Palamiseen liittyy satoja erilaisia tapahtumia, joissa molekyylit pilkkoutuvat ja radikaalit reagoivat keskenään. Ei ihme, jos tulenteko ei aina onnistu.






TEKSTI: Raimo Timonen ja Jorma Matikainen



Palamiseen liittyy satoja erilaisia tapahtumia,


joissa molekyylit pilkkoutuvat ja radikaalit reagoivat keskenään.


Ei ihme, jos tulenteko ei aina onnistu.

Julkaistu Tiede-lehdessä 3/2005

 




Kylmän uunin niksit

Syksystä kevääseen ilma on usein matalapaineella lämpimämpää kuin korkeapaineen aikana. Siksi aiemmin jäähtynyt hormi saattaa matalapaineella pysyä pitkään kylmänä, jolloin hormin ilma on ulkoilmaa raskaampaa eikä vetoa synny. Tee silloin näin:


1. Pane pesään pieni määrä tuohta tai muita hyviä sytykkeitä sekä koon mukaan 6-9 kapeaa, sälöistä halkoa. Sulje uuninluukku.


2. Aseta tuhkaluukkuun pari rypistettyä talouspaperiarkkia ja kaada niiden päälle korkillinen lamppuöljyä tai grillinsytytysnestettä. (Ei bensiiniä!) Sulje luukku.


3. Pane samanlainen talouspaperisytyke myös pieneen tuhkalapioon, joka mahtuu nuohousluukusta (nokiluukusta) sisään.


4. Avaa pellit ja nuohousluukku, työnnä lapio sytykkeineen sisään, sytytä ja anna palaa loppuun hormin lämpötilan nousun varmistamiseksi. Heti tulen sammuttua sulje luukku, avaa tuhkaluukku ja sytytä tuli sinne. Kun tuli siellä alkaa hiipua, avaa uunin suuluukku ja sytytä uuni. Tämän jälkeen sulje tuhkaluukku ja varmista uunin ilmansaanti, niin että palaminen alkaa voimistua tasaisesti.


5. Kun puut ovat lähes hiiltyneet, lisää puita uuniin.


Kun saapuu kylmillään olleelle mökille, ensimmäinen ajatus on sytyttää tuli takkaan. Se lämmittää ja tekee olon kodikkaaksi.

Kuivat sytykkeet ottavat tulta, hyvältä näyttää. Hetken päästä savu kuitenkin virtaa takaisin alas, sammuttaa liekit ja pöllähtää silmille. Yskittää, ja pitää avata ikkunat, jotta katku haihtuisi huoneesta. Miksi savu tekee näin, eikö se noudatakaan fysiikan lakeja? Senhän pitäisi ulkoilmaa lämpimämpänä kohota hormia pitkin ylös.

Palaminen ei kuitenkaan ole niin yksinkertainen asia kuin takkatulta katsellessa luulisi. Molekyylitasolla se on yllättävän monivaiheinen kemiallisten reaktioiden prosessi. Siihen voi liittyä polttoaineen mukaan jopa useita satoja erilaisia rinnakkaisia ja peräkkäisiä alkeisreaktioaskelia, joista kukin käsittää yhden reaktiotapahtuman. Näissä alkeisaskelissa suuret molekyylit pilkkoutuvat tai menettävät atomeja muodos-taen molekyylin osasia eli radikaaleja. Radikaalit reagoivat nopeasti happimolekyylien ja muiden molekyylien kanssa sekä keskenään.

Kemiallisena ilmiönä palaminen on poltettavan aineen hapettumista. Koska puu ja muut polttoaineet koostuvat enimmäkseen hiilestä ja vedystä, palaessa syntyy lopputuotteena lämmön lisäksi pääasiassa hiilidioksidia (CO2) ja vettä, pienemmässä määrin muita hapettumistuotteita kuten typen ja rikin oksideja.

Reaktioon tarvitaan hapettimia, ja niitä ovat ilman happi ja happea sisältävät molekyylin osaset eli radikaalit. Lämpötilan on oltava tarpeeksi korkea, koska muuten polttoainetta ei riittävässä määrin kaasuunnu eikä pilkkoudu pienemmiksi molekyyleiksi ja radikaaleiksi. Liian haaleassa lämmössä radikaalien määrä ei riitä hapettumisen ylläpitoon ja tuli alkaa hiipua eikä luovuta lämpöä tehokkaasti. Veto hormissa heikkenee ja tuli




Jos tuli sammuu

Jos tulipesä on täynnä halkoja ja noki-hiukkaset alkavat tunkea huoneeseen uuninluukun raoista, sulje luukut tiiviisti ja vie edellä neuvottu tuhkalapion päällä palava talouspaperisoihtu nuohousluukusta sisään varovasti, jotta se ei sammu. Hyvällä onnella veto palaa ensin savupiippuun ja sen lämmettyä riittävästi myös uuniin. Ainakin saat näin savun pois uunista ja hormeista.

