Kysymyksiä ja vastauksia LUMA-aiheista

Tiedän, että Itämeri ei ole sininen, koska se on murtovesialuetta. Sen sijaan Välimeri on. Olen lukenut, että aurinko vaikuttaisi meren sinisyyden aistimiseen. Kaiketi Itämerelläkin on aurinkoista. Onko veden suolaisuudella vaikutusta? Järvethän eivät ole sinisiä.

Välimeri ja suurin osa valtameristä ovat kirkkaampia kuin likainen Itämeri ja Suomen sedimenttiset järvet. Vesi näyttää siniseltä, koska se absorboi vahvemmin muita aallonpituuksia kuin sinistä, eli valon kulkiessa vedessä siitä suodattuvat osa punaisista ja violeteista aallonpituuksista. Mitä syvemmältä valo tulee, sitä sinisemmältä se näyttää koska enemmän valoa on ehtinyt absorboitua pois. Kirkasvetisissä vesistöissä valo tulee keskimäärin syvemmältä, jolloin ne näyttävät sinisemmiltä.

Miikka de Vocht, tohtorikoulutettava
Fysiikan laitos, Helsingin yliopisto

Todennäköisesti täysinäinen (uusi ja käyttämätön tuote, päivämäärää jäljellä vuoteen 2017) sinkki–hiili-paristo, pariston kyljessä merkintä R03 UM4, (AAA) on vuotanut ruskeaa nestettä. Paristo oli luultavasti joutunut oikosulkuun mikä lienee mahdollinen syy vuotoon? Mitä ainetta vuotava neste on? Onko syövyttävää, emäs? Tai onko vuotanut ruskea neste ja tökötti myrkyllistä? Entä pitääkö aine huomioida vaarallisena ihmiselle tai ympäristölle?

Sinkki-hiilipariston rakenne on seuraavanlainen 1) metallinapa (plus-napa), 2) grafiittitanko, 3) sinkkilieriö (anodi), 4) mangaanidioksidi (katodi), 5) kosteaa ammoniumkloridia, 6) metalliliitin

Vuotanut aine on todennäköisesti ammoniumkloridin (salmiakki) ja mangaanioksidin MnO₂ (ruskohiili) seosta. Näistä aineista mangaanidioksidi luokitellaan haitalliseksi. Ammoniumkloridi NH₄Cl luokitellaan ärsyttäväksi.

Tässä linkit aineiden käyttöturvallisuustiedotteisiin:

• www.isvet.fi/tiedotteet/mangaanidioksidi.pdf
• www.isvet.fi/tiedotteet/ammoniumkloridi.pdf

Vuotanut paristo voidaan sulkea muovipussiin jonka jälkeen sen voi toimittaa paristojen keräykseen normaalisti.

Leif Bergström, vaarallisista jätteistä vastaava
Helsingin seudun ympäristöpalvelut -kuntayhtymä (HSY)

Miten tiede selittää hämähäkin kehittymisen käärmeen hännän päähän? Ihmettelen sitä miten käärme (lajina) on “osannut” kehittää sinne oikean hämähäkin näköisen värkin houkuttelemaan saalista. Miten evoluutio on sen saanut aikaan?

Todella hyvä kysymys!

Hännän käyttäminen saaliin houkuttelemiseen on käärmeiden yleinen keino saaliistaa ja muutama kalalajikin käyttää sitä avuksi. Näitä yhdistää kaksi asiaa: saalistaja on paikallaan ja usein hyvin maastoutunut ja saalis on pienikokoinen selkärankainen, jota kiinnostaa matomaiset saaliit, useimmiten sammakko tai lisko.

Käärmeet käyttävät häntäänsä moniin tarkoituksiin, kuten varoittamiseen (esim. kalkkarokäärmeet), ja ne saattavat liikuttaa häntäänsä myös stressireaktiona. Yksi teoria on, että paikallaan oleva saalista aistivan käärmeen keskushermostossa on yksinkertaisesti niin vilkasta, että se purkautuu hännän värisemisenä.

Hämähäkkirakenne käärmeen hännän päässä näyttänee ihmisestä paljon monimutkaisemmalta kuin mitä se onkaan kehitysbiologisesti.

Rakenne koostuu vaaleammasta paksunnoksesta ja muutamista käärmeen suomujen pidentymistä. Nämä voivat kehittyä suhteellisen helposti, kehitysbiologiselta kannalta.

