Jeg har brukt en del tid på å se på skøyteløp i dag, og siden det ikke var uhyre spennende hele tiden ble jeg sittende og tenke på selve skøytebanen. Hva er det egentlig som skal til for å lage skøyteis i OL-klasse?
Bilde: «Skate like the wind» av Joshua Mayer/Flickr (CC lisens)
Snø. Magi.
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.
Fryser varmtvann fortere enn kaldtvann?
Du setter to glass med vann inn i fryseren. Til å begynne med er temperaturen i det ene glasset ti grader, og femti grader i det andre. I hvilket glass blir vannet først til is?
Dette høres ut som et dustete spørsmål. Vannet som starter ved femti grader er jo nødt til å passere ti grader før det kan nå null. Når det kommer til ti, er det ti grader varmt vann, akkurat som det andre vannet var da det startet. Det er ingenting som tilsier at vannet som en gang var varmere, skal komme seg fortere fra ti til null enn det andre glasset. Vann er vann. Det kalde vannet fryser vel først?
Mpemba-effekten
Det varme vannet fryser først.
Denne effekten har vært kjent i tusenvis av år. Aristoteles skrev om den 350 før Kristus, det samme gjorde Francis Bacon og René Descartes.
I dag er fenomenet kjent under navnet Mpemba-effekten, og er således et av de få naturfenomener med afrikanskklingende navn. Ernesto Mpemba var en skoleelev i Tanzania som i 1963 oppdaget at melkeblandingen hans ble til iskrem fortere dersom den var varm når han satte den i fryseren. Han ble gjort til latter av lærere og medelever, men fikk, flere år senere, observasjonen sin bekreftet av en universitetsfysiker, Denis Osborne, som besøkte skolen. Denne fysikeren hadde lært at man aldri skulle gjøre narr av elevers spørsmål. Historien og resultatene ble publisert av Mpemba og Osborne i en nydelig artikkel i 1969. Jeg anbefaler alle å lese den.
Sirkulasjonsforklaringen
Man skulle kanskje ikke tro det, men frysing av vann er en komplisert sak. Det er alt for mye som kan varieres: Formen og størrelsen på beholderen, temperaturen på fryseren, luftstrømmene inne i fryseren, mengden av gass og salter som er oppløst i vannet… og lista kan gjøres mye lengre. Det er imidlertid vanskelig å tro at ti grader varmt vann som var femti grader for litt siden, skal være anderledes enn ti grader varmt vann som har vært ti grader lenge. Vann er vann. Derfor er den mest populære forklaringen på Mpemba-effekten basert på forskjellige sirkulasjonsmønstere som oppstår i beholderen med vann.
Når et glass med vann settes inn i fryseren, mister det varme fra sidene, bunnen og toppen. Vannet i midten av glasset holder seg forholdsvis varmt. Kaldt vann er tyngre enn varmt vann. Vann som kjøles ned langs kantene av glasset vil derfor synke ned til bunnen av glasset, mens varmt vann stiger opp. Denne sirkulasjonen gjør nedkjølingen mye raskere enn om vannet hadde ligget helt i ro. I varmt vann blir temperaturforskjellen mellom midten og kantene av glasset større, slik at sirkulasjonen blir raskere. Når den gjennomsnittlige temperaturen i glasset har nådd ti grader, er fortsatt en god del av vannet varmere, og fortsetter å drive de kraftige strømmene. Slik kan vannet i glasset fortsette å kjøles raskere enn det som ble satt inn ved ti grader.
Mpemba utenfor fryseboksen
Det fantes ingen frysebokser på Aristoteles tid, så Mpemba-effekten kan ikke være et rent fryseboksfenomen. Her i Norge har mange fått erfare at det er varmtvannsrørene som fryser først i sprengkulde. Mpemba-effekten får mye oppmerksomhet i USA for tiden, men ikke fordi amerikanerne har blitt veldig opptatt av å sette vann i fryseboksen, men fordi folk går ut i sprengkulda og kaster kokende vann opp i lufta. Vannet blir til en sky av is. Det samme skjer ikke med kaldtvann.
