Kaasujen ihmeellinen maailma

Kaikkialla maailmankaikkeudessa esiintyy suuria kaasu- ja pölypilviä – tähtisumuja. Tähtisumu on paikka, jossa tähdet syntyvät. Siellä kaasu ja pöly kertyvät painovoiman vaikutuksesta molekyyleiksi, jotka pyörivät ympäri ja muuttuvat yhä tiiviimmiksi. Osa tästä materiasta voi muodostaa planeettoja. Näin aurinkokuntamme syntyi viisi miljardia vuotta sitten.

Elämme valtameren pohjalla – elämän mahdollistava ilmakehä

Käännetään nyt kelloa neljä miljardia vuotta taaksepäin aikaan, jolloin Maa on vielä tulikuuma planeetta. Tulikuuma planeetta, joka kiertää yhtä niistä harvoista sittemmin nimetyistä tähdistä: Aurinkoa. Nuoren planeetan pinta on alkanut jähmettyä, ja sitä ympäröi ohut ilmakerros. Tämä johtuu siitä, että Maa on niin painava, että sen painovoima pitää ilmakehän paikallaan. Kaikki planeetat eivät ole yhtä onnekkaita.

Äärimmäinen puhtaus

Monissa laboratorioissa ja joillakin teollisuuden aloilla vaaditaan äärimmäistä puhtautta. Kaasu voidaan valmistaa niin puhtaaksi, että miljoonan kaasumolekyylin joukossa on vain yksi ”vieras” molekyyli. Tätä kuvataan ppm-arvolla (parts per million, miljoonasosaa).

Tämä aikojen alussa syntynyt planeetta on kaikkinensa hyvin ainutlaatuinen. Sen tulikuuma rautasydän esimerkiksi antaa sille voimakkaan magneettikentän, joka suojaa planeetan ilmakehää Auringosta irtoavien elektronien jatkuvalta pommitukselta, niin sanotulta aurinkotuulelta. Elektronit iskeytyvät Maan ilmakehään 1 600 kilometrin sekuntinopeudella. Magneettikenttä heijastaa aurinkotuulen Maan napa-alueille, missä pommitus päättyy ja materialisoituu kauniiksi revontuliksi. Aurinkotuuli on ankara planeetoille, joilla ei ole magneettikenttää. Se puhaltaa planeetan kaasukehän pois avaruuteen.

Alussa maan ilmakehä ei ollut samanlainen kuin nykyään. Siinä oli 99 % typpeä ja alle 1 % happea. Vasta elämän ansiosta jotain alkoi tapahtua. Kasvit ovat olleet Maalle ainutlaatuisia miljoonien vuosien ajan. Ne tuottavat happea, paljon happea. Ilmakehän happipitoisuus oli yhdessä vaiheessa jopa 35 %, huomattavasti enemmän kuin tämän päivän hieman alle 21 %. Eläinten saapuminen merkitsi uutta vuorovaikutusta ja tasapainoa: eläimet käyttivät happea, mutta tuottivat kasveille vastineeksi hiilidioksidia.

Ilma, jota hengitämme

Valtaosa hengittämästämme ilmasta koostuu typestä. Tarkemmin sanoen sitä on 78,09 % ilman tiheydestä. Seuraavaksi eniten on happea, 20,95 %, ja inerttiä kaasua argonia, 0,93 %. Vain 0,03 % ilmasta on hiilidioksidia.

Ilma sisältää myös hyvin pieniä pitoisuuksia muita kaasuja, kuten neonia, heliumia ja kryptonia.

Kuinka tiheä Maan ilmakehä on? Tähän kukaan ei voi antaa tarkkaa vastausta, sillä ilmakehä ohenee sitä mukaa, mitä kauemmas Maan pinnalta liikutaan. Mitään selkeää rajaa ei ole.

Maan säde on 6 370 km. Tähän verrattuna ilmakehä on hyvin ohut. 99,999 % ilmasta on alle 100 kilometrin korkeudessa. Jos lennät tavallisessa matkustajakoneessa 10 kilometrin korkeudessa, 80 % ilmakehästä on alapuolellasi. Astronautti voisi sanoa, että Maan ilmakehä on kuin ohut iho. Ohut ja kaunis.

Me elämme ilmakehän pohjalla, mistä joinain päivinä näemme kirkkaan sinisen taivaan, toisina harmaan. Tässäkin suhteessa Maan ilmakehä on hämmästyttävä. Se on niin läpinäkyvä, että valtava määrä elämää antavaa valoa pääsee aivan ilmakehän pohjalle eli meille asti. Meressä mikään valo ei pysty yltämään muutamaa sataa metriä syvemmälle.

Kaasu

Monelle kaasu tarkoittaa lähinnä maakaasua tai nestekaasua, jotka ovat polttoaineena käytettäviä kaasuja. Tosiasiassa sana ”kaasu” kuvaa ainoastaan aineen olomuotoa, toisin sanoen sitä, että aineen olomuoto on kaasu.