Käärmeen hännällä ei ole varsinaista tarkoitusta – evolutiivisesti se on siis vapaa kehittymään tarpeelliseen suuntaan. Toisin sanoen, sillä ei sinänsä ole selviytymisen ja lisääntymisen kannalta väliä minkälainen hännänpää käärmeellä on. Sillä ei ole samanlaista liikkumiseen liittyvää tarvetta kuin lintujen tai nisäkkäiden hännillä usein on.

Näiden perusteella on hyvin helppo esittää valistunut arvaus miten “hämähäkki” on kehittynyt käärmeen hännän perään.

Käärmelaji on alun perin saalistanut vaanimalla ja hetken jännitys on purkautunut usein hännän pienenä liikkeenä. Jossain vaiheessa käärmeen häntä on päätynyt saalistaessa käärmeen pään eteen ja se on onnistunut houkuttamaan saaliin helpommin. Käärmeet pitäneet häntäänsä päänsä edessä ovat lisääntyneet paremmin, koska ne ovat saaneet enemmän saalista.

Tästä eteenpäin yksilöt, jotka ovat osanneet liikuttaa häntäänsä houkuttelevammin ovat vastaavasti lisääntyneet enemmän. Lopulta hännän muoto on alkanut muuttua kehityksen aikana.

Ulkomuodon muutos on ollut tietenkin yritystä ja erehdystä: jollain yksilöllä hännästä on tullut houkuttelevamman muotoinen, toisilla – itse asiassa suurella osalla muutoksista – hännästä on tullut heikompi houkuttaja.

Paremmat muodot elävät ja heikommat kuolevat pois, ja “hämähäkki” yleistyy ja paranee evoluution kuluessa.

Tuomas Aivelo, evoluutiobiologian tutkijatohtori
Biotekniikan instituutti, Helsingin yliopisto

En ymmärrä, kuinka suuret raketit, joiden nopeus varsinkin alkuvaiheessa näyttää oleva aika pieni, pysyvät pystyssä. Riittävätkö ne vähäisen näköiset siivekkeet raketin perässä pitämään sen vakaana? Ja entäs sitten, kun polttoainesäiliöt heitetään pois: onko siellä sitten edelleen siivekkeet, joita ei vain huomaa. Vai voisiko vakauden takana olla jotain gyroskooppista?

Raketit pysyvät pystyssä, tai pikemminkin eivät kaadu mihinkään suuntaan pienillä nopeuksilla laukaisualustalta lähtiessään koska rakettimoottoreiden työntövoima on hyvin tarkasti raketin rungon suuntainen. Raketti ei kaadu ennen laukaisua koska se seisoo melko täsmälleen pystyasennossa ja se on tuettu varmuuden vuoksi rakennelmilla jotka irtoavat raketin lähtiessä liikkeelle.

Raketin nopeus kasvaa hyvin nopeasti ensi kymmeniin ja sitten satoihin metreihin sekunnissa. Nuo pienen näköiset siivekkeet raketin perässä stabiloivat ilmakehän virtaukset ja muut häiriöt ja raketti jatkaa matkaansa ylöspäin. Pienet siivekkeet perässä riittävät erinomaisesti stabiloimaan lentoradan täällä ilmameren pohjan tuntumassa, minkä tietää jos sattuu harrastamaan jousiammuntaa.

Avaruudessa minkäänlaisilla siivekkeillä ja aerodynaamisilla ratkaisuilla ei ole merkitystä koska ilma muuttuu ylöspäin mentäessä ohueksi ja avaruudessa sitä ei ole. Avaruusalusten muotoilijoilla on siinä mielessä täysi vapaus, jota he ovatkin käyttäneet sumeilematta ja rakentaneet rumia, usein kuution muotoisia möhkäleitä joissa on monenlaisia häkkyröitä ja ulokkeita.

Ilmanpaineen ja -vastuksen vähenemisellä mentäessä kymmenien kilometrien korkeuteen, ja jopa alemmas on merkittäviä seurauksia myös maanpäällisiin lentolaitteisiin. Suihkumoottorikoneilla ei voi nousta avaruuteen, koska ne hyödyntävät ilmanvirtausta, ja helikoptereilla ei voi nousta esim. Mount Everestille pelastamaan pulaan joutuneita vuoristokiipelijöitä, koska roottoreiden avulla ei enää niin korkealla saa aikaan riittävää nostetta vempeleen pitämiseksi ilmassa.

