Tiede

Miksi jää on liukasta

Samaan aikaan kun luistelijapolvi toisensa jälkeen on trimmannut tekniikkansa ja nauttinut jäällä liukumisen hurmasta, ovat maailman terävimmät aivot pohtineet jo yli neljän sadan vuoden ajan kysymystä, mikä menee itse luistelun ytimeen, miksi jää on liukasta. Tältä kannalta asiaa tarkastellen, luisteluoppaisiin pitäisi liittää omat lukunsa sellaisista tieteen, filosofian ja fysiikan merkkihenkilöistä kuin Rene Descartes, joka vuonna 1630 kirjoitti muistiin havaintojaan siitä, miten ja miksi jää, toisin kuin vesi, muodostaa klönttejä, tai Michael Faraday, joka pari sataa vuotta myöhemmin kummasteli, miksi lumesta voi tehdä lumipalloja, mutta hiekasta ei hiekkapalloja.

Jäällä lipsumisen fysikaalisen perustan varhaisimpana pätevänä selityksenä voidaan pitää Faradayn teoriaa, jonka mukaan lumihiutaleiden pinnalla on hyvin ohut vesikerros, jonka ansiosta hiutaleet liimautuvat toisiinsa. Ilmiöstä käytetään nimitystä pintasulaminen (surface melting). Faradayn mukaan se on havaittavissa ikäänkuin luonnonilmiönä aina lumen ja jään pinnalla silloin, kun sen lämpötila on juuri ja juuri sulamispisteen alapuolellla. Kaikki eivät olleet vesikerroksen syntymekanismista samaa mieltä. Faraday aikalainen William Thompson (myöhemmin Lord Kelvin) selitti vesikerroksen syntyvän esimerkiksi luistimen alla paineen vaikutuksesta (pressure melting). Tämä jo vuonna 1849 esitetty ajatus on jäänyt elämään niin, että se esitetään vielä tänäänkin monissa oppikirjoissa. Yksinkertainen laskutoimitus ja itse asiassa pohjoisten olojen luistelijan arkikokemus osoittavat, että lordi Kelvin ei voi olla oikeassa; luistelijasta luistimen kautta jäähän kohdistuva paine laskee jään sulamislämpötilaa ainoastaan muutaman asteen. Jos siis painevaikutus olisi tärkeä, luistelu ei olisi mahdollista kuin korkeintaan muutaman miinusasteen sääoloissa. Cambridgen yliopiston fyysikot Frank P. Bowden ja T. P. Hughes puuttuivatkin tähän ilmeiseen ristiriitaan vuonna 1939 ja esittivät, että vesikerroksen synnyn syynä ei ole painevaikutus vaan luistimen ja jään välisen kitkan aiheuttama lämpö.

Nyt tämä jokaista niin tyylissään kuin maailmanselityksessäänkin täydellisyyteen pyrkivää pikakiitäjää askarruttanut satavuotinen kysymys jään livettävyydestä luistimen alla näyttää saavan selityksensä. Vuonna 1985 Amsterdamin atomi- ja molekyylifysiikan instituutin tutkijat Joost M.W. Frenken ja J. Friso van der Veen pommittivat lähelle sulamispistettään kuumennettuja lyijykiteitä ionisuihkulla. He havaitsivat, että kiteiden pinta sai nestemäisiä ominaisuuksia jo huomattavasti ennen kuin oli saavutettu sulamislämpötila. Niin pitkältä kuin matka lyijystä jääkristalleihin vaikuttaakin, niin niin vain on, että hollantilaisten tutkijoiden havaitsema surface melting-ilmiö esiintyy käytännössä kaikenlaisen kiinteän aineen, siis myös jään, pinnalla. Eikä siihen tarvita painetta eikä kitkaa. Nyttemmin tätä luonnostaan esiintyvää häviävän ohutta vesikerrosta niin jään päällä kuin luistimen ja jään välisessä ahtaassa raossakin on tosissaan koitettu saada näkyviin käyttämällä esimerkiksi herkistä herkimpiä optisia systeemejä ja jopa roentgensäteitä. Edelleen on kuitenkin moni asia selitystä vailla. Tutkimus kuitenkin jatkuu. Eikä pelkästään sen takia, että on tärkeä tietää mitä luistimen terän alla itse asiassa tapahtuu, vaan siitäkin syystä, että sama pintasulamisilmiö näyttää tarjoavan selityksen selittävän mm. salamoinnin synnylle ja maan routimiselle.

Kirjoitus perustuu Scientific American-lehden tämän vuoden helmikuun numerossa julkaistuun artikkeliin "Melting below zero", jonka kirjoittajat ovat Washingtonin yliopiston fyysikot John S. Wettlaufer ja J. Greg Dash. (Sci. Am. February 2000. Ss. 34-37)

Veli-Pekka Lehto