Her er geologien i ferd med å vinne over badestrukturene.
Denne gangen har forskertilværelsen tatt meg til et sted jeg aldri egentlig hadde trodd jeg skulle reise til, nemlig Israel. Anledningen er forskernettverket vårt, NanoHeal, og vår Israelske partner har bestemt at samlingen denne gangen skulle holdes på et hotell ved Dødehavet.
Forskningen i nettverket handler om mineraler: Hvordan vokser krystaller, og hvordan løser de seg opp, når de befinner seg inneklemt mellom korn av andre materialer? Kan vi lage sterkere, bedre, mer miljøvennlige og mer holdbare materialer enn dem vi bruker i dag ved å studere hvordan biologiske organismer lager mineralene sine, som i skall og bein? Kan materialer som er laget av mineraler, sånn som betong, holde seg stabile i lang tid, sånn at vi kan bruke dem til å lagre radioaktivt avfall?
Egentlig er dette et ganske passende sted å holde et slikt møte. Her er det nemlig fullt av mineraler, som felles ut når dødehavsvannet fordamper:
Geologi vinner over biologi. Om fem år vil dette være en del av det flere kilometer tykke saltlaget under vannoverflaten.
Egentlig stemmer det ikke helt at dette hotellet ligger ved Dødehavet. Stedet vi befinner oss på, Ein Bokek, ligger ved fordampningsdammene i den sørlige enden av sjøen. Dette var en del Dødehavet så sent som i 1972, men siden den gang har vannstanden falt med over 20 meter, og den sørlige delen ville ha vært et tørt lag med salt om det ikke hadde vært for pumpene som flytter vann fra nord til sør.
Vanlig havvann er fullt av stoffer som kan være nyttige for oss mennesker, men siden det er såpass lite av dem i hver liter vann er det for kostbart å utvinne dem. Her i Dødehavet er konsentrasjonene høyere, og ved å pumpe vannet inn i grunne bassenger, der sollyset får vann til å fordampe og de nyttige stoffene til å bli enda mer konsentrert, kan man utvinne elementer som kalium (til kunstgjødsel), magnesium og andre stoffer i form av salter.
Det er ganske overveldende å se hvordan sjøen her er fullstendig kontrollert av menneskelig aktivitet. I den ene enden, i sør, dannes et 20 cm tykt lag med salt i bunnen av fordampingsdammene hvert år. Dette gjør at hotellene må bygge strendene sine oppover, og at ved de eldste hotellene må man nå gå opp en trapp for å komme ut på stranden fra bassengområdene utendørs.
Dette utebassenget har mistet havutsikten sin.
I nordenden er situasjonen enda mer dramatisk. Ikke bare pumpes vannet ut av sjøen for å fordampe, det har heller ikke kommet nevneverdige mengder av nytt vann inn i sjøen siden Jordanelven ble demmet opp for å brukes i jordbruket, på 60-tallet. I dag synker vannstanden i Dødehavet med over en meter i året. Dette har ikke bare ført til at det har blitt langt å gå til stranden fra hotellene i nord. Det lille regnvannet som renner over de tørrlagte breddene av sjøen, løser opp saltlagene i undergrunnen og får tusenvis av synkehull til å åpne seg og ødelegge veier og bygninger. Erosjon er et kjempeproblem, og de økologiske konsekvensene er selvfølgelig enorme.
Erosjon på slettene ned mot den nordlige delen av Dødehavet. Utsikt fra Massada.
For å bøte på problemet med uttørring av Dødehavet, er det planer om et system av rør og kanaler som skal flytte vann fra Rødehavet og inn i Dødehavet. Underveis skal deler av vannet avsaltes og brukes som drikkevann. Dette er et stort prosjekt med mange potensielt negative konsekvenser for miljøet, i og rundt både Rødehavet og Dødehavet. Om du vil lese mer om dette prosjektet kan Wikipedia-siden være et greit sted å starte.
