Foto 5. Lumised männipuud
Jüri Kamenik
Lumehelbe heksagonaalne süngoonia (kuusnurksus) tuleneb jääkristalli struktuurist. Lumi nagu teemant või keedusoolgi on mineraal, mistõttu sellele on omane kindel kristallstruktuur. Veemolekulid moodustavad jääs teiste veemolekulidega vesiniksidemeid, mille moodustatud hulknurkade sisenurgad on 60 kraadi. Niiviisi seletub ära küll see, kuidas molekulid ja nendevahelised sidemed kristallstruktuuris paiknevad, kuid ei seletu, miks see ikkagi on nii.
Joonis 9. Lumekristalli molekulaarne (kristallstruktuuri) ehitus. See näitab küll ära, millest tuleb jää heksagonaalne süngoonia, kuid ei anna seletust, miks just selline struktuur.
Joonis: Kenneth G. Libbrecht
Põhjust võib seletada järgmisel viisil. Stabiilsed on looduses sellised ühendid ja struktuurid, mille energia on vähim. See on põhjus, miks raud jpt toodetud ained või tehismaterjalid roostetavad, lagunevad jne - nad on energiarikkad ega ole stabiilsed ja püüavad saavutada vähima energiaga taseme (näiteks raual on selleks rooste). Ka jää moodustumisel tekib esmajoones struktuur, millel on antud keskkonnnatingimuste juures suurim stabiilsus, milleks on jääl Maa alumises atmosfääris heksagonaalsed kristallid.
Kuid nii on asi vaid molekulaarsel tasemel. Ometigi ilmneb molekulaarne kuusnurksus ka makroskoopilisel tasemel. Kristall on korrapärase geomeetriaga selgelt piiritletud keha. Kristallilised ained aga on (homogeensed) kolmemõõtmelise kaugkorrapärase struktuuriga. Kristalli struktuuris (kristallvõres) saab eristada ühikraku, mis on mingi korrapärase mustri väiksem korduv osa. Kristallid moodustuvad ühikraku ruumi lõplikult täitval perioodilisel 3D süsteemsel kordumisel. Kordumise välispiir defineerib kristalli tahu. Seepärast on loomulik, et kristalli väliskuju on osaliselt seotud ühikraku kujuga. Samuti on üheks põhjuseks see, et kõige kiiremini kasvavad jääkristallil teravad küljed, kuhu on veemolekulidel kergem kinnituda, kuid lamedad küljed kasvavad palju aeglasemalt. Seetõttu kujunebki heksogonaalsest jää kristallstruktuurist kuusnurksed prismad ja plaadid. Plaadid (tegelikult on need väga lühikeste külgtahkudega prismad) tekivad siis, kui kiiremini kasvavad külgtahud ja prismad siis, kui põhjatahud kasvavad külgtahkudest kiiremini.
Jääkristallide kuju ja suuruse määravad aeg ja keskkonnatingimused, kus need tekivad ja kasvavad. Kõige rohkem sõltub kuju temperatuurist ja niiskuse hulgast. Edaspidist lumekristallide arengut, nagu suurust või omavahelist liitumist, mõjutab veel õhurõhk ja tuul.
Nüüd tuleks mõelda sellele, mida ikkagi erinevuse all silmas pidada. Kas erinevuseks nimetada seda, kui molekulide hulk on erinev või on mikrodefektid, mida saab avastada elektronmikroskoobiga või peavad erinevused olema hoopiski palja silmaga hästi nähtavad? Eks see ole muidugi kokkuleppe küsimus. Mida lihtsama kujuga on lumekristallid (terviklik eraldiseisev pilvedes tekkinud jääkristall, mis võib moodustada kogumikke, mida nimetatakse lumehelvesteks), seda vähem nende välimus varieerub, seda sarnasemad need võivad olla. Väga lihtsa kujuga lumekristallid on tavaliselt ka väga väikesed, sest suuremaks saades hakkab lumekristall sageli harunema, moodustudes näiteks kõigile tuntud kuueharuline kristall, mille tipud on sageli veel omakorda harunenud (dendriidid).
