Imeline gaasimaailm

Kõikjal universumis leidub hiiglaslikke gaasi- ja tolmupilvi – need on udukogud. See on koht, kus sünnivad tähed. Raskusjõud surub gaasi ja tolmu kokku molekulideks, mis üha tihedamaks muutudes keerlevad ümber oma telje. Osa sellisest ainest võib muutuda planeetideks. Just nii tekkis viis miljardit aastat tagasi meie päikesesüsteem.

Me elame ookeani põhjas – nimelt ookeani, mis koosneb eluandvast õhust.

Keerame kella neli miljardit aastat tagasi aega, mil Maa oli tulikuum planeet. Tulikuum planeet orbiidil ümber tähe, mille nimeks on Päike. Noore planeedi pind on hakanud tahkuma ja selle ümber on õhuke õhukiht. Kuna Maa on nii raske, suudab selle raskusjõud atmosfääri kinni hoida – kõikidel planeetidel pole nii hästi vedanud.

Ülim puhtus

Paljudes laborites ja mõnes tööstusvaldkonnas on tarvis ülipuhtaid gaase – ja gaasi on võimalik toota selliselt, et miljoni gaasimolekuli hulga jääb ainult üks võõras molekul. Sellist puhtust kirjeldatakse lühendiga ppm (parts per million) = osakesi miljoni kohta.

Niisiis sündis aegade alguses väga eriline planeet. Planeedi tulikuum rauast tuum andis taevakehale tugeva magnetvälja ja näiteks seetõttu on selle atmosfäär hästi varjestatud Päikeselt tuleva pideva elektronkiirguse, niinimetatud päikesetuule vastu. Osakesed tabavad Maa atmosfääri kiirusel 1600 km/s. Magnetväli peegeldab päikesetuult ja suunab selle Maa poolustele, kus see siseneb atmosfääri ja sellest moodustuvad imelised virmalised. Päikesetuule mõju magnetväljata planeetidele on väga karm. Sellisel juhul puhutakse planeedi atmosfäär ära kosmosesse.

Alguses polnud Maa atmosfäär selline, nagu me seda tänapäeval tunneme. See sisaldas 99% lämmastikku ja vähem kui 1% hapnikku. Alles elu tekkimisega hakkasid asjad muutuma. Taimedel on Maa kujunemisel miljonite aastate jooksul olnud ainulaadne roll, sest need toodavad ohtralt hapnikku. Ühel hetkel jõudis hapniku osakaal atmosfääris isegi 35%-ni, mis oli oluliselt rohkem kui tänane 21%. Uus vastasmõju ja tasakaal ilmnes loomade tekkimisega. Loomad kasutasid hapnikku, kui varustasid taimi vastutasuks süsinikdioksiidiga.

Õhk, mida hingame

Meie hingatav õhk koosneb suures osas lämmastikust. Täpsemalt moodustab see 78,09% õhu tihedusest. Osakaalult järgmised on hapnik 20,95%, argoon (inertgaas) 0,93% ja vaid 0,03% süsinikdioksiidi. Õhk sisaldab ka vähesel määral muid gaase nagu neoon, heelium ja krüptoon.

Kui tihe on Maa atmosfäär? Sellele ei oska keegi täpset vastust anda, sest mida kaugemale Maast, seda õhemaks atmosfäär muutub, ehk teisisõnu puudub atmosfääril selge piir.

Maakera raadius on 6370 km. Atmosfäär on sellega võrreldes väga õhuke ja 99,999% õhust asetseb kõrgusel alla 100 km. Kui lendad lennukiga tavalisel liinilennul kõrgusel 10 km, siis asetseb 80% atmosfäärist sinust allpool. Astronaut kirjeldaks sulle seda järgmiselt – Maa atmosfäär meenutab õhukest nahka. Õhukest ja väga ilusat nahka.

Me elame atmosfääri põhjas, kust mõnel päeval paistab taevas selge ja sinine, teisel jälle hall. Isegi selles osas on Maa atmosfäär hämmastav – see on nii läbipaistev, et tohutu hulk eluandvat valgust suudab tungida õhumere põhjani, kus asume meie. Meres ei jõua ükski valguskiir mõnesajast meetrist sügavamale.

Gaasid

Gaasi all mõtlevad paljud enamasti maagaasi, balloonigaasi või propaani – need on gaasid, mida kasutatakse kütustena. Tegelikult tähistab sõna „gaas“ ainult aine olekut, teisisõnu ainet, mis on gaasilises olekus.