Avaruusraketit kaartavat aina noustessaan itään ja laukaisualustat ovat lähellä päiväntasaajaa koska näin hyödynnetään maksimaalisesti maapallon pyörimisen tuottama nopeuden lisäys joka on itään päin.

Avaruudessa aluksen asentoa voidaan stabiloida ja muuttaa gyroskoopeilla ja sen rataa voi säätää pienillä rakettimoottoreilla.

Isompiin radan muutoksiin tarvitaan isompia kemiallisia polttoaineita käyttäviä rakettimoottoreita tai muunlaista avaruuteen soveltuvaa propulsiota, kuten ioni- tai plasmatyöntömoottoreita, jotka käyttävät esimerkiksi aurinkokennoilla tuotettua sähköä.

Juhani Huovelin, yliopistonlehtori
Fysiikan laitos, Helsingin yliopisto

Mitä eroa on atomi- ja molekyylihilalla? Miksi kiinteän SiO₂ (piioksidin) hilarakenne on atomihila, mutta esimerkiksi kiinteän veden hilarakenne on taas molekyylihila? Tiedän siis, että atomihilassa hilarakenne koostuu yksittäisistä atomeista, jotka ovat liittyneenä toisiinsa kovalenttisilla sidoksilla ja molekyylihila kuvaa molekyylien pakkautumista kiinteässä olomuodossa. Ongelmana on, etten tiedä, milloin hila rakentuu atomeista ja milloin molekyyleistä. Miksi piioksidin hilarakenne ei ole molekyylihila, jossa piioksidimolekyylit ovat pakkautuneet kiinni toisiinsa? Miksi piioksidin hilarakenne rakentuu siis Si- ja O-atomeiden verkostosta eikä yksinkertaisemmin vain piioksidimolekyyleistä?

Atomihila on harhaanjohtava nimitys ja johtaa juuri tämän kaltaisiin ongelmiin.

Hilatyypit ovat ioni-, kovalenttinen, metalli- ja molekyylihila. Kun kirjoitimme Neon-oppikirjaa (osa 2) vaadin, että atomihila-nimeä ei käytettäisi juuri sen harhaanjohtavuutensa vuoksi.

Hilatyypin määrää siis sidos, jonka avulla hila (kiinteä aine) pysyy koossa eli (heikoin) ioni-, kovalentti-, metalli- ja ”molekyyli-” sidoksin.

Piisioksidissa jokainen pii- ja happiatomi on kovalenttisesti sitoutunut muihin atomeihin. Rakenne on joka suuntaan jatkuva, eikä erillisiä SiO₂-molekyylejä voi erottaa – kaikki sidospituudet (Si–O) ovat samoja. Molekyylihilassa kovalenttinen sidos on molekyylin sisällä mutta hila (kiinteä aine) pysyy koossa heikkojen sidosten avulla. Vedessä (jäässä) se heikko sidos on vetysidos.

Molekyylit H₂O voidaan rakenteessa erottaa sidosten avulla (lyhyet O–H sidokset) ja molekyylien väliset sidokset ovat pitkiä. Sitoutumisesta sitten johtuvat hilojen (kiinteiden aineiden) fysikaaliset erot – kovalenttihilan omaavat materiaalit ovat kovia ja sulamispiste korkea, kun taas molekyylihilaiset ovat pehmeitä ja niiden sulamispiste on matala.

Ainoa selitys, jonka olen keksinyt, miksi kovalenttihilaa Suomessa halutaan kutsua atomihilaksi, on hiilen allotroopit. Timantilla on kovalenttihila ja grafiitilla molekyylihila. Hiilessä on vain yhtä atomilajia ja siitä kai timantin ”atomihila” nimi on tullut.

Markku Leskelä, professori
Kemian laitos, Helsingin yliopisto

Millä kivikauden ihmiset maalasivat kalliomaalaukset? Mikä on maalin koostumus ja mikä on se aineosa, joka saa ne pysymään kallion pinnassa kymmeniätuhansia vuosia?

Keski-Euroopan luolamaalauksissa on käytetty pääasiassa erilaisia mineraalivärejä, jotka ovat geologisesti pysyviä (eivät siis haalistu).

