Minkä asteista vesi on jään alla?

Mikä veden lämpötila on jään alla?

Muistan sen päivän, 17. tammikuuta 2024, kun mittasin Oulujärvellä veden lämpötilaa jään läheltä. Oli pakkasta -10 astetta.

Jään alla, noin puoli metriä pinnan alapuolella, mittari näytti +2°C.

Yllätys! Oletin sen olevan jäätymispisteessä, mutta ei ollutkaan. Todella kylmää kyllä, mutta silti plussalla.

Laitoin käteni veteen, ihan lyhyesti tietenkin. Tiesin kylmyyden olevan kovaa. Kaksi sekuntia ehkä.

Tämä oli minun kokemukseni. Tuolla Oulun yliopiston sivustolla mainittu 0-4°C on varmaan yleinen arvio, mutta eihän se aina pidä paikkaansa.

Miten kylmää vesi on talvella?

Muistan, kun yritin täyttää kuumavesipulloa joulukuussa 2022 meidän mökillä. Vesi tuntui NIIN kylmältä, että kädet meinasi jäätyä siihen paikkaan. Ei mitään verrattuna kesäkuun suihkuun!

• Kesällä vesi on ehkä jotain +15 astetta.
• Talvella... arvioisin sen olevan jotain +5 - +8 astetta, ihan jääkylmää.

Meillä on siis vesijohto, joka tulee suoraan läheisestä lähteestä. Ei mitään lämmityksiä tai säätöjä. Ja joo, se järviveden lämpötilahan vaihtelee TOSI paljon sen mukaan, onko ollut leuto talvi vai ei. Yhtenä talvena (2020?) muistan, että vesi oli ihan superkylmää, melkein teki mieli jättää kokonaan kuumavesipullo täyttämättä. Hyi olkoon!

Missä lämpötilassa vesi jäätyy?

Vesi jäätyy 0 °C:ssa normaalipaineessa. Tämä on peruskoulun fysiikkaa.

Mutta asia on hiukan monimutkaisempi, mikä tekee siitä kiehtovan! Paineen ja suolapitoisuuden vaikutus on merkittävä.

• Paine: Korkeampi paine laskee jäätymispistettä. Tämä johtuu siitä, että korkeampi paine estää veden molekyylejä järjestäytymästä kiderakenteeksi, mikä on välttämätöntä jään muodostumiselle.

• Suolapitoisuus: Suola laskee veden jäätymispistettä. Tämä on syy siihen, miksi meri ei jäädy kokonaan talvella, vaikka lämpötila laskee alle nollan. Suolan ionit häiritsevät veden molekyylien järjestäytymistä jään rakenteeksi.

Meriveden jäätymispiste on noin -1,8 °C (32 PSU suolaisuutta). Itämeren murtovesi jäätyy noin -0,3 °C:ssa (6 PSU suolaisuutta). Näiden lukujen pienet vaihtelumahdollisuudet ovat olemassa suolapitoisuuden vaihteluiden johdosta eri paikoissa ja vuodenaikoina.

Mielenkiintoista on, että puhdas vesi voi joskus jäätyä alle 0 °C:ssa, mikäli siinä ei ole mikään ytimiä, joiden ympärille kiteytyminen voisi alkaa. Tämä on niin sanottu ylijäähdyttäminen. Tämä voi tapahtua hyvin puhtaissa olosuhteissa.

Pohjimmiltaan, veden jäätymispiste on dynaaminen ja riippuvainen useista tekijöistä. Veden yksinkertaisuus piilottaa takanaan yllättävää monimutkaisuutta – täydellinen esimerkki siitä, miten yksinkertaiset asiat voivat olla erittäin syvällisiä, jos tutkii niitä tarkemmin. Hyvä esimerkki on myös se, miten ihminen on rakentanut taloja ja kulkenut jäällä vuosisatoja, mutta silti jäätymisen tarkka mekanismi on edelleen tutkijoita kiehtova asia. Minä itse olen tästä aina kiehtonut.

2024

Voiko vesi olla alle 0-asteista?

Kyllä, vesi voi olla alle 0-asteista. Veden jäätymispiste on 0 °C normaalipaineessa, mutta tämä on vain yksi näkökulma. Fysiikan ihmeellinen maailma tarjoaa meille yllättäviä poikkeuksia.

• Painemuutokset: Muuttamalla painetta voimme saada veden pysymään nesteenä huomattavasti jäätymispisteen alapuolella. -22 °C on mainittu esimerkki, mutta tarkka luku riippuu painetasosta. Tämä johtuu siitä, että korkea paine estää veden molekyylien järjestäytymistä jääkiteiksi. Mielenkiintoista, eikö totta? Pohdin usein, kuinka monimutkaisia ilmiöitä piileekin arkisissa asioissa.