Lämpö luo vetoa, veto lämpöä

Fysiikan lakien avulla voidaan kuvata aineen olomuodon muutoksia ja kulkeutumista paikasta toiseen. Uuniin tulee happea ja uunista poistuu palamistuotteita hormiin, koska lämmin palamiskaasujen seos on kevyempää kuin kylmä ilma. Se nousee siis ylös, ja uuni alkaa vetää. Kemiallisissa reaktioissa vapautuva lämpö pitää vetoa yllä. Ja toisin päin: kun veto on hyvä, hapettumisreaktiot jatkuvat ja uuni lämpenee.


Ilmassa on happea noin 21 prosenttia. Hapekkaassa ilmassa syntyvien palamiskaasujen tiheys on pienempi tai korkeintaan samaa luokkaa kuin ympäröivän ilman. Tämä johtuu siitä, että kaasuseos on ympäröivää ilmaa lämpimämpää.

Ainoa selvästi ilmaa painavampi palamisseoksen kaasu on hiili-dioksidi. Sen tiheys on 50 prosenttia suurempi kuin ilman, kun ne ovat samanlämpöisiä. Sen vuoksi hiilidioksidilla on huomattava merkitys kaasuseoksen painossa.

Jos kaikki ilman happi muuttuisi hiilidioksidiksi, syntynyt kaasuseos olisi runsaat kymmenen prosenttia ilmaa raskaampaa - edellyttäen, että ilman ja kaasuseoksen lämpötila on sama. Lämpötilan on siis noustava, jotta uuni alkaisi vetää. Teo-riassa piipun sisällön on oltava 35 astetta ulkoilmaa lämpimämpää, koska vasta tällöin hiilidioksidia sisältävästä seoksesta tulee kevyempää kuin ulkoilma.

Todellisuudessa aivan 35 asteen lämpöeroa ei tarvita, koska osa hapesta jää käyttämättä jopa hiiltä tehokkaasti poltettaessa. Lisäksi polttoaineet sisältävät useimmiten myös vetyä ja muita atomeja, joista muodostuu hiilidioksidin ohella etupäässä vettä ja jonkin verran muita yhdisteitä. Siksi palamiskaasusta tulee hieman kevyempää kuin edellä mainitussa esimerkissä. Niinpä se kohoaa ylös jo pienemmälläkin lämpötilaerolla.

Nokikin painaa savukaasua alas

Palamisessa lopputuotteet, kuten hiilidioksidi ja vesi, muodostuvat monien välivaiheiden kautta. Niitä ei kuitenkaan synny, jos palaminen heikkenee merkittävästi hapen määrän pienentyessä. Tällöin lopputuotteina on hiilimonoksidia eli häkää (CO) ja välituotteissa kasvaa kaksoissidoksisten hiilivetyradikaalien määrä.




Polta puhtaasti

Huono tulisija, märkä puu ja heikko veto aiheuttavat epätäydellistä palamista. Se lisää terveydelle haitallisia päästöjä, joista kärsivät varsinkin astmaatikot ja sydänsairaat. Puhdas ja tasainen palaminen lämmittää parhaiten.


- Käytä riittävästi sytykkeitä, jotta palaminen lähtee hyvin alkuun ja hormi lämpenee nopeasti.


- Päästöjä syntyy vähemmän, jos panet sytykkeet halkojen päälle. Tämä sytytystapa onnistuu suotuisissa oloissa.


- Käytä vain kunnolla kuivunutta polttopuuta, mieluiten ylivuotista. Kesällä kuivuminen katoksen alla vie vähintään kaksi kuukautta. Anna halkojen kuivua vielä sisällä vähintään vuorokausi.


- Varo häkää. Kun liekkejä ei enää ole ja hiillos hohtaa punaisena, voit työntää peltiä hieman sisään päin, mutta sulje se kokonaan vasta, kun hiillos on täysin sammunut.


- Säännöllinen nuohous on tärkeää paitsi paloturvallisuuden myös uunin toiminnan kannalta.

