•  

Jää ja lumi (25.12.2011 00:00)

Autor: Jüri Kamenik

Foto 1. Lumine loodus 21.12.2009 Tallinna lähedal.
Autori foto

Lumi on tänapäeva Põhjamaa ja Lõunamaa (Antarktika, Tulemaa) talvise looduse üheks lahutamatuks komponendiks. Poolustel ning mõnedel mäestikualadel on lund ja jääd muidugi aasta läbi. Kindlasti on huvitav teada, kuidas lumi tekib, millised on lume omadused nii elusa kui eluta looduse seisukohast ja tutvustame palju muudki huvitavat lume ja jääga seoses.
Vett peetakse väga ebaharilikuks aineks, sest teistega võrreldes on veel mitmesuguseid märgatavalt erinevaid ehk ebaharilikke omadusi ja sama kehtib ka jää ning lume kohta.

Jää on mineraal nagu teemant või soolgi ehk siis vesi tahkes kristalses olekus. Looduses kohtame jääd, mis on veest kergem ning mida nimetatakse jää modifikatsiooniks Ih. Jäämodifikatsioone ehk erineva struktuuriga jääliike on palju – neid on teada vähemalt 15 ja lisaks amorfne (vt www.ilm.ee/index.php?45579) jää. Kuna looduses oleva jääga puututi kõige varem kokku, siis sellest ka tähistus I ning h tähendab, et jää on heksagonaalse (kuusnurkne) süngooniaga ehk lihtsustatult võib seda ette kujutada nii, et jääkristallides paiknevad vee molekulid kuuekaupa kuusnurkadena.
Jää Ih on stabiilne temperatuuril 0°...-200°C (ühe atmosfääri ehk 1013,25 hPa puhul) ja kuni rõhuni 0,2 GPa ning tekkimisvahemik on 0°...-100°C, mistõttu looduses kohtame just seda modifikatsiooni. Temperatuurivahemikus ligikaudu −50° ...−140°C võib tekkida kuubiline jää (jää I allmodifikatsioon Ic), kuid see on ebastabiilne, samuti saab see tekkida ka veeauru sublimeerumisel -80°C ja madamalate temperatuuride juures või väga väikeste veepiisakeste jäätumisel madalama kui -38°C juures. Mõnikord tekib kuubilist jääd atmosfääri ülakihtides, mida tõestavad vaadeldud optilised nähtused, artikkel, kusjuures selle tähtsus atmosfääris võib-olla arvatust palju suurem. Kui temperatuur tõuseb üle -33°, siis muutub kuubiline jää heksagonaalseks.
Kuubilise jää lihtvorm on oktaeedriline, kuid selle tipp võib-olla ka puudu, st otsekui ära lõigatud. Oktaeeder on 8-tahuline suletud vorm, mis moodustub kolmest peegelpindadega risti paiknevatest 4. järku teljest. Kristallograafias nimetatakse kuubiliseks ehk isomeetrilise süngooniaga kristallideks neid, millel on vähemalt 4 kolmandat järku sümmeetriatelge. Selliste kristallide lihtvormid ei pruugi olla üksnes kuubid, vaid oktaeedrid (jää erim Ic, teemant), dodekaeedrid (granaadid) jne.


Joonis 1. Kuubiline ja heksagonaalne jää.
Allikas ja allikas

Väga suurtel rõhkudel (tuhandeid ja kümneid tuhandeid atmosfääre) saadakse enamik ülejäänud jää modifikatsioonidest,  sealjuures XII (saadud 1996. a.) ja suurema rooma numbriga tähistatud jääerimid on saadud alles viimastel aastatel. Suurem osa neist on veest tihedamad. Temperatuuri, rõhu, jäästruktuuri ja vee olekute omavahelistest seostest saame ülevaate alljärgnevalt vee faasidiagrammilt:

 
Joonis 2. Vee olekudiagramm.
Olekudiagramm näitab konkreetse aine eelistatud agregaatolekut antud tingimustel ehk jää puhul stabiilseid püsivustingimusi ühe või teise kristallmodifikatsiooni puhul. Sellel diagrammil on abstsissil (x-teljel) temperatuur Kelvinites, kuid peame meeles, et 0°C on 273,15°K, ja ordinaadil (y-teljel) rõhk – nn normaalrõhuks loetakse 1013,25 hPa (vastab ühele atmosfäärile) ehk veidi üle saja tuhande paskali – leiate sinise E järgi üles diagrammilt. Katkendjoon Ic ja Ih vahel näitab, milliste tingimuste juures jookseb piir jää I allmodifikatsioonide vahelt.
Allikas