Det er den tiden av året igjen. For to år siden skrev jeg et blogginnlegg om ispels, som er et femomen som de færreste har lagt merke til, men som kan dukke opp på en grein nær deg når kuldegradene kommer snikende. Det ser ut som hvitt tynt hår, omtrent som mugg, men det er is. Veldig kult.
Og nå kan jeg altså dele en forskningsnyhet om ispels. Den kom i sommer, men da passet det ikke så bra å snakke om is. Artikkelen Evidence of biological shaping of hair ice ble publisert i Biogeosciences. Forfatterne har studert ispels som dukker opp og forsvinner fra grener over en periode på to år (for et koselig prosjekt!), og påpeker en viktig ting: Det er rart at disse lange hårene ikke smelter sammen og blir til større krystaller, når de er inntil hverandre over lang. Det pleier nemlig krystaller å gjøre når de er veldig små, inntil hverandre og dessuten ikke så langt fra smeltepunktet sitt.
Jeg vil anbefale alle å lese artikkelen (den er åpent tilgjengelig) for å se hvilke fine eksperimentener disse forskerne gjorde for å komme til bunns i saken. Jeg skal nøye meg med å hoppe til konklusjonene:
Ispels dannes fordi vannet som er stengt inne i de små hulrommene i greina ikke klarer å fryse, men det fryser når det kommer ut i lufta. Frysingen gjør at vannet suges ut av greina og «håret» vokser. Dette var som jeg trodde, og jeg er glad for å se at jeg ikke tok helt feil. Men, dette er ikke hele historien, for
Ispelsen dannes bare om det er en bestemt sopp til stede. Ha! Så det er nesten som mugg. Soppen lager nemlig et stoff som blander seg inn i isen og gjør at iskrystallene ikke smelter sammen. Det er en krystallisjonsbrems. Når iskrystallen først er dannet, så gjør dette sopp-stoffet at krystallen ikke klarer å forandre på overflaten sin før den til slutt smelter eller fordamper og forsvinner.
Det er faktisk nesten uhørt i naturen å lage så lange krystaller. De kan være 10 000 ganger lengre enn de er brede. Det er ikke umulig at materialforskere vil prøve å fra nytte av disse soppstoffene, eller noe som ligner, til å kontrollere formen på andre typer krystaller. Dermed ble noe som var et koselig naturfenomen plutselig high-tech. Et nydelig eksempel på at det lønner seg å være nysgjerrig uten å bry seg så mye om hvor man ender opp til slutt.
I dag har mye av tiden på jobb gått med på å diskutere hvorfor krystaller oppfører seg slik de gjør. Krystaller er fantastiske saker, og vi har flere stipendiater i gruppen som prøver å forstå dem enda litt bedre, både med datasimuleringer og med eksperimenter der vi ser krystaller som vokser i små mikrokanaler i et mikroskop.
Jeg har også nettopp vært nordpå og truffets årets første nysnø. Som en forsmak til den kalde, fine tida, og som et glimt inn i krystallenes magiske verden, vil jeg derfor dele denne nydelige snøflak-filmen med dere.
Min tante observerte noe rart på himmelen her om dagen. En slags omvendt regnbue. Hva er dette?
Senitbue i Vesterålen, mai 2014. Foto: Ingrid Larssen
Det vet jeg, svarte jeg eplekjekt, det er en del av en halo, og forklaringen ligger her. Jeg regnet med at sola stod bak taket. Hadde jeg vært litt mer observant, ville jeg ha oppdaget at denne buen er rød ytterst, mens haloen er rød innerst. Altså er ikke dette en del av en halo. Min tante kunne også fortelle at sola stod lavt på himmelen, og slett ikke bak taket. Litt mer observante og mindre eplekjekke observatører kunne raskt fortelle at dette er en senitbue.
Om du ligger på ryggen og ser rett opp på himmelen, så ser du på senit. Hadde senitbuen vært en hel sirkel, ville senit vært i sentrum. Derav senitbue.