Lisää tietoa: Savumerkit, opas puun pienpolttoon.
YTV, Heli ry ja pääkaupunkiseudun ympäristökeskukset.
Ympäristö ja terveys 4/2004, www.ytv.fi


Näillä hiilivetyradikaaleilla on voimakas taipumus liittyä toisiinsa ketjuiksi ja rengasrakenteiksi. Nekin liittyvät helposti yhteen muodostaen hiukkasia. Erityisesti pienimmät, alle 0,1 mikrometrin eli alle millimetrin kymmenestuhannesosan kokoiset hiukkaset ovat vaaraksi terveydellemme, koska ne pystyvät tunkeutumaan syvälle keuhkoihin ja sitä kautta jopa verenkiertoon.

Palamisen kannalta haitalliset reaktiot kilpailevat hapettumisen kanssa ja saavat yliotteen, kun happea on liian vähän. Molekyylit ja radikaalit menettävät askel askeleelta vetyä keskinäisissä reaktioissaan. Lopulta, jollei happea ole saatavilla, paljon hiiltä sisältävät radikaalit liittyvät toisiinsa synnyttäen suuria molekyylejä. Nokihiukkaset ovat näiden suurten molekyylien muodostamia rypäitä.

Noki on lähes pelkästään hiilestä koostuvien yhdisteiden seosta. Raskaissa, rosoisissa nokihiukkasissa on paljon pintaa, johon vesihöyry voi takertua. Tarttunut vesi lisää nokihiukkasten painoa entisestään, ja noki onkin avainasemassa kääntämässä savukaasujen virtaa hormissa alaspäin.

Palamisen tuottama suuri vesihöyrymäärä tiivistyy helposti, jos lämpötila laskee nopeasti hormia ylöspäin mentäessä. Kostea palokaasu johtaa lämpöä paremmin kuin kuiva ja jäähtyykin sen tähden nopeammin. Niinpä hormin seinämiin tiivistynyt vesi käyttää savukaasun lämpöä tehokkaasti höyrystyessään takaisin kaasutilaan. Myös kaasun säteilylämpö tarttuu hanakasti hormin mustaan nokipintaan. Siksi veden tiivistymisen seinämiin luovuttama lämpö on pian käytetty, ja hormin seinämät ja savukaasu pysyvät kauan kylminä.

Jäähtyvässä kaasuvirrassa hiukkaset kasvavat nopeasti ja niiden virtaus ylös pysähtyy hidastaen koko kaasuvirtaa. Kaasuvirran happi vähenee ja ylös suuntautuva virtaus sisältää yhä kylmempiä palokaasuja ja hiukkasia, jolloin seoksen kokonaistiheys piipun sisällä tulee ulkoilman tiheyttä suuremmaksi. Hyvin alkanut palaminen hiipuu, kun uutta happea ei virtaa kulutetun tilalle pitämään lämmöntuotantoa yllä ja estämään noen muodostumista ja veden tiivistymistä.

Kun palokaasujen virtaus ylös hidastuu, hidastuvat myös palamisen reaktiot. Ja kun palaminen hiipuu, hidastuu puolestaan palokaasuvirta. Ilmiöt ruokkivat toisiaan yhä enemmän, kunnes tuli sammuu ja raskas nokinen palokaasuseos virtaa savutorvea pitkin alas pesään ja huoneeseen.

Raimo Timonen on filosofian tohtori ja lehtori Helsingin yliopiston fysikaalisen kemian laboratoriossa.


Kätevä sana on valunut moneen käyttöön.

Makea vesi kuuluu elämän perusedellytyksiin. Siksi tuntuu itsestään selvältä, että vesi-sana kuuluu suomen kielen vanhimpiin sanastokerroksiin.

Se ei kuitenkaan ole alun perin oma sana, vaan hyvin vanha laina indoeurooppalaisista kielistä, samaa juurta kuin saksan Wasser ja englannin water.

Suomensukuisissa kielissä on toinenkin vettä merkitsevä sana, jota edustaa esimerkiksi saamen čáhci, mutta sen vastine ei syystä tai toisesta ole säilynyt suomessa. Ehkäpä indoeurooppalainen tuontivesi on tuntunut muodikkaammalta ja käyttökelpoisemmalta.

Tarkemmin ajatellen vesi-sana on monimerkityksinen. Luonnon tavallisimman nesteen lisäksi se voi tarkoittaa muunkinlaisia nesteitä, kuten yhdyssanoissa hajuvesi, hiusvesi tai menovesi.

Vesiä voi erotella käsittelyn tai käyttötarkoituksen mukaan, vaikka Suomen oloissa juomavesi, kasteluvesi ja sammutusvesi ovatkin usein samaa tavaraa. Sade- ja sulamisvesistä tulee varsinkin asutuskeskuksissa viemäröitävää hulevettä. Murteissa hulevesi tarkoittaa tulvaa tai muuta väljää vettä, esimerkiksi sellaista, jota nousee sopivilla säillä jään päälle.