Når vann fryser i rør, og ikke minst når en vanndråpe blir til is i brøkdelen av et sekund, er det vanskelig å bruke sirkulasjonsmønstrene fra glasset i fryseboksen som forklaring. Er vann – bare vann?
Vannvittig rart
Vannmolekylet består av ett oksygenatom og to små hydrogenatomer som er bundet tett sammen. Hydrogenene og oksygenet ligger ikke pent på linje, men danner en slags V, med oksygenet i bunnen av vinkelen. Dette gjør at vannmolekylet er har negativ ladning på den ene siden og positiv ladning på den andre siden, som igjen gjør at vannmolekyler har en tendens til å klistre seg sammen, hydrogen mot oksygen.
I fjor kom en gruppe kinesiske forskere med en temmelig dristig forklaring på Mpemba-effekten. De mener å ha beregnet at når vann varmes opp og utvides, beveger vannmolekylene seg fra hverandre, men dette får samtidig hydrogenene til å dyttes nærmere oksygenet inne i hvert enkelt molekyl. Den svake bindingen blir lengre, men den sterke blir kortere. Den sterke bindingen er omtrent som en fjær som blir dyttet sammen. Når vannet kjøles ned, må molekylene komme nærmere hverandre igjen. Den komprimerte fjæra inne i molekylet virker da som et slags ekstra batteri som hjelper molekylene til å komme sammen og temperaturen til å gå ned. Det finurlige med denne modellen er at det skal ta ganske lang tid, flere minutter, for disse fjærene å utvides igjen. Derfor er ikke nødvendigvis vannet som var femti grader og har blitt ti akkurat det samme som vannet som startet ved ti grader. Det trenger litt tid på å nå den avslappede vanntilstanden igjen.
Dette var fryktelig vanskelig, så jeg tar det igjen. Ola, Halvor og Odd står på rekke. Ola og Halvor er oksygen og hydrogen i molekyl nummer en, og er sterkt knyttet til hverandre. Odd er oksygenet i molekyl nummer to. Halvor og Odd henger løselig sammen. Når det blir varmt i været, vil Odd og Halvor stå lengre fra hverandre, men spillets regler er sånn at dette gjør at Ola og Halvor blir dyttet nærmere hverandre, mot sin vilje. Når temperaturen går ned igjen, synes Odd og Halvor det er greit å gå litt nærmere hverandre, mens Ola dytter og dytter på Halvor for å få ham nærmere Odd. Det er denne vedvarende dyttingen fra Ola som lar vannet forandre seg raskere når det har vært varmt.
Hva er rett svar?
Vann er både spesielt og viktig, og har blitt tillagt mange ekstraordinære egenskaper opp gjennom årene, som stort sett har vist seg å være feil. Jeg er skeptisk til forklaringen over, men åpen for at den kan ha noe for seg. Det er ikke sikkert at Mpemba-effekten noen gang vil få sin endelige forklaring, og kanskje kan ikke den samme forklaringen brukes på alle situasjonene der effekten oppstår. Det er helt greit.
Skytterfisk og mannlig urinering
En veldig tynn stråle av vann har en tendens til å brytes opp til en rekke av dråper. Dette fenomenet, som skyldes at vannstrålen vil minimere overflatearealet sitt, kan du se om du prøver å få vannstrålen i springen til å bli så liten som mulig. Nå vil jeg fortelle om hvordandette fenomenet, med det gode navnet Plateau-Rayleigh ustabiliteten, spiller hovedrollen i to av årets mer fascinerende fysikkstudier.
Spyttefisken
Skytterfisken. Bilde: Wikimedia Commons
Skytterfisken lever i brakkvannsområder i tropene, der den bruker en ganske spesiell taktikk for å fange mat.