Senitbuen dannes, som haloen, ved at lyset brytes når det passerer gjennom iskrystaller. De små iskrystallene i cirrus-skyene er formed som sekskantede plater. I haloen går lyset inn gjennom en og ut gjennom en annen av sidekantene på iskrystallen. I senitbuen, derimot, går lyset inn gjennom den flate oversiden av iskrystallen og ut gjennom en av sidekantene. Disse flatene står 90 grader på hverandre, så det blir akkurat som å sende lyset gjennom et prisme, som noen sikkert husker fra fysikktimene på skolen. Når lyset bøyes på vei inn i og ut av iskrystallen, ender de ulike fargene opp med å gå i litt forskjellige retninger, slik at vi ser dem hver for seg.
Sola står lavt. La oss si den står 20 grader over horisonten. Jeg kan se i retning 20 grader oppover, og så treffer lyset fra sola øynene mine direkte (men det anbefales IKKE!). Jeg kan se hvor som helst på himmelen, og siden det er en sånn fin dag, treffer blått lys fra sola øynene mine fra omtrent alle retninger – det har sprettet omkring mellom luftmolekylene, og noe av det ender omsider hos meg.
Eller jeg kan snu ansiktet mot sola og vende blikket 70 grader oppover. Da ser jeg lyset som har blitt bøyd nedover gjennom de flate iskrystallene. Blått lys bøyes mest, så det ser jeg lengst vekk fra sola. Og avhengig av hvilken retning sidekanten av iskrystallen hadde, blir lyset også vendt litt til siden, og resultatet blir en bue, mellom sola og senit, med senit som sentrum. En omvendt regnbue, et smil på himmelen.
Tenk at vi bor et sted der nedbøren ikke bare kommer i form av regn, men at lufta over oss noen ganger er så kald at vannmolekylene klamrer seg fast i hverandre når de møtes, og danner millioner av fjærlette iskrystaller med overflater som er så flate og små at lyset spres i alle retninger og alt rundt oss blir hvitt.
Tenk at de aller ytterste vannmolekylene ofrer seg for fellesskapet og danner et flytende lag på utsiden av iskrystallen, selv om det egentlig er alt for kaldt, for at resten av krystallen skal slippe å være naken mot vinteren.
Tenk at når to snøfnugg møtes, og is ligger kinn mot kinn, får vannet mellom dem endelig lov til å fryse. Så henger de sammen, og to små har blitt ett litt større.
Tenk at millioner av snøfnugg samles på bakken og forenes til et skjørt, luftig byggverk. Da er de ikke fnugg lengre, men snø.
Om natten kjører løypemaskinen gjennom den stille skogen. Under den blir snøen presset sammen, gamle kontakter brytes, og nye, større, kraftigere dannes. Snøen blir fast og solid.
Neste dag spenner du på deg skiene. På millioner av overflater ofrer vannmolekylene seg for sine venner. Skiene glir på vannet, på snøen. Fort, stille.
Etter ti år som eksperimentalist har jeg fått et ganske avslappet forhold til nederlag.
Før jeg begynner på forsøkene kjenner jeg til hel drøss med ting som sannsynligvis vil skjære seg, og jeg er smertelig klar over at de ukjente risikofaktorene er omtrent ti ganger så mange. Av alle ting jeg har forsøkt i labben har jeg kanskje lyktes med…
2 prosent?
Faktisk.
Luke (den fine boksen oppå den større boksen i bakgrunnen) har laser. Mitt hemmelige våpen er UV-pistolen.
Grunnen til at jeg (og alle andre eksperimentalister der ute) gidder å fortsette er DEN FØLELSEN man får når ting, mot alle odds, FUNGERER. Når man plutselig ser noe, som er virkelig, og som ingen har sett før.
Du og jeg, Skywalker. Vi har vært tålmodige denne uka. Bevepnet med laser og pistol har vi nedkjempet utallige hindringer. Og til slutt fant vi det,
SVARET
som vi lette etter.
Takk for samarbeidet, for denne gang.
Her er SVARET.
(Du lurer kanskje på hva svaret, eller for den saks skyld spørsmålet, er? Det har jeg ikke tenkt å fortelle akkurat nå.)
