vuorotellen kuormitti ja vapautti sitä rasituksesta.
Nykyisen käsityksen mukaan jäässä tapahtuu kuormitusjaksojen välillä välittömästä palautumisesta erillistä viskoelastista eli viiveellä tapahtuvaa palautumista. Nämä reaktiot jatkuvat siihen saakka, kunnes kuormitus murtaa jään.
Tutkimusryhmän luomissa olosuhteissa jää kuitenkin käyttäytyi odottamattomalla tavalla. Välitöntä, elastista palautumista tapahtui hieman, mutta merkittävää viskoelastista palautumista ei havaittu lainkaan, ja kuormituksen aiheuttamat muutokset olivat pysyviä.
”Tavallisesti jää palautuu mekaanisten kuormien välissä. Se palaa takaisin normaaliin muotoonsa, paitsi jos kohdistamme siihen tarkoituksella niin paljon voimaa, että se murtuu. Tutkimuksessamme jään muodonmuutos oli suurempi jokaisen kuorman jälkeen. Emme havainneet juuri lainkaan viskoelastista palautumista”, El Gharamti kertoo.
Ilmiön tärkein tekijä vaikuttaa olevan jään lämpötila. Kyseessä on ensimmäinen kerta, kun tutkimuksella pystyttiin osoittamaan, että lämmin jää käyttäytyy oleellisesti eri tavalla kuin kylmä jää.
Polarisoiva valo tuo jääkiteet esiin, jolloin tutkijat erottavat halkeamat. Koekappaleesta on havaittavissa, että halkeama kulkee kiteiden läpi eikä noudata niiden rajoja.
”Se, ettei jäässä esiintynyt viskoelastista, viiveellä tapahtuvaa palautumista, ei sovi nykyiseen käsitykseemme siitä, miten jää käyttäytyy. Uskomme, että tämä johtuu lämpimän jään käyttäytymisestä yksittäisten kiteiden tasolla. Ilmiö vaatii kuitenkin lisätutkimusta”, sanoo lujuusopin professori Jukka Tuhkuri.
Tuhkurin mukaan on tärkeää ymmärtää lämpimän jään mekaniikkaa, kun maailman jäisille alueille on odotettavissa yhä lämpimämpiä olosuhteita. Sellainen on esimerkiksi Itämeri, yksi vilkkaimmin liikennöidyistä merialueista maailmassa.
”Laivat ja infrastruktuurit, kuten sillat ja tuulivoimalat, on suunniteltu kestämään entisenkaltaisia, melko ennustettavia jääolosuhteita. Kun ilmaston lämpeneminen muuttaa olosuhteita, eivät vanhat säännöt enää päde”, Tuhkuri toteaa.
Tutkimuksen tulokset on julkaistu 27. toukokuuta The Cryosphere -tiedelehdessä.
Contact information
Lue lisää uutisia
Prototyping and Validation Grant: VeinOptima
Aallon opiskelijan kehitteillä oleva tuote auttaa hoitajia löytämään verisuonet nopeammin.
Kolmen tutkijan ideasta syntyi deep tech -yritys
Vahvaan tutkimusosaamiseen nojaava Sim Analytics Oy sai alkunsa, kun kolme LUT-yliopiston eri laboratorioissa työskennellyttä tutkijakollegaa alkoi miettiä, miten tarjota ja analysoida dataa teollisuusyritysten liiketoimintapäätösten tueksi.
Ensimmäinen suprajohtava kvanttilämpökone osoittaa, että lämpö voidaan valjastaa työksi myös kvanttimaailmassa
Suprajohtava kvanttilämpökone paitsi edistää termodynamiikan perustutkimusta, voi myös merkittävästi pienentää tulevaisuuden kvanttitietokoneiden hintalappua.