Den svømmer omkring like under vannflaten mens den ser etter insekter som sitter på gress og kvister over vannet. Når den ser et passende bytte, stikker den hodet opp og skyter ut en vannstråle. Vannet treffer insektet, som faller ned og inn i gapet til fisken, som i mellomtiden har plassert seg på riktig sted.
Forskere har undret seg over hvordan den lille fisken har kunnet spytte hardt nok til å få insektene til å falle ned, og nå har de brukt høyhastighetskamera til å finne svaret.
På vei fra fisken til insektet brytes vannstrålen opp i dråper, på grunn av den nevnte ustabiliteten. Da fisken spyttet, økte den trykket på spyttinga mot slutten. Dette gjør at det bakerste vannet går fortere enn det forrerste. Det som nærmer seg insektet er en rekke med dråper, der de bakerste hele tiden tar igjen dråpene foran og gir dem et ekstra dytt. Vannet blir mer og mer samlet og går fortere og fortere, helt til en kanonkule av vann treffer insektet med kjempekraft og sender det i munnen til den ventende jegeren.
Ikke bare ett, men to hydrodynamiske triks. For en fisk!
Urinalsøl
Når vi først er i gang med Plateau-Rayleigh ustabiliteten, er vi nødt til å ta med et annet studie som har vakt oppsikt i år. Denne gangen er det urinaldynamikk som har blitt studert med høyhastighetskamera.
En urinstråle vil, akkurat som hos spyttefisken, brytes opp i dråper etter en viss avstand. Du har kanskje lagt merke til at herretoaletter lukter verre enn dem som damene bruker? Studien viser at når strålen treffer en overflate etter at ustabiliteten har inntruffet, er det så godt som umulig å unngå søl. Moralen: Sitt og tiss? Stå veldig nær urinalet? Eller vask ofte på guttedoen. Her har forskerne samlet noen andre, vitenskapelig begrunnede råd.
Isnåler
Nå er det virkelig tiden for å se fantastiske isformasjoner ute i skogen.
I dag traff jeg ispelsens tjukke slektninger, isnålene. De oppstår på samme måte som ispels, men ikke fra greiner. Jord som er våt kan også inneholde såpass små hulrom at vannet ikke greier å fryse til is før det kommer seg ut i friluft. Siden hulrommene i jorda er større enn dem i greinene, blir resultatet et sett med tjukke, klare isnåler istedenfor den fine ispelsen.
Ispels
November er kanskje trist og grå, men den også noe helt spesielt å by på: De første frostnettene. Enkelte morgener kan man våkne opp og se at magiske ting har skjedd i løpet av natten. Ett av de aller vakreste fenomenene har jeg ikke klart å finne et navn for på norsk, så jeg kaller det ispels (svensk: håris, tysk: haareis).
Forrige mandag rakk jeg ikke T-banen fordi jeg var så opptatt med å krype rundt i buskene og ta bilder av pels.
Dette har skjedd: Greina var full av vann. Jeg har tidligere skrevet om at vann inne i trær ikke begynner å koke, fordi det ikke er plass til å danne bobler i de tynne rørene som vannet befinner seg i. Av samme grunn skal det mye til at vann inne i trær fryser til is. Hadde det ikke vært sånn, hadde det nok vært vanskelig å være tre på våre breddegrader.
Alvene danser på vannet
Eller frostrøyk, som man også kan kalle det.
Magisk, vakkert. Og ikke mindre av noen av delene selv om det kan forklares med fysikk.
Når høstnatten senker seg blir lufta fort kaldere. I vannet, derimot, er det lagret mye varme som trenger lang tid for å forsvinne.
Etter en stund er vannet varmere enn lufta rundt. Helt nede ved vannoverflaten blir lufta varmet opp av vannet. Den varme lufta stiger opp og blander seg med lufta rundt i små virvler.