Luonnon osana vesi voi viitata erilaisiin vedenkokoumiin, etenkin järviin. Suomen peruskartasta löytyy satoja vesi-loppuisia paikannimiä, joista useimmat ovat vesistönnimiä, kuten Haukivesi, Hiidenvesi tai Puulavesi.

Useat vesien rannalla olevat asutuskeskukset ovat saaneet nimensä vesistön mukaan. Vesi-sana ei enää suoranaisesti viittaa veteen, kun puhutaan vaikkapa Petäjäveden kirkosta tai Ruoveden pappilasta.

Vesi-sanasta on aikojen kuluessa muodostettu valtava määrä johdoksia ja yhdyssanoja. Näistä suuri osa on vanhoja kansanomaisia murresanoja, kuten vetelä, vetinen, vetistää ja vettyä.

Vesikosta on muistona enää nimi, sillä tämä vesien äärellä ja vedessä viihtyvä näätäeläin on hävinnyt Suomesta 1900-luvun kuluessa. Myyttisiä veden asukkaita ovat olleet vetehinen ja vesu eli vesikyy, jotka mainitaan myös Kalevalassa.

Antiikista 1700-luvun loppupuolelle asti uskottiin veden olevan yksi maailman alkuaineista. Sitten selvisi, että se onkin vedyn ja hapen yhdiste. Oppitekoinen uudissana vety tuli suomen kielessä tarpeelliseksi kuitenkin vasta 1800-luvun puolimaissa, kun luonnontieteistä alettiin puhua ja kirjoittaa suomeksi.

Kaisa Häkkinen on suomen kielen emeritaprofessori Turun yliopistossa.

Julkaistu Tiede-lehden numerossa 11/2018

Hirmun anatomia on selvinnyt sääsatelliittien mikroaaltoluotaimilla. Ne näkevät pilvien läpi myrskyn ytimeen ja paljastavat ukkospatsaat, joista myrsky saa vauhtinsa. Kuva: Nasa/Trimm

Pyörivät tuulet imevät energiansa veden lämmöstä.

Trooppiset rajuilmat tappoivat vuosina 1995–2016 lähes 244 000 ihmistä, koettelivat muuten 750 miljoonaa ihmistä ja tuhosivat omaisuutta runsaan 1 000 miljardin dollarin arvosta, enemmän kuin mitkään muut mullistukset, esimerkiksi tulvat tai maanjäristykset.

Näin arvioi maailman luonnonkatastrofeja tilastoiva belgialainen Cred-tutkimuslaitos raporteissaan, joissa se laskee katastrofien pitkän aikavälin inhimillistä hintaa.

Myrskytuhot ovat panneet myrskytutkijat ahtaalle. Kaikki tahtovat tietää, mistä näitä rajuilmoja tulee. Lietsooko niitä ilmastonmuutos?

Lämpö alkaa tuntua

Näihin asti tutkijapiireissä on ollut vallalla käsitys, jonka mukaan hirmuista ei voi syyttää ilmastonmuutosta vielä kotvaan. Se alkaa voimistaa myrskyjä vasta pitkällä aikajänteellä.

Nyt hurjimpia myrskyjä on kuitenkin alettu kytkeä ilmaston lämpenemiseen. Esimerkiksi alkusyksystä 2017 Maailman ilmatieteen järjestö WMO arvioi, että lämpeneminen todennäköisesti rankensi elokuussa Houstonin hukuttaneen Harvey-myrskyn sateita.

Jotkut tutkijat ovat puhuneet kytköksistä jo vuosia.

Esimerkiksi Kerry Emanuel, Massachusettsin teknisen yliopiston myrskyspesialisti, laski 2005, Katrinan runnottua New Orleansia, että Atlantin ja Tyynenmeren myrskyt ovat nykyään 60 prosenttia voimakkaampia kuin 1970-luvulla.

Keväällä 2013 Nils Bohr -instituutin Aslak Grinsted raportoi, että lämpenemiskehitys vaikuttaa myrskyissä syntyviin tulva-aaltoihin.

Kun maapallon keskilämpötila nousee 0,4 astetta, myrskytulvien määrä tuplaantuu. Tämä rajapyykki on jo ohitettu. Kun lämpötila nousee kaksi astetta, tulvat kymmenkertaistuvat. Silloin superrajuja myrskyjä hyökyy Atlantilta joka toinen vuosi. Tähän asti niitä on nähty kerran 20 vuodessa.