Teatud mööndusi tehes on kindlasti kõik helbed erinevad, sest küsimus on kokkuleppes, kust maalt tõmmata piir, et tegemist on nüüd erinevusega – ka ühel ja samal viisil toodetud sama sorti kommid on ju tegelikult erinevad. Väga lihtsa kujuga kristallid, näiteks kuusnurksed plaadid või kepikesed on tegelikult üsna sageli väga sarnase välimusega. Selgesti arusaadav kordumatus ilmneb vaid keerukamate (tähe- jmt) kujuliste lumekristallide korral. Individuaalsust lisavad muidugi ka minivead, sest enamus kristalle on tegelikult defektsed, st mingid mikropraod või ebasümmeetrilisused on enamikel kristallidel. Seetõttu on korrapärase sümmeetriaga kristallid pigem haruldus. Samuti meenuvad esimese hooga või arvatakse, et kõik või suurem osa lumekristallidest on dendriitsed ja tähekujulised. Tegelikult koosnevad lumehelbed tihti sambakestest, plaatjatest või nõeljatest kristallidest. Olen tähele pannud, et madalatest lumepilvedest (kihtpilved, järveefekti puhul) tuleb pigem suuri ja korrapäraseid kristalle, kuid keskmise ja ülemise kihi pilvedest väikese või keskmise, kuid ebakorrapärase kujuga kristalle, mis on tihti eristamatute tompudena.
Miks siis võib hoolikal uurimisel leida, et ikkagi kõik lumekristallid on erinevad? Nagu öeldud, lumekristalli kuju ja suurus sõltub keskkonnatingimustest, kus need moodustuvad. Niisiis on lumi pilvedes ja õhumassis olevate tingimuste peegeldus ja sadav lumi kõneleb meile sellest, millised tingimused valitsesid pilvedes jääkristallide tekkimise ja kasvamise ajal. Sealjuures salvestuvad pea kõik keskkonnatingimuste muutused, sest jääkristall liigub ju pidevalt õhuvooludega kaasa ja samal ajal on keskkond ka ise pidevas muutumises. See on põhjuseks, miks tekivad näiteks erinevad lumekristallitüüpidest koosnevad kombinatsioonid, ebasümmeetrilised kristallid ehk tekivad kordumatud kristallid, sest keskkonnatingimuste komplekt on iga kristalli jaoks erinev. Suuremad kristallid on erinevamad seetõttu, et on suurem tõenäosus, et sama kristalli eri osad on erinevates keskkonnatingimustes, väikesed kristallid on sarnasemad, sest väiksemad ruumipiirkonnas on keskkond homogeensem. Samuti peab arvestama sellegagi, et veemolekulid ei liitu kristalliga alati täpselt sümmeetriliselt isegi homogeenses kasvukeskkonnas.
Kokkuvõtlikult: minu meelest tundub mõistlik tõmmata piir valgusmikroskoobiga avastatavate erinevuste arvestamise juurde, st neid erinevusi ei tasu ilmselt nö igapäevases ehk mitte üliranges mõttes arvestada, mida saab avastada vaid elektronmikroskoobiga. Sellisel juhul võib loodusest leida väikesi ja väga lihtsa kujuga kristalle, mis on omavahel eristamatud isegi valgusmikroskoobiga uurides. Kui aga uurida keeruka kujuga lumekristalle, siis vaevalt et teist täpselt samasugust loodusest leiab.
Tavaliselt kujutletakse, arvatakse või esimese hooga meenuvad dendriitsed ja tähekujulised lumekristallid. Tegelikult koosnevad lumehelbed tihti sambakestest või nõeljatest kristallidest. Alljärgneval skeemil on näidatud jääkristallide ja lumehelveste morfoloogiline seos temperatuuri ja õhu veesisaldusega:
Joonis 10. Lumekristallide kuju ja suurus sõltuvalt temperatuurist ning veeauru hulgast õhus.
Allikas
Niisiis saime teada, et lumekristallide kuju ja suurus sõltuvad atmosfääritingimustest, sealjuures, mida suurem õhurõhk ning mida rohkem veeauru on õhus, seda harulisemad, keerukama kujuga ning suuremad kristallid tekivad. On huvitav, et ka elektriväli mõjutab lumekristallide kasvamist – tugevam väli soodustab niigi teravate tippude veelgi kiiremat kasvu lumekristallil.
