Talvel võib aknast välja vaadates tekkida mitmeid täpsete mõõtmistega seotud küsimusi, millest enamik kuulub temperatuuri valdkonda. Tänavu enne jõule tekkis meil Metroserdis aga küsimus, kas on võimalik kaaluda lumehelbeid ja kui rasked need on.
Joonis 1: Tehisaru poolt genereeritud illustratsioon
Selgub, et see on uurimisprobleem, millega teadlased on juba tegelenud. Nimelt on lumehelveste massi täpne määramine oluline, et mõista, kuidas lumi mõjutab mikrolainete* hajumist atmosfääris. See on aga vajalik, et hinnata täpsemalt, kas lumesajul on mõju kaugseirele ja sideühendustele, mis on mikrolainetest sõltuvad. Seega on teatud sidevaldkondade jaoks kriitilise tähtsusega lumepilvede jääsisalduse ja saju internsiivsuse hindamine.
Kuidas siis lumehelbeid kaalutakse? Traditsiooniliselt on lumehelveste massi määratud kas käsitsi kogutud helveste sulamisvee mõõtmisel või pildistamistehnikate abil, mis hindavad helveste kogumahtu ja seostavad seda lumevee kogusisaldusega. Need meetodid on aga töömahukad ning sageli piiratud keskmiste väärtuste arvutamisega mingile valimile.
Joonis 2: Measurement report: Mass and Density of Individual Frozen Hydrometeors Karlie N. Rees, Dhiraj K. Singh, Eric R. Pardyjak , and Timothy J. Garrett
Mõne aja eest töötasid Utah ülikooli teadlased välja uuendusliku automaatse meetodi, mis mõõdab üksikute lumehelveste massi kuumutusplaadi abil. Meetod põhineb energiahulga määramisel, mis on vajalik helbe aurustamiseks, kui see puutub kokku kuumutatud alumiiniumplaadiga. Helbe mass arvutatakse kuumutusplaadi temperatuurilanguse põhjal. Esialgsed välitulemused näitavad, et seade suudab mõõta helveste massi alates 0,4 milligrammist ning registreerida järjestikuseid mõõtmisi 2–10-sekundiliste intervallidega, sõltuvalt helveste suurusest ja tuule mõjust.
Uut meetodit saab kasutada nii iseseisvalt lumetormide ajal helveste masside jaotuse uurimiseks kui ka koos kõrgresolutsiooniliste pildistamistehnikatega, et analüüsida helbe massi ja kuju samaaegselt. See metroloogiline areng võib pakkuda olulisi edusamme nii meteoroloogias kui ka kaugseires.
Lumehelbe tekkimiseks on tarvis tolmuosakest, mille külge külmas õhus kinnitub veepiisk. Selle tulemusena moodustub kuusnurkse struktuuriga jääkristall, sest sellise kuju moodustamiseks kulub kõige vähem energiat. Kui rohkem veemolekule kristallile külmub, ühinevad nad just nurkadesse ja jällegi moodustades kuusnurkse struktuuri. Kõik jääkristallid on tähtkuusnurgsed ehk heksagrammi kujulised, kuid nende kuju võib varieeruda. Nad võivad üksteisega kokku põrgata ja nii luua teistsuguse kujuga lumehelbeid. Lumehelbed võivad olla erineva suurusega, alates peaaegu silmale nähtamatutest kristallidest kuni lumehelvesteni, mille läbimõõt on 2,5 cm või rohkem. Tüüpilises väikeses jääkristallis võib olla 10¹⁸ veemolekuli, mis on hajutatud kogu kristallis. Veemolekuli mass on 2,992 × 10⁻²⁶ kg. Seega võib tüüpilise jääkristalli mass olla umbes 2,9 × 10⁻⁸ kg. Tüüpiline lumehelbeke, mis koosneb 100 jääkristallist, kaalub umbes 2,9 mg.
On öeldud, et ei ole kaht ühesugust lumehelvest. Sellised tegurid nagu suhteline õhuniiskus, tuul ja temperatuur mõjutavad iga lumehelbe kasvu selle langemise jooksul. Kristall vajab kasvu jaoks õhutingimusi, kus temperatuur ei ületa -15 °C. Need tähtkuusnurgsed kristallid kujunevad kõrgel asuvates pilvedes. Keskmisel kõrgusel asuvates pilvedes kujunevad jääkristallid nõelataolistes või lamedates tähtkuusnurgsetes vormides. Madalamatel kõrgustel asuvates pilvedes moodustub palju erinevaid tähtkuusnurgseid kujundeid. Mida madalam on temperatuur, seda teravamad on jääkristallid otstest. Kõrgematel temperatuuridel kasvavad jääkristallid aeglasemalt ja siledamalt. Kui lumehelbeke sulab, kaob selle keerukas disain ja see muutub veepiisaks.
Metroserdi massi riigietalonlaboris lumehelveste massi veel mõõdetud ei ole, sest massi riigietalonilaboris on pidevalt 20 ℃, mis ei ole lumehelvestele soodne temperatuur. Küll aga suudaksime kalibreerida Metroserdi laborites päkapikkude kaalud, et kõik lapsed jõulu ajal ikka õige koguse kommi saaksid.
*Mikrolained on elektromagnetlainete spektri osa, mille lainepikkus jääb vahemikku umbes 1 millimeeter kuni 1 meeter (sagedusvahemik 300 MHz kuni 300 GHz). Atmosfääris mängivad mikrolained olulist rolli peamiselt kaugseires ja sideühendustes.
Viited:
A Novel Technique for Automated Mass Measurements of Individual Snowflakes, Gergely, M ; Shkurko, K ; Simon, E, 2016, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2016AGUFM.A23A0177G/abstract
Measurement report: Mass and Density of Individual Frozen Hydrometeors, Karlie N. Rees ; Dhiraj K. Singh ; Eric R. Pardyjak ; and Timothy J. Garrett, 2021, https://acp.copernicus.org/articles/21/14235/2021/acp-21-14235-2021.pdf