Meri lämpenee otollisesti

Tärkein myrskyjä ruokkiva muutosvoima löytyy sieltä, mistä myrskyt ammentavat energiansa ja mihin ilmastonmuutoksen nähdään vaikuttavan: meriveden lämpötilasta. Se kehittyy myrskyille otolliseen suuntaan.

Esimerkiksi Meksikonlahdella, hurrikaanien voimanpesässä, on mitattu jopa pari astetta tavallista korkeampia meriveden lämpötiloja.

Kun Haiyan, yksi kaikkien aikojen kovimmista taifuuneista, marraskuussa 2013 jätti kaksi miljoonaa filippiiniläistä kodittomiksi, meri oli myrskyn syntyalueella vielä sadan metrin syvyydessä kolme astetta normaalia lämpimämpi.

Meressä tapahtuu muutakin epäedullista: pinta nousee. Se kasvattaa myrskyjen nostattamia tulva-aaltoja, jotka usein saavat aikaan pahinta tuhoa.

 

Näin hirmumyrsky kehittyy

Hirmun syntymekanismi on sama kaikkialla, vaikka nimitykset vaihtelevat. Atlantilla ja Amerikan puoleisella Tyynellämerellä puhutaan hurrikaaneista, Aasian puolella taifuuneista ja Intian valtamerellä ja Oseaniassa sykloneista. Grafiikka: Mikko Väyrynen

 

Trooppisia hirmumyrskyjä syntyy päiväntasaajan molemmin puolin 5. ja 25. leveyspiirin välillä. Päiväntasaajalla niitä ei muodostu, sillä sieltä puuttuu coriolisvoima, jota myrsky tarvitsee pyörimiseensä

Kehittyäkseen myrsky vaatii tietynlaiset olot. Suursäätilan pitää olla laajalla alueella epävakaa ja ukkossateinen ja meriveden vähintään 26 asteista 50 metrin syvyydeltä. Lisäksi tuulien pitää puhaltaa heikosti 12 kilometrin korkeuteen asti. Voimakkaissa virtauksissa myrskynpoikanen hajoaa.

1. Merestä nousee lämmintä, kosteaa ilmaa. Se kohoaa nopeas­ti ja tiivistyy ukkospilviksi, jotka kohoavat 10–15 kilometrin korkeuteen. Samalla vapautuu lämpöä, mikä ruokkii matalapainetta.

2. Fysiikan säilymislakien mukaan ylös kohoavan ilman tilalle virtaa ympäriltä korvausilmaa, jolloin ilmanpaine alueella laskee.

3. Lämpöä kohoaa ylös yhä laajemmalti, ukkospilvien jono venyy, ja ilman virtausliikkeet voimistuvat. Ilmanpaine laskee lisää, ja alueelle syntyy liikkuva matalapaineen keskus.

4. Paine-ero tuottaa voiman, joka alkaa pyörittää tuulia kiihtyvää vauhtia. Maan pyörimisliikkeestä aiheutuva coriolisvoima kiertää niitä spiraalin lailla vastapäivään kohti matalan keskusta. Kun tuulen sekuntinopeus nousee yli 33 metrin, on syntynyt trooppinen hirmumyrsky.

Hurjimmissa myrskyissä tuulen nopeus nousee 70–90 metriin sekunnissa. Pyörteen halkaisija vaihtelee puolestaan 400 kilometristä 1 000 kilometriin.

5. Myrskyn voimistuessa sen ylle muodostuu korkeapaine, joka pyörii tuulia vastaan. Laskeva ilmavirtaus kuivattaa ja lämmittää keskusta, ja se seestyy myrskynsilmäksi.

6. Silmää kiertävät tuulet sekoittavat tehokkaasti meren pintaa 50–100 metrin syvyydeltä. Kun lämmintä vettä painuu syvyyksiin ja viileää kohoaa pintaan, ”lämpövoimala” jäähtyy ja hitaasti liikkuva myrsky voi heikentyä. Nopeaan myrskyyn jarru ei ehdi vaikuttaa, ja silloin kumpuava vesi voi loppumatkasta muuttua vaaralliseksi.

7. Kun ranta lähestyy ja meri madaltuu, tuulet pakkaavat vettä myrskyn tielle tulva-aalloksi, joka syöksyy myrskyn mukana maalle tuhoisin seurauksin.

Maalle saavuttuaan myrsky laantuu, kun se ei enää saa käyttövoimaa meren lämmöstä.

 

Tuula Kinnarinen on Tiede-lehden toimitussihteeri.

Julkaistu Tiede-lehdessä 1/2014. Päivitetty 12.9.2018.