Jo kaldere lufta er, jo mindre vanndamp orker den å bære på. Lufta nede ved vannflaten tar med seg mer vann enn det er plass til i den kalde lufta rundt. Når den stiger og blir avkjølt dytter den vekk vannet, som samler seg i små dråper.
Tusenvis av små dråper blir til små virvlende skyer. Alver.
Klimaendringer: Kan naturen lære oss å rydde opp?
Kalde studenter står på sprukne mantelbergarter.
Det er tydeligere enn noen gang at vi mennesker er i ferd med å gjøre noe dumt med klimaet vårt, og det store stygge trollet heter CO2. I eventyrene kunne man uskadeliggjøre troll ved å lure dem ut i sola så de ble til stein. Hadde det ikke vært fint om vi kunne gjøre noe tilsvarende med vår tids store trussel?
I går fikk jeg bli med en gjeng studenter på feltarbeid på Rørosvidda for å se på nettopp dette: Hvordan naturlige prosesser har lagret store mengder CO2 i form av fast stein. Om vi kan forstå hvordan dette foregår i naturen, kan det kanskje ta oss ett skritt nærmere å kunne lagre deler av den menneskeskapte karbondioksiden på en tilnærmet permanent og trygg måte.
Ustabil stein fra store dyp
Noen steder på jorda kan vi tråkke på stein som opprinnelig ble dannet under jordskorpa. Såkalte mantelbergarter befinner seg vanligvis dypere enn fem kilometer under havbunnen, eller noe sånt som tretti kilometer under tørt land (fordi kontinentskorpa er mye tykkere enn den på havbunnen). Noen ganger får kollisjoner mellom platene i jordskorpa stein fra mantelen til å bli løftet opp på land, og derfor kan vi finne slike steiner flere steder i Norge. Ett av dem er i nærheten av Røros.
Mineralene i disse mantelbergartene ble dannet fordi de var stabile under det høye trykket og temperaturen dypt der nede. Når stein herfra blir fraktet opp til overflaten, trives ikke mineralene så godt lengre. Når så mineralene kommer i kontakt med vann og andre stoffer som sirkulerer nær jordoverflaten, er det en god sjanse for at mineralene løses opp (som sukker i te, bare uhorvelig mye saktere) og at det felles ut nye, mer stabile faste stoffer.
Svart stein blir hvit
Svart fra mantelen, hvit fra CO2.
Steinen vi ser rundt oss har stort sett en rødlig farge, men det skyldes forvitring av overflaten. Et kyndig kakk med geologhammeren avslører at steinen på innsiden ser nesten svart ut. Noen steder er det imidlertid hvite områder innimellom det svarte. Dette er karbonater, som man også kan finne i skjell og i kritt.
Karbonatene kom ikke fra mantelen. De ble dannet da vann som inneholdt CO2 reagerte med de ustabile mineralene fra mantelen. Karbonet som er her skaper ikke drivhuseffekt. Det er låst inne i steinen.
Vi finner noen områder der steinen har blitt mer hvit enn svart. De opprinnelige mineralene ligger igjen som svarte korn i alt det hvite. Noen av kornene ser ut som om de har sprukket og blitt presset fra hverandre av det hvite stoffet. Dette kan være viktig, for sprekker er nødvendige for å få reaksjonen til å skje. Akkurat som du smuldrer opp gjæren for å løse den opp i bakebollen, er går omdanningen av steinen raskere jo mindre biter den er i, fordi vannet kommer i kontakt med mer av steinen.
Få svar, mange spørsmål
De svarte kornene er fulle av hvite sprekker.
Man kan lære mye av å observere stein, men i geologien er det ikke mange faste holdepunkter. En interessant observasjon fører til en drøss med nye spørsmål. Når skjedde disse reaksjonene? Hvor lang tid tok det? Var steinen på overflaten eller dypt nede i jorda? Hvilke stoffer fantes i vannet den reagerte med? Hadde jordskjelv fått steinen til å sprekke opp, eller skyldes noen av sprekkene reaksjonen selv? Ble alle sprekkene dannet på en gang, eller skjedde det i flere omganger?