Kuna olemas on ammendav materjal lumehelveste ja nende vormirikkuse kohta, siis ei ole mõtet hakata kõike ümber jutustama, vaid huvilised leiavad sellelt saidilt piisavalt infot ning illustratsioone lumekristallidest.
Lumehelvestest ja lumekristallidest rääkides ei saa mööda minna ühest väga tähelepanuväärsest inimesest, kes tegeles nende fotografeerimisega 19. sajandi teisel poolel ja 20. sajandi alguses - Wilson A. Bentley (1865-1931). Ta oli ameerika farmer (Vermontis) ning huvi lumehelveste vastu tekkis nooruses, kui talle kingiti mikroskoop. Kuna see juhtus talvisel ajal, kui eriti muud polnud saada, siis hakkas ta uurima lumehelbeid ning neid pildistama. Hiljem, kui ta sai parema mikroskoobi, töötas ta välja meetodi, kuidas saada häid pilte. Samale tasemeni lumekristallide pildistamises jõuti alles 20. sajandi lõpus, sest täpselt ei teata Bentley meetodit. Probleem on selles, et kui lumekristall langeb mingile pinnale, siis aurumise jmt tõttu ei püsi kristalli servad piisavalt kaua terava piirjoonega ja head pilti on raske, kui mitte võimatu saada. Seetõttu pildistati kaudselt - üheks võimaluseks on fotografeerida jälge, mille jätab sulav lumehelves jaapani lakiga kaetud pinnale. 1931. aastal andis ta kahasse W. J. Humphreys´ga (kirjutas teksti) albumi, milles oli üle 5000 pildi. Samal aastal ta suri, sest jäi kopsupõletikku pärast seda, kui ta oli läbi suure lumetormi läinud pildistama lumehelbeid.
Bentley oma lumemikroskoobi ja -fotoaparaadiga.
Allikas
Kui lumetähed jt kristallid on tekkinud, siis haakuvad need langemisel üksteise külge ja nii võib hiigelhelbes olla kuni mitusada lumetähekest. Millal tekivad kõige suuremad lumehelbed? Kui pikka aega jälgida lumesadusid, siis võib tähele panna, et nõrgad lumesajud võivad olla nii peente helvestega kui ka laiadega. Rohkem on siiski nõrgad sajud peente helvestega. Seevastu tugevad ja väga tugevad lumesajud on tavaliselt keskmiste kuni suurte lumehelvestega. Ilmselt on tihedamas sajus paremad võimalused lumehelveste liitumiseks. Kõige suuremate räitsakate (suured liitlumehelbed) tekkimiseks peavad olema tagatud järgmised tingimused: suhteline õhuniiskus on väga kõrge, temperatuur nulli ümbruses ja tuul väga nõrk või valitseb tuulevaikus, sest ilmselt tugev tuul lõhuks väga suured helbed ära. Kirjeldatud tingimustel saavad räitsakad kokku kleepuda, sest helveste servad sulavad või niiskuvad veidi, mistõttu toimub liitumine.
Kirjeldatud tingimused valitsevad kas hooglume või hooglörtsi ajal, sest rünksajupilvedes on veesisaldus väga suur või tegemist on külma ja sooja õhumassi piirialaga, kus õhumass tavaliselt tõuseb ja kuna tõusmisel õhuosakese temperatuur langeb, siis kondenseerub osa veeaurust välja ja suhteline õhuniiskus on väga kõrge.
Väga võimsate räitsakatega lumesadu oli Tartus 26. jaanuaril 2009, kui suurimad mõõdetud helbed kuni 4 cm läbimõõdus ja 10. novembril 2009, kui teada anti kuni 6 cm lumeräitsakatest. Mõlemal juhul oli väga niiske, tuulevaikne, madalad pilved ja väga tihe sadu.
26.1.2009. a. kell 10 Tartus:
.)
Foto 6. Võimas lumesadu 26. jaanuaril Tartus (paremat fotot näeb pildile klikates)
Jüri Kamenik
10.11.2009. a. Tallinna juhtumi puhul oli tegemist külma ja sooja õhumassi piiriga põhjarannikul - Soome lahel ja sealt edasi põhja pool oli juba külm õhumass ja suuremat osa Eestit (põhjarannikust lõuna pool) kattis soe õhumass. Kuigi maapinna lähedal oli temperatuur enamasti null kraadi, oli pilvede kõrgusel mitu kraadi sooja, kuid see ei kehtinud muidugi põhjaranniku kohta, kus sadas laia lund, vaid ikka lõunapoolsema ala kohta.