Selgituseks veel, et värvid näitavad vee olekuid: sinine tahket, roheline vedelat ja helehallikassinine (vapor) gaasilist. Rooma numbrid tähistavad jää erinevaid modifikatsioone. Väikeste siniste trükitähtedega on tähistatud 3 planeeti: E on Earth ehk Maa, V on Veenus ja M on Marss. Diagrammilt näeme, et Marsil on vesi peamiselt tahkes olekus, kuid pisut saab olla ka gaasilises, sest M ei ole kuigi kaugel ülejäänud vee peamisi olekuid võimaldavatest tingimustekomplektidest, aga vedelas olekus Marsil vesi olla ei saa, sest rõhk on liiga väike; Veenusel ainult gaasina (veeauruna), sest temperatuur on väga kõrge ja Maal peamiselt vedelana, kuid ka gaasina ja tahkena, sest Maa jääb üsna lähedale tingimuste komplektile, kus vesi saab peamiselt jääna või gaasina olla, sealjuures jäätingimustele lähemale, seega siis peaks Maal olema ka jääd ja veeauru. Nii on see tõepoolest (vesi jääna - liustikud, jääkilbid, lumi ja lumikate, vesi gaasina – atmosfääris). Jääaegadel paigutuks Maa sinise ja rohelise piirile ehk nihkub diagrammil vasakule, kliima soojenemisel on nihe paremale.


Joonis 3. See on üks teine vee olekudiagramm, millel on teljed ära vahetatud (abstsissil rõhk ja ordinaadil temperatuur), kuid mis keskendub jääle ja selle modifikatsioonidele (erimitele).
Allikas

Nüüd ja edaspidi räägime tavalisest jääst (Ih), kui pole märgitud teisiti.
Jää on veest hõredam (väiksema tihedusega), mistõttu veekogu jäätumine toimub pinnalt, kuid näiteks jõgedes võib tekkida põhjajää, vt http://www.loodusajakiri.ee/eesti_loodus/artikkel1720_1710.html.
Vee tihedus on suurim 3,98°C juures - täpselt 1 g/cm³. Temperatuuri langedes vee tihedus väga aeglaselt väheneb, muutudes jäätudes järsult väiksemaks, mille kohta öeldakse, et vesi paisub jäätudes. Kui olla päris täpne, siis on jää suurem ruumala seotud faasiüleminekuga, mitte aga vee paisumisega jäätumisel. Aine paisumisest saame rääkida ikkagi vaid sama oleku säilimisel. Kui veetemperatuur läheneb külmumispunktile, siis nagu öeldud, vee tihedus väheneb aeglaselt, sest veemolekulid on väiksema soojusliikumise tõttu üksteisele nii lähedal, et tekivad lisavesiniksidemed, mis on stabiilsemad antud tingimustel ja need võtavad enda alla rohkem ruumi. Jäätumisel tekib heksagonaalne kristallvõre, mis võtab enda alla märksa enam ruumi ehk on hõredam kui vedela vee struktuur. Jää tihedus 0°C ümbruses on 0,9167 g/cm³, võrdluseks, vedelal veel sama temperatuuri juures aga 0,9998 g/cm³ (Vikipeedia andmetel), seega erinevus on umbes 8 %, mis on küllaltki märkimisväärne. Temperatuuri langedes jää tihedus siiski suureneb väga aeglaselt.


Joonis 3. Jää heksagonaalne struktuur pealt- ja kõrvaltvaates. On huvitav, et kõrvaltvaates ilmneb justkui, et jääl ei tundugi olevat nii korrapärast struktuuri, kui ehk esmapilgul mõeldakse.
Allikas

Lumi on tegelikult jääpuru, mida sajab tavaliselt taevast alla, kuid vahel võivad jääkristallid tekkida ka maapinnalähedasse õhukihti suspensioonina (teemanttolm, jäänõelad, jääudu). Mõnikord, eriti igapäevases kõnes mõistetakse lume all ka lumekihti maapinnal, kuid meteoroloogilises mõttes on lumi (mitte lumikate!, sellest tuleb juttu hiljem) kindlasti üks tahkete sademete liikidest, mille võtame esimesena vaatluse alla. 

Järgneb...

Telefon: 6 565 655

E-post: ilm@ilm.ee

Rohkem: Kontakt | Reklaam