Som grunnforsker kan man aldri forvente å finne hele svaret. Det er bare å ta tak i gåten og begynne å nøste et sted. Forhåpentligvis kommer man fram til noe som andre kan bygge videre på. Om man greier å snakke med ingeniører og andre som er interessert i å gjøre praktiske ting, er det kanskje også mulig å bruke kunnskapen til å finne løsninger, for eksempel på hva vi skal gjøre med CO2-en som vi slipper ut. Det er bare å brette opp ermene og sette i gang.
Italienske forskere lever farlig. Og litt om skummelt norsk brønnvann
Denne uken skriver jeg fra Goldschmidt-konferansen i geokjemi, i Firenze.
Forskere drapsdømt etter jordskjelv
L’Aquila etter jordskjelvet. Bilde fra Wikimedia Commons.
Det er kanskje flere av oss som husker rettssaken etter l’Aquila-jordskjelvet i 2009. I dag fikk vi historien fortalt fra professor emeritus Paolo Gasparini, en av rådgiverne til forsvarerne.
Byen L’Aquila ligger midt i et av de mest jordskjelvutsatte områdene i Italia. Små jordskjelv forekommer ofte, og statistisk sett skal et stort skjelv finne sted med 475 års mellomrom. Problemet er selvfølgelig at det ikke finnes noen gode måter å forutsi når det jordskjelv skal komme.
I januar 2009 økte jordskjelvaktiviteten, men ikke mer enn den hadde gjort flerfoldige ganger før. Etter at en tekniker ved et italiensk forskningsinstitutt hadde kommet med sitt eget varsel om et kommende stort jordskjelv (han hadde ikke vitenskapelig belegg for metoden han brukte, og ble heller ikke støttet av instituttet sitt) ble folk engstelige, og det ble satt ned en ekspertgruppe for å evaluere risikoen. Denne gruppen kunne ikke si stort mer enn at risikoen var lav (som alltid).
Seks dager senere kom det store skjelvet, og over tre hundre mennesker ble drept.
I oktober 2012 ble syv medlemmer av ekspertgruppen, hvorav en egentlig bare hadde vært der nærmest tilfeldig den dagen, dømt for uaktsomt drap på 29 personer. Disse hadde etter sigende valgt å bli værende i husene sine da jordskjelvet kom fordi de var blitt beroliget av forskernes uttalelser. Medlemmene ble dømt til seks år i fengsel og til å betale åtte millioner euro i kompensasjon til familiene.
Hva skulle forskerne ha gjort? Jordskjelv er en type naturkatastrofe der risikoen for at noe skal inntreffe er ekstremt lav, men skadene man vil få er ekstremt store. Utregninger i ettertid har vist at risikoen for et stort skjelv to timer før skjelvet var økt fra normalt 0.01 % til 0.05 %. Dette er det eneste forskerne kunne ha å kommunisere videre – forskeres rolle må være å gi et så riktig og helhetlig bilde av situasjonen som mulig, ikke å skjule deler av sannheten av frykt for virkningen det kan ha på befolkningen. Så må det være myndighetenes rolle å bruke denne informasjonen til å ta beslutningen om å evakuere eller ikke.
Etter rettssaken har man fått mye lavere terskel for evakueringer, det har blant annet vært flere episoder der barneskoler har vært evakuert etter jordskjelv som har vært rett over to på Richters skala (og det er så godt som ingen ting). Om man skal holde på sånn over tid er det ingen som hører etter i lengden.
Utarmet uran og uønskede resultater
På tirsdag fikk vi høre om en annen rettsak, som pågår akkurat nå. I Quirra på Sicilia, der det tidligere var et militært skytefelt, har lokalbefolkningen rapportert om unormalt mange tilfeller av kreft og misdannelser. Mange mener at dette skyldes bruk av utarmet uran ved skytefeltet. Geokjemikere fra Universitetet i Sienna fikk i oppgave fra forsvarsdepartementet å undersøke om det kunne finnes utarmet uran i området. De gjorde 25 000 analyser på 1500 prøver av jodr sedimenter og overflatevann, brukte metoder utviklet etter krigen i Kosovo, og fant ingen forhøyede uran-verdier.