Sellise olukorra (ekstreemselt laia lumesaju) ennustamine on väga komplitseeritud ja enamasti vaid tundide küsimus, sest vastavad tingimused on sageli arenevates ilmasüsteemides (noor tsüklon, osatsüklon, soe front, lohk), kus õhumass tõuseb ja kondenseerub palju veeauru. Abiks on sageli see kaart: www.wetterzentrale.de/pics/Rtavn002.html. Seal on soe õhumass kollase ja oranžiga, külm rohelise või sinisega tähistatud.
Arenev tsüklon, osatsüklon, lohk haarab tavaliselt lõuna poolt sopistusena kaasa sooja õhku. Sageli on sel juhul õhumasside piir väga konkreetne, kondenseerub palju niiskust ja ilmasüsteemi keskme lähedal on tuul nõrk. Kui sellised tingimused on täidetud, võib sadada laia lund. Abiks on ka radar: testbed.fmi.fi/ kus laia lund tähistavad alad on punase või roosa tooniga tähistatud (see siis talve kohta, kui on lumepilvi).
Kui lumehelbed on piisavalt suured, ilmneb üks huvitav efekt: kui vaadata sadavaid lumehelbeid taeva taustal, tunduvad need väga tumedad, vahel isegi tumehallid, kuigi lumi ju näib tavaliselt ometi täiesti valge (v. a. saastatuse korral).
Foto 7. Lumehelbed tunduvad taeva taustal tumedad.
Jüri Kamenik
Paremat fotot näeb pildile klikates.
Sellise efekti põhjus on selles, et nii valge kui ka hall ja tume erinevad vaid heledusastme poolest ümbritseva valgusfooni suhtes. Sageli arvame, et (pilves) taevas on tumedam kui maapind (eriti kui on lumi maas). Tegelikult on taevas alati heledam kui maa, sest valgus tuleb ju päikesest, mitte aga ei kiirga seda maapind. Ja nii ongi, et see tumeda lumehelbe efekt tekib sellest, et me hindame kõiki heledusi taevaga, mis on alati heledam kui ümbrus või lumehelbed altpoolt vaadates. Seega võimaldab langevate lumehelveste (piisava suuruse korral) vaatlemine mõista taeva tegelikku heledust ja sealt edasi õigeid heledussuhteid looduses.
Muide, lumi on tegelikult õrnalt sinaka värvusega, nagu puhas vesigi, kuid seda on väga keerukas märgata. Kui lund on väga palju ja pilves ilmaga teha lumme auk, siis võib avastata lume kergelt sinaka varjundi. Kui lumi muutub aja jooksul liustikujääks, siis muutub see sinisemaks, sest rõhu kasvades väheneb jääs oleva õhu hulk ja jää võib lõpuks omandada intensiivselt sinise värvuse. Sinise värvuse põhjustest võib lugeda: http://www.webexhibits.org/causesofcolor/5C.html. Lumi on infrapunases piirkonnas väga hea kiirguse neelaja ja kiirgaja, käitudes peaaegu absoluutselt musta kehana.
Võiks ju veel küsida/mõelda, kas saab olla nii külm, et lund ei saja ja kas lund võib ka selgest taevast sadada?
Jää ja lumi III (27.12.2011) Jätkub ülevaatesari lumest ja jääst. Kolmandas osas selgitatakse, milliste atmosfääritingimuste puhul sajab lund, millal jäävihma ja on jäidet.
Jää ja lumi II (28.11.2011) II osa jääle ja lumele pühendatud selgitustesarjast. Teises osas võtame vaatluse alla lume kui sademeteliigi ja uurime, kuidas see tekib.
Jää ja lumi (25.12.2011) See on pikem ülevaade jääst ning lumest, mis on Eesti talvise looduse üheks lahutamatuks komponendiks. Seega võiks sellest rohkem teada. Ülevaade on mitmeosaline. Esimene on sissejuhatav ja keskendub jääle, selle erimitele ning struktuurile.