Punainen on hematiittia (rautaoksidia) eli kansanomaisesti ilmaistuna punamultaa, kellertävä väri samankaltaista “keltamultaa” eli rautamineraalien värjäämää savista maa-ainesta. Myös ruskeaa väriä on saatu rautapitoisista savimaaesiintymistä, joita on esimerkiksi soissa. Musta on joissain maalauksissa mangaanioksidia, toisissa puuhiiltä. Muita värejä ei juuri esiinny.

Lisäksi maaliin on saatettu lisätä jotain sekoitetta, joka on tehnyt siitä vähemmän valuvaa, mutta sekoiteaineista on toistaiseksi aika vähän varmaa tietoa.

Luolamaalausten säilyminen selittyy sillä, että syvällä luolissa vallitsee hyvin vakaat ja suojaisat olot: sade ei piiskaa seiniä, tuuli ei aiheuta eroosiota, ja lämpötila pysyy koko ajan tasaisesti plussan puolella jolloin jäätyminenkään ei vaurioita kalliopintaa.

Joskus ulkoilmassakin sijaitsevat maalaukset ovat kyllä säilyneet tuhansia vuosia – niin on esim. Suomen kalliomaalausten laita. Meillä asian selittää pigmentin päälle muodostunut mineraalikalvo eli laminaatti, joka syntyy kun kalliosta liukenee veteen silikaatteja. Kun silikaattipitoinen vesi haihtuu kallion pintaa alas valuessaan, piidioksidi kovettuu ja muodostaa maalin päälle ohuita kerroksia. Ne ovat hyvin kovaa ainesta ja suojaavat eroosiolta, ja onneksi myös läpikuultavia, minkä ansiosta maalaukset on mahdollista hahmottaa silikasilauksen läpi.

Antti Lahelma, arkeologian yliopistonlehtori
Filosofian, historian, kulttuurin ja taiteiden tutkimuksen laitos, Helsingin yliopisto.

Uudet keraamiset hammaspaikka-aineet on valmistettu posliinista. Voiko posliinin sisältämä alumiini irrota sidoksistaan piin ja muiden alkuaineiden kanssa ja aiheuttaa haittaa elimistössä?

Keraamisia hammaspaikkoja ei ole enää vuosiin valmistettu perinteisestä posliinista. Sen ovat korvanneet lasikeraamit eli amorfisten ja kiteisten metallioksidikeraamien yhdistelmät.

Lasikeraameja käytetään nykyisin keraamisissa hammaspaikoissa. Niiden lisäksi yleisiksi hammashoitomateriaaleiksi ovat tulleet täysin kiteiset metallioksidikeraamit, ertyisesti zirkoniumoksidi ja alumiinioksidi.

Lasikeraamisissa hammaspaikoissa on useiden metallien kuten natriumin, magnesiumin, kalsiumin sekä kysymyksessä olevan alumiinin oksideja sekä amorfisessa että kiteisessä muodossa.

Amorfinen faasi on alttiimpi liukenemiselle. Keraamin joutuessa nestefaasiin materiaalin pinta alkaa liueta. Suussa liukeneminen tapahtuu käytännössä sylkeen.

Kemiallisesti täysin stabiilia keraamia ei ole olemassa. Esimerkisi hammashoidon lasikeraameista liukenee happamissa ja emäksisissä olosuhteissa oksideja muodostavien metallien ioneja.

Lasikeraameista saadaan happamissa olosuhteissa (pH esimerkiksi n. 2,5) liukenemaan hyvin pieniä määriä myös alumiinia, joka tosin on yksi lasikeraamien vaikeimmin liukenevista komponenteista.

Suussa olevassa syljessä on useita pH:ta tasapainottavia puskurijärjestelmiä, joten pH ei käytänössä voi laskea tasolle, jossa keraamien liukenemista tapahtuisi merkittävässä määrin, saati siinä määrin, että sillä voisi olla elimistöön kliinistä biologista vaikutusta.

Termodynaamisesti lasikeraamit eivät kuitenkaan ole täysin stabiileja.

Pekka Vallittu, biomateriaalitieteen professori
Turun yliopisto

Voiko putoavalta esineeltä hypätä ylöspäin, esimerkiksi isolta putoavalta kiveltä toiselle (näin tehdään piirretyissä, elokuvissa ja videopeleissä)?