Professor Luigi Marini er en del av forsvarsgruppen til disse forskerne, som nå er saksøkt av lokale aksjonsgrupper. I følge Luigi har aksjonsgruppen betydelig støtte fra en kjernefysiker med tilknytning til CERN. Han har kritisert forskerne for å være geokjemikere og ikke kjernefysikere.
Men altså, er det noe å saksøkes for? Og om jeg ville finne ut om jeg hadde uran i jorda i hagen min, så ville jeg nok ha prøvd geokjemikerne før kjernefysikerne.
Apropos uran
Ja apropos uran. Visste du at 30 % av norske drikkevannsbrønner har uraninnhold som ligger over grenseverdiene? Det finnes også betydelige mengder kobber og bly i en del av disse brønnene. Dette i følge Clemens Reimann fra NGU, som jeg også har hørt på denne uka. På plottene hans så det norske vannet mye skumlere ut enn alt det andre vannet han hadde tatt prøver av i Europa. Det skyldes visstnok at disse brønnene er boret i hard gneiss og granitt og at gjennomstrømmingen i dem er forholdsvis lav. Så vet vi det.
Surfe motstrøms på tidevannet
En sang på radioen satte meg tilbake til noen solfylte maidager for to år siden, da jeg satt og forberedte meg på disputas.
Det er nemlig sånn at når man skal få sin doktorgrad, så må man ikke bare forsvare selve avhandlingen. Man får også tildelt et emne som man skal forelese over, for å vise at man er en skikkelig vitenskapsperson som kan kunsten å forelese. Ti dager troppet jeg opp og fikk tildelt temaet
Tsunamis and tidal bores.
Eh, tenkte jeg. Jeg vet hva det første ordet betyr men aner ikke noe om det siste.
Heldigvis kunne min trofaste venn Google hjelpe meg. En tidal bore er en tidevannsbølge som beveger seg oppover en elv. Interessant nok ser det ut til at dette er det eneste bølgefenomenet som har navnet bore på engelsk, og i følge ordboka kommer det av det gammelnorske båra – bølge altså.
Bølge på Morecambe Bay i England. Foto: Wikimedia Commons
Forskjellen på flo og fjære varierer, som tidligere forklart, mye fra sted til sted på jorda. Noen steder kan det være flerfoldige meter. Om en elv munner ut i en traktformet bukt, der det innkommende tidevannet blir presset sammen fra sidene, kan det dannes en stor bølge som forplanter seg oppover i elva, altså mot strømmen.
Verdens høyeste flaumbåra, Quiantang-Dragen i Kina, feires med en stor festival når den er på sitt aller største i oktober. Denne bølgen kan bli opptil ni meter høy. Ni meter!! Flere menneskeliv har gått tapt opp gjennom årene når folk har blitt litt for nysgjerrige.
I sommer ble det satt rekord i langsurfing, da surfere nådde 29 kilometer oppover Petitcodiac river i Canada. I Amazonas når bølgen, kjent som Pororoca, så langt som 180 kilometer inn i landet.
På grunn av den store tidevannsforskjellen finnes det flere bårer i England og på vestkysten av Frankrike, der de kalles Mascaret. Tidligere var det faktisk en stor mascaret på Seinen. Den kunne bli over syv meter høy og reise 80 kilometer. Siden dette lagde mye krøll for skipsfarten fikk man endret på elvemunningen og gjort slutt på fenomenet. Litt synd. Jeg skulle gjerne ha reist til Frankrike for å se en syv meter høy bølge på en elv.
Og sangen? Den kan du høre her. Len deg tilbake og nyt.
Anja Røyne 