Vaikka ilma vaikuttaa näkymättömältä, se on silti läsnä ja lähes aina liikkeessä. Se myös painaa paljon enemmän kuin useimmat ihmiset ajattelevat. Yksi kuutiometri painaa noin 1,2 kg. Niinpä tavallinen olohuone sisältää noin 60 kg ilmaa.

Käytämme sanaa ilma päivittäin. Asiantuntijat kutsuvat sitä mieluummin joksikin muuksi: heidän maailmassaan ilma koostuu useista kaasuista. Sanaa ”kaasu” käytetään ensisijaisesti aineista, jotka esiintyvät kaasumaisina Maan pinnalla vallitsevissa olosuhteissa. Kaikilla aineilla on kolme olomuotoa: ne voivat olla kiinteitä, nesteitä tai kaasuja. Jos ajatellaan vaikkapa vettä, se voi olla jäätä, nestettä tai (näkymätöntä) höyryä ilmakehässä.

Se, että tavallinen ilma voi muuttua nesteeksi, tuntuu monesta taikuudelta. Käyttämällä hyväksi kaasuihin päteviä fysiikan lakeja ilma voidaan jäähdyttää niin kylmäksi, että se muuttuu nesteeksi – ja vielä enemmän: ilman sisältämät kaasut voidaan erotella toisistaan, sillä ne muuttuvat nesteeksi eri lämpötiloissa. Juuri näin kaasuja, kuten happea, typpeä ja argonia, tuotetaan ohuesta ilmasta.

Tähdet – galaksien ”kaasutehtaat”

Toisin kuin moni luulisi, suurin osa maailmankaikkeuden massasta ei koostu tähdistä ja planeetoista vaan tähtien ja galaksien välissä sijaitsevista kaasuista. Alunperin maailmankaikkeuden massasta oli 80 % vetyä ja 18 % heliumia. Meidän tuntemien painavampien alkuaineiden osuus oli vain alle 2 %.

Käytännössä tämä tarkoittaa, että jos avaruudesta kerättäisiin 10 atomia, keskimäärin 9 niistä olisi vetyä. Vetyatomeita kutsutaankin maailmankaikkeuden rakennuspalikoiksi.

Vetypilviä löytyy kaikkialta taivaalta, ja nemuodostavat luonnollisen osan tähden elämää. Pienemmät tähdet voivat elää jopa 10 miljoonaa vuotta, kun taas isot tähdet palavat loppuun nopeammin ja elävät vain muutamia miljoonia vuosia. Kun otetaan huomioon, että maailmankaikkeus on noin 15 miljardia vuotta vanha, voisi helposti ajatella, että tähtien olisi pitänyt palaa jo kauan sitten loppuun, jolloin taivas olisi nyt sysimusta. Onneksi kehitys on kuitenkin jatkuvaa ja uusia tähtiä syntyy vanhojen kuollessa ja tähtien välissä sijaitsevat kaasupilvet ovat osa tätä prosessia.

Tähdet syntyvät kaasupilvistä, jotka luhistuvat oman painovoimansa johdosta. Syntyy paikallisia kaasutiivistymiä, jotka muuttuvat yhä tiheämmiksi ja tämän vuoksi myös yhä kuumemmiksi. Kun tiivistymän keskus on riittävän kuuma (>1 miljoona °C), ytimessä alkaa fuusioituminen – prosessi, jossa vety ja vety muuttuvat heliumiksi, aivan kuten vetypommissa.

Nämä rajut reaktiot uhkaavat hajottaa kaasupilven, mutta painovoima pitää sen koossa. Jos pilvi alkaa uudelleen luhistua, lämpötila ytimessä kohoaa ja ydinreaktiot lisääntyvät. Tämä saa tähden laajenemaan, jolloin lämpötila laskee ja ydinreaktiot taas vähenevät.

Myöhemmin tähden elämässä ytimen lämpötila nousee niin korkeaksi, että heliumia fuusioituu yhteen sekä raudaksi. Samalla tavalla supernovissa muodostuu happea ja typpeä. Aina, kun tähti siirtyy uuteen vaiheeseen – ja lopulta kuolee – sen kaasuja leviää avaruuteen, missä ne muodostavat alun uusille tähdille.

Tähtiä voidaankin kutsua galaksin kaasutehtaiksi. Ne luovat painavampia alkuaineita, joista muodostuu pysyvien planeettojen ja elämän perusta, aivan kuten täällä Maassa. Tähtien seuraavaan populaation kuuluukin useita painavia alkuaineita, jotka muodostuessaan ”lingotaan” Auringon kaltaisen tähden luo. Näin syntyivät sisimmät planeetat (Merkurius, Venus, Maa ja Mars), kun aurinkokunta 5 miljardia vuotta sitten muodostui.

Teksti: Henrik Rosenørn
Kuva: Linde ja Astronomibladet (DK)