Hoolimata sellest, et õhk tundub nähtamatu, on see vägagi olemas ja pidevas liikumises. Ja kaalub palju rohkem, kui enamik inimesi arvata oskavad. Üks kuupmeeter kaalub umbes 1,2 kg. Ja tavaline elutuba sisaldab umbes 60 kg õhku.

Sõna „õhk“ kasutame me igapäevaselt. Tehnikud eelistavad seda teisiti nimetada. Nende maailmas koosneb õhk mitmesugustest gaasidest. Terminit „gaasid” kasutatakse peamiselt ainete kohta, mis on Maa pinnal olevatest tingimustest tingituna gaasilises olekus. Kõikidel ainetel on kolm olekut: Need võivad olla tahkes, vedelas või gaasilises olekus. Võtame näiteks vee, mida leidub atmosfääris nii jää, vedeliku kui ka (nähtamatu) auru kujul.

See, et tavaline õhk võib minna vedelasse olekusse, tundub paljudele tõelise võlukunstina. Kui aga kasutame nutikalt ära füüsikaseadusi, mis kehtivad ka gaasidele, on võimalik õhku piisavalt jahutada, et see vedelikuks muuta. Veel enamgi: õhku on võimalik koostisosadeks lahutada, sest gaasid, millest see koosneb, veelduvad eri temperatuuridel. Täpselt nii toodetakse õhust gaase nagu hapnik, lämmastik ja argoon.

Tähed – galaktika gaasivabrikud

Vastupidiselt sellele, mida võidakse arvata, ei koosne universumi mass suuremas osas mitte tähtedest ja planeetidest, vaid gaasidest, mis asetsevad avakosmoses tähtede ja galaktikate vahel. Universumi mass koosnes algselt 80% vesinikust ja 18% heeliumist. Maal tuntud raskemate elementide osakaal on väiksem kui 2%.

Praktikas tähendab see seda, et kui kosmoses koguda 10 tavalist aatomit, siis 9 neist oleksid vesinikuaatomid. Sellest ka nimi: „universumi ehituskivid“.

Vesinikupilvi leidub kosmoses igal pool ja need moodustavad loomuliku osa tähe elutsüklist. Väiksemad tähed suudavad toimida kuni 10 miljardit aastat, samas kui suured tähed põlevad kiiremini ja toimivad ainult mõni miljon aastat. Arvestades, et universum on umbes 15 miljardit aastat vana, võiks arvata, et tähed peaks olema juba ammu ära põlenud ja taevas nüüdseks süsimust. Õnneks sünnib lisaks vanade tähtede suremisele pidevalt uusi tähti ja oma osa selles pidevas arengus on tähtede vahel asetsevatel gaasipilvedel.
Tähed moodustuvad gaasipilvedest, mis enda raskuse all kokku vajuvad. See loob lokaalseid gaase, mis muutuvad üha tihedamaks ja seega ka kuumemaks ja kuumemaks. Kui nende kese muutub piisavalt kuumaks (>1 miljonit °C), muutuvad tuumas toimuvad protsessid tuumasünteesiks, kui vesinikutuumadest moodustub heelium, täpselt nagu vesinikupommis.

Raevukad protsessid ähvardavad gaasipilve lõhki rebida, kuid pilve gravitatsioon hoiab seda koos. Kui pilv hakkab uuesti kokku vajuma, tõuseb tuuma temperatuur ja tuumaprotsessid intensiivistuvad. See põhjustab tähe kasvamist, mille tulemusena temperatuur väheneb ja tuumaprotsessid vähenevad.
Tähe hilisemas elueas tõuseb tuuma temperatuur piisavalt, et liita heeliumi aatomeid ja muuta heeliumit rauaks.
Sarnaselt moodustub supernoovades hapnik ja lämmastik.
Iga kord, kui täht jõuab oma eluea uude faasi (ja lõpuks sureb), lenduvad selle gaasid kosmosesse, kus need
moodustavad uusi tähti.
See tähendab, et tähti võib nimetada galaktika gaasivabrikuteks, mis toodavad raskemaid elemente, millest omakorda moodustuvad püsivad planeedid ja elu – nagu Maa peal. Järgmise põlvkonna tähed sisaldavad juba mitmeid raskemaid elemente, mis tähe moodustumise ajal tsentrifuugitakse tähtede välisküljele, kus Päikesesüsteemi moodustumisel 5 miljardit aastat tagasi tekkisid nendest planeedid nagu Merkuur, Veenus, Maa ja Marss.

Tekst: Henrik Rosenørn
Foto: Linde ja Astronomibladet (DK)