Når vann fryser til is nede i bakken blir noen gang overflaten presset oppover, og det er dette vi kaller telehiv. Gjengs oppfatning er at dette skjer fordi at vann utvider seg når det fryser, sånn som vi kan oppleve om vi legger en full flaske i fryseboksen og den sprekker.
Men, hold dere fast: Dette er (nesten aldri) årsaken til telehiv! Flaska i fryseboksen sprenger ikke om du ikke har satt på korken. Vannet nede i jorda er heller ikke spesielt innestengt. Når det fryser og utvider seg, kan det vannet som blir til overs dyttes nedover i jorda. Dessuten så utvider vannet seg med ni prosent når det fryser, mens «hivet» som forårsakes av telen kan bli mye større enn dette skulle tilsi.
For å rette opp i denne misforståelsen kommer nå et innlegg i kategorien Gammel Forskning.
Stephen Taber II
For 101 år siden, i 1912, fikk den unge Dr. Stephen Taber II stillingen som professor ved institutt for geologi og mineralogi ved universitetet i South Carolina. Siden han var eneste professor ved instituttet kunne han gjøre omtrent som han ville.
Stephen Taber hadde lagt merke til tidligere forskning som så ut til å vise at is var i stand til å løfte opp overflaten mye mer enn de ni prosentene utvidelse skulle tilsi. Han var forbløffet over at dette ikke hadde vagt mer oppsikt, og fikk lyst til å studere dette i mer detalj. De første, lovende eksperimentene fikk han gjort noen kalde netter vinteren 1914-1915. Det var imidlertid vanskelig å være avhengig av været for å gjøre eksperimenter, så han la studiet på hylla for noen år. Gjennombruddet kom i 1927. Som han skriver i artikkelen sin:
«In March, 1927, a suitable low-temperature apparatus was placed at my disposal by Mr. E.W. Allen, district manager of the Frigidaire Corporation, and I began an investigation to determine the factors involved in excessive and differential frost heaving.»
Professoren lagde sylindere av papp, som han dyttet fulle av leire. På innsiden av pappen hadde han smurt parafin så de skulle være vanntette. De var åpne i bunn, og han plasserte dem på et lag med sand nederst i fryseboksen. Så helte han på vann så både leiren av sanda ble helt gjennomvåte. Plassen mellom sylindrene fylte han med tørr sand. Siden kjøleelementene i fryseboksen var på toppen, ville dette være ganske likt sånn som det er i virkeligheten når jord fryser. Da er det jo også kaldest øverst.
Tabers eksperimenter, kopiert fra artikkelen hans fra 1929.
Øverst på sylindrene plasserte han forskjellige lodd: av tre, av jern eller begge deler. Det gjorde han fordi han lurte på både hvor mye vekten på toppen ville ha å si, og hva som ville være effekten av temperaturen på toppen av sylinderen. Treloddet er selvfølgelig lettest, mens metall leder varme bedre, så sylinderen med bare jernloddet vil være kaldest oppå.
Hva skjedde?
Alle loddene ble løftet oppover. Det som ble løftet aller mest var ikke det lette treloddet, men det tunge jernloddet! Det betyr at det ikke er vekten, men temperaturen som har mest å si. Jernet klarer å flytte bort mer av varmen fra vannet, så det greier å danne mer is. Med et trelodd oppå får varmen mye motstand for å komme seg bort, og det bremser på frysingen. Det som løftet seg minst var kombinasjonen tre + jern. Her er det vanskelig å få bort varmen, og i tillegg er det en stor vekt som må løftes opp. Det betyr altså at vekten også har noe å si.
Taber noterte også hvor mye loddene ble løftet i forhold til hvor langt ned sylindrene hadde fryst (ratio of uplift to depth of freezing). Om det bare var vannet som satt der fra før som hadde blitt til is, så burde dette bli omtrent ni prosent, eller 0,09. Det han målte var mye mer, rundt 40 prosent.