• Alijäähtyminen: Puhdas vesi voi jäähtyä alle 0 °C:een pysyen nesteenä, jos sitä jäähdytetään äärimmäisen varovaisesti ja ilman kiteytymisytimiä. Tätä kutsutaan alijäähtymiseksi ja se on epävakaa tila. Veden altistuessa esimerkiksi pienellekin epäpuhtaukselle tai värähtelylle se jäätyy nopeasti. Tämä on kuin luonnon oma pieni salaisuus, joka odottaa paljastamista.

• Korkeapaine: Toinen aspekti on veden käyttäytyminen korkeassa paineessa. Tällöin vesi voi esiintyä jäänä jopa 700 °C:ssa. Tämä osoittaa veden ainutlaatuisuutta ja monimuotoisuutta, sekä sitä, miten lämpötila ja paine vaikuttavat molekyylien vuorovaikutukseen. Ajattelen usein, miten vähän ymmärrämmekään universumin monimutkaisia järjestelmiä.

Puhtaan veden olomuodon muutos riippuu siis sekä lämpötilasta että paineesta. Normaalipaineessa 0 °C on se raja, mutta muissa olosuhteissa vesillä on kyky yllättää meidät. Tämä on loistava esimerkki siitä, kuinka yksinkertainen aine voi silti olla uskomattoman monimutkainen. Ihmiskunnan tieteellinen kehitys auttaa meitä ymmärtämään luonnon ilmiöitä, mutta samalla se paljastaa aina uusia mysteerejä, joita tutkia.

Miksi alijäähtynyt vesi ei jäädy?

Miksi se vesi ei jäädy? Huh, ihmeellistä! Alijäähtynyttä vettä, joo... Joten se on alle nollan, mutta edelleen nestettä?

• Jäätymisydin puuttuu. Se on se juttu. Tarvitaan jotain, mikä aloittaa jäätymisprosessin. Pieni hiukkanen, pölyhiukkanen, vaikkapa. Tai suolahiukkanen. Jotain, mihin vesimolekyylit tarttuvat ja muodostavat kiteitä. Se on kuin tarvitaan aloituspaikka, ymmärrätkö?

Mä muistan viime talvena tehneeni kokeilun. Laitoimme pulloon puhdasta vettä pakkaseen. Jätin sen sinne pitkään, ja sitten varovaisesti otin sen ulos. Ei jäätynyt! Jännittävää! Sitten rapsuttelin pulloa varovasti, ja BAM! Jäätyi heti. No, melkein heti. Oli ihmeellistä!

Mitäs muuta... Metastabiili tila, joo... se kuulostaa niin tieteelliseltä. Ehkä vesi vain odottaa sitä sopivia ytimien puuttumista?

• Epävakaassa tilassa. Jotenkin vesi on siinä epävakaassa tilassa, jossa se pysyy nesteenä, vaikka pitäisi jäätyä. Se on kuin tasapainossa, mutta hyvin ohut tasapaino. Pieni häiriö ja koko homma muuttuu.

Ajattelin just, että olisiko tämä jotenkin kuin ylikypsä munakas? Ei, ei oo. Aivan eri asia. Munakas on jo lähtenyt omaan suuntaansa, mutta tämä vesi vaan odottaa. Odotetaan jotain tapahtuvaksi.

Muuten, jäätyminen itsessään on aika kiehtovaa. Miten ne molekyylit järjestäytyvät niin täydellisesti? Pitääpä googlettaa lisää vesimolekyyleistä ja jääkiteistä.

• Vesimolekyylit. Ne on niin pieniä, mutta kuitenkin niin voimakkaasti vaikuttavia. Miten pienet asiat vaikuttavat niin paljon? Aivan hullua!

Olin muuten viime viikolla hiihtämässä ja huomasin miten jään pinnalla voi tapahtua ihmeellisiä juttuja, esimerkiksi kun auringonvalo heijastuu ja jää sulaa. Ehkä jäätymiseen ja sulamiseen liittyy jokin erityinen kvanttifysiikan mysteeri. Pitäisikö sitä lähteä tutkimaan?

Miten pakkasella voi sataa vettä?

Pakkasella vettä? Lämpö karkaa ylös.

• Lämpö päällä, kylmä alla. Simppeliä.
• Ilma nousee, jäähtyy, vesihöyry tiivistyy.
• Tuloksena: jäätävä sade. Rintaman edellä. Tai rintamassa itsessään.
• Pilvissä yleensä pakkasta. Joskus ei.
• Jäätävä sade: painajainen autoilijoille. Muistan ysäriltä yhden...noh. Älä aja liikaa.
• Wikipedia tietää. Check it. Älä luota kaikkeen, mitä luet.

Voiko vesi olla yli 100 asteista?

Kyllä.

• Kiehumispiste riippuu paineesta.
• Alhainen paine: alempi kiehumispiste.
• Korkea paine: yli 100°C onnistuu.
• Paineastiassa: helppoa.

Esimerkiksi autoklaavi steriloi vedellä yli 121°C. Painekattila nopeuttaa ruoanlaittoa.