Kun ponnistat putoavan kiven päällä niin kiven nopeus kasvaa ja sinun nopeutesi pienenee tukivoimien ansiosta. Pienet kivet kiihtyvät nopeammin jalan alta pois, joten ne aiheuttavat myös pienemmän tukivoiman. Voiman ei kuitenkaan tarvitse olla kovinkaan suuri, koska koko painovoimaa ei tarvitse kumota. Jos kumoaisit painovoiman vaikkapa sekunnin ajaksi, nopeutesi hidastuisi 9,81 m/s = 35 km/h, eli kivet karkaisivat suhteellisen nopeasti lähettyviltäsi.

Periaatteessa on mahdollista hypätä putoavalta kiveltä toiselle.

Käytännössä tämä on kuitenkin hankalaa sillä jos ponnistat hieman liikaa ja päädyt kiven yläpuolelle, ei sinulla oikein ole mitään keinoa kiihdyttää takaisin kiven tasalle.

Toiseksi kiven rajanopeus on (tiheyden johdosta) suurempi kuin ihmisen. Riittävän suuressa nopeudessa kiveen kohdistuu suhteessa pienempi ilmanvastus, ja jos putoaminen kestää riittävän pitkään, kivet karkaavat pomppijan alta.

Kolmas mahdollinen skenaario on sellainen jossa hyppijä on nopeasti putoavan suuren kiven päällä, jossa on ympäristöä pienempi paine, jonka johdosta ylipäätään on mahdollista pysyä suuren kiven mukana. Jos hyppijä nyt hyppää sivuun, häneen kohdistuu yhtäkkiä suuri ilmanvastus ja kivet karkaavat jälleen.

Miikka de Vocht, tohtorikoulutettava
Fysiikan laitos, Helsingin yliopisto

Mistä tunnistaa onko kyseessä ionisoitumisenergia vai emissio/absorptioenergia (esim. energiatasokaavioista)? Ja mitä eroa näillä on? Tai milloin fotoni/muu hiukkanen virittää atomin vs. milloin fotoni/muu hiukkanen ionisoi atomin?

Erona absorptiolla ja ionisaatiolla on se, että ionisaatiossa elektroni poistuu atomista kokonaan ja “lentää” atomin ulottumattomiin. Näin voi käydä energiakimpun, esim. fotonin, “tönäistessä” elektronin pois tai hapettavan yhdisteen kaapatessa elektronin. Tällöin atomi muuttuu positiiviseksi ioniksi.

Ionisaatioenergia tarkoittaa yhden elektronin poistamiseen tarvittavaa energiamäärää. Helpoimmin elektroni poistuu atomin uloimmalta kuorelta.

Absorptiossa taas elektroni virittyy eli “hyppää” ulommalle elektronikuorelle, saaden korkeamman energiatilan. Absorptiossa elektronit eivät poistu atomista, vaan jäävät ytimen hallintaan. Atomin kokonaisvaraus ei muutu.

Eri atomeilla on erilaisia elektronien energiatiloja. Toisin sanoen sama energiamäärä voi ionisoida toisen atomin elektronin, kun taas toisella määrä riittää ainoastaan elektronin virittämiseen

Lisää aiheesta opetus.tv:n ionisaatioenergia-kappaleessa.

Veli-Matti Ikävalko, tohtorikoulutettava
Kemian laitos, Helsingin yliopisto

Kun kiehuvaan veteen laittaa suolaa, se “kuohahtaa” ja kiehuminen loppuu hetkeksi. Mitä tapahtuu?

Suolaa lisättäessä veteen kuplia syntyy runsaasti, sillä suolarakeet synnyttävät runsaasti kiehumispisteitä. Kiehumispisteet syntyvät parhaiten rakeiden kulmissa. Kiehumispisteissä nestemäinen vesi muuttuu kaasukupliksi.

Suolan liukenemisen jälkeen kuuman suolaliuoksen kiehumispiste ei ole enää 100 ^oC. Kiehumispiste nousee korkeammaksi riippuen lisätystä suolan määrästä. Näin ollen uuden kiehumispisteen saavuttamiseksi tarvitaan lisää lämmitystä. Kun lämpötila on noussut tarpeeksi, vesi taas kiehuu.

Veli-Matti Ikävalko, tohtorikoulutettava
Kemian laitos, Helsingin yliopisto