Det betyr at vann har flyttet seg fra et annet sted og til der hvor isen ble dannet. Det eneste vannet som var tilgjengelig var i den varmere delen av sylinderen under isen, og i sanden nedenfor. Fryseprosessen har altså trukket vannet oppover!
Det minner vel litt om disse trærne jeg snakket om? Helt riktig, vi er tilbake til kapillærkrefter og overflater. Leire (og silt, som bare er litt mer grovkornet) består av bittesmå mineralkorn, med overflater som elsker vann. Siden plassen mellom kornene er så liten, er det vanskelig for vannet både å lage bobler og å fryse til is. Derfor kan temperaturen komme godt under null før vannet begynner å fryse.
Selv om noe av vannet har frosset til is, er ikke mineraloverflatene spesielt lystne på å gi slipp på det flytende vannet sitt. Frosset is og mineraloverflater går nemlig ikke spesielt godt overens. Derfor vil det fortsette å være flytende vann mellom iskrystallen og leirkornene. Når en iskrystall først er dannet, vil det oppstå en liten konflikt: Vannet på isen vil fryse, men isen vil ha et flytende lag rundt seg. Dette gjør at når litt av vannet rundt isen fryser til, skapes et undertrykk som suger vann opp til der hvor det fryser.
Ganske likt det som skjer i trærne. Der brukes litt av vannet opp til fordampning, og nytt vann må suges opp. I jorda brukes noe av vannet opp til å lage is, og nytt vann må suges opp nedenifra.
Dette er også grunnen til at isen ikke er gjevnt fordelt i leira, men legger seg lagvis nedover. Har man først begynt å lage is ett sted er det nemlig mye lettere å fortsette å fryse på den enn å lage ny is et annet sted. Derfor suges vann opp til en islinse til det har blitt kaldt nok et stykke lengre ned til å starte en ny linse der. Taber viser fram et stykke frossen vei han har fått av en kamerat i veibransjen, for å demonstrere at det er det samme som skjer i virkelig telehiv:
Frossen veibit, 1929.
Noen ganger kan sugekreftene i vann som fryser føre til ganske enorme formasjoner, som disse pingoene.
(om noen vil lese mer, ligger Tabers originale artikkel her)
Jeg har mye bilder fra forskningen som jeg bruker til å finne ut av ting, men noen ganger får jeg bilder som bare er veldig fine. Jeg har tenkt å dele noen av disse fremover.
Dette bildet er fra et eksperiment der jeg smeltet et magnesiumsalt og lot det bli kaldt mellom to glassflater. Så tilsatte jeg vann sånn at det kom i kontakt med kanten av saltet. Der vann og salt kommer i kontakt løser saltet seg først opp før det felles ut igjen og danner krystaller. Det er det man ser i venstre side av bildet. Etterhvert som reaksjonsfronten trenger seg lengre inn i saltet blir er krystallene mye mindre og de ordner seg på rekker på en eller annen måte.
Til høyre ser vi saltet: Det som er helt svart her salt som har blitt kaldt, men ikke rukket å krystallisere ennå. Atomene sitter hulter til bulter og det er helt gjennomsiktig, som et glass. Det som ser ut som snøkrystaller er krystaller som har oppstått i salt-glasset. Siden atomene i saltglasset beveger seg, littegrann, vil det etterhvert være noen som klarer å strukturere seg og lage en krystall. Der noen først har begynt å bygge krystall blir det lettere for naboene å sette seg fast. Slik gror de utover fra ett startpunkt. Det samme vil faktisk skje i vanlig vindusglass om man bare venter lenge nok. Glass er på en måte en underkjølt væske, som skulle ha blitt til krystaller men ikke har greid det enda.
Jeg har en polarisator på hver side av prøven. Det gjør at krystallene ser lyse eller mørke ut ut i fra hvilken retning atomene inni sitter. Vann og glass blir svart fordi atomene ikke sitter i noen bestemt retning.
Bildet er tatt med mikroskop, og den virkelige størrelsen på det dere ser er ca 5 millimeter.
Anja Røyne 