Jää

Jää on veden kiinteä olomuoto. Jäätä esiintyy luonnonvesien jääpeitteessä (jokien ja järvien jää, merijää), lumipeitteessä, ilmakehässä ja jäätiköissä.  Luonnonoloissa vesi jäätyy heksagonaaliseen eli kuusiokulmaiseen kiderakenteeseen.

Normaalipaineessa makea vesi jäätyy 0 °C:n (273,15 K, 32 °F) lämpötilassa. Paine ja veden suolaisuus alentavat veden jäätymispistettä . Meriveden, jonka suolaisuus on 32 PSU, jäätymispiste on –1,8 °C. Itämeren vähäsuolainen murtoveden (suolaisuus 6 PSU) jäätymispiste on noin –0,3 °C:ssa . Jää on poikkeuksellinen siinä mielessä, että useimmat aineet kiinteässä olomuodossa ovat tiheämpiä kuin nesteenä. Jää kuitenkin on harvempaa kuin nestemäinen vesi.

Ainoastaan vesi jäätyy ja muodostaa jäätä. Muut aineet jähmettyvät ja muodostavat kiinteitä olomuotoja. Siitä huolimatta arkikielessä jäällä voidaan viitata muihinkin aineisiin kuin veteen. Esimerkiksi hiilidioksidi härmistyy –78,5 °C lämpötilassa kiinteäksi hiilidioksidijääksi, josta käytetään myös nimityksiä hiilihappojää tai kuivajää. Hiilidioksidijäätä käytetään jäähdytykseen monenlaisissa teollisuuden sovelluksissa.

Ominaisuudet

Jään tiheys 
Jään heksagonaalisen kiderakenteen takia, jään tiheys on noin 10 % nestemäisen veden tiheyttä pienempi, joten jää kelluu veden pinnalla. Puhtaan jään tiheys on noin 0,917 kg/dm³. Vesi siis laajenee jäätyessään tilavuudeltaan noin 10 %, joten maaperässä olevan veden jäätyminen saattaa aiheuttaa muun muassa routimista, kivien rapautumista sekä rakenteiden routahaittoja.

Jäätiköllä lumi muuttuu jääksi, kun lumen sisältämät ilmahuokoset umpeutuvat ilmakupliksi uuden lumen painosta. Tällöin lumen tiheys on noin 0,83 kg/dm³.

Alhainen kitka ja jään liukkaus 

Jäällä on useimpiin muihin kiinteisiin aineisiin verrattuna poikkeuksellisen pieni kitkakerroin, toisin sanoen jää on liukasta. Tämän on aikaisemmin selitetty johtuvan siitä tunnetusta seikasta, että korkea paine alentaa jään sulamispistettä. Oletettiin, että jään päällä olevan kappaleen paino aiheuttaisi paineen, jonka vaikutuksesta ohut kerros jään pinnalta sulaisi ja saisi kohteen liukumaan pintaa pitkin.  Esimerkiksi luistimen terän alla paine olisi niin suuri, että sen vaikutuksesta syntynyt ohut sulan veden kerros toimisi ikään kuin voiteluaineena luistimen ja jään välissä.  Tämä niin sanottu painesulamisteoria esitettiin jo 1800-luvulla. Se ei kuitenkaan selittänyt, miten luisteleminen on mahdollista silloinkin, kun jään lämpötila on alle -3,5 °C. Lisäksi vesi on öljyihin verrattuna huono voiteluaine. Kokemus on kuitenkin osoittanut, että taitoluistelun kannalta optimaalinen jään lämpötila on -5,5 °C ja jääkiekossa -9°C.

Toinen jään vähäisen kitkan selittämiseksi esitetty teoria oletti, että jään pinnalla olevat molekyylit eivät muodosta kovin vahvaa sidosta sen sisällä olevien kanssa ja että sen vuoksi ne voivat liikkua melkein kuin sulan veden molekyylit. Ne pysyisivät näin ollen puolittain nestemäisessä tilassa, joka mahdollistaisi minkä tahansa kohteen liukumisen paineesta riippumatta. Tämän teorian esitti Michael Faraday jo vuonna 1850, ja sitä tukivat havainnot siitä, miten toisiaan vasten painetut jääkappaleet jäätyvät kiinni toisiinsa, mutta yleisempää huomiota osakseen se sai vasta 1990-luvulla. Tämän teorian ovat kuitenkin kyseenalaistaneet atomivoimamikroskopian avulla suoritetut kokeet, jotka osoittavat, että jään pinnalla todella on ohut sulan veden kerros, mutta ellei jää ole lähellä sulamispistettään, tämä kerros on niin ohut, ettei sillä voi olla oleellista vaikutusta jään liukkauteen.

Kolmas teoria, kitkalämpöteoria olettaa, että jään ja sen päällä olevan kappaleen välinen kitka saa aikaan jään ohuen pintakerroksen sulamisen. Tämä teoria yksinään ei kuitenkaan selitä, miksi jää on liukasta silloinkin, kun kohde on sen päällä levossa, ja myös lämpötilan ollessa selvästi nollan alapuolella.

Kattava selitys jään pienelle kitkalle edellyttää kaikkien edellä mainittujen tekijöiden ottamista huomioon. Tämä malli mahdollistaa jään ja eri materiaalien välisen kitkakertoimen kvantitatiivisen arvioinnin lämpötilan ja liukumisnopeuden funktiona. Yleisimmissä tilanteissa, jotka liittyvät talviurheiluun tai ajoneuvojen renkaiden liukumiseen jäisellä teillä, tärkein liukkauteen vaikuttava tekijä on ohuen sulan kerroksen syntyminen jään pinnalle kitkalämmön vaikutuksesta. Jään liukkauteen vaikuttavat tekijät ovat edelleen aktiivisen tieteellisen tutkimuksen kohteena.

Jää luonnonvesissä

Merijää 
Merijää on merivedestä muodostuvaa jäätä. Merivesi jäätyy, kun se on jäähtynyt jäätymispisteeseen. Jäätymispiste riippuu meriveden suolaisuudesta. Itämerellä esiintyy merijäätä vuosittain .

Järvien jääpeite 
Makea järvivesi jäätyy, kun pintavesi on jäähtynyt jäätymispisteeseen. Järviveden jäätymispiste on noin 0 °C. Veden lämpötila vaikuttaa sen tiheyteen ja alkaessaan jäähtyä, järvivesi saavuttaa ensin tiheysmaksimin lämpötilan (noin +4 °C) (täyskierto). Jäähtymisen jatkuessa pintaveden lämpötila laskee jäätymispisteeseen ja jäätyminen alkaa .

Jokien jääpeite 
Voimakkaan virtauksen takia jokien jääolot eroavat järvi- ja merijäästä. Jokiin muodostuu suppojäätä ja jääpatoja . Jääpadot voivat aiheuttaa tulvia.

Jään merkitys eläimille 
Koska 0-asteinen vesi on kevyempää kuin 4-asteinen, alkaa vesistöjen jäätyminen veden pinnasta. Veden pinnalla oleva jää- ja lumikerros toimii eristeenä, mikä parantaa elämän mahdollisuuksia napa-alueiden vesistöissä. Talvella eläimet voivat vaeltaa laajemmalle alueelle etsimään ravintoa kantavan jään ansiosta.

Vesieliöiden on täytynyt myös sopeutua elinympäristöönsä, joka talvisin peittyy jäällä. Jääpeite vaikuttaa eri tavoin vedenalaiseen elinympäristöön, koska jääpeite 

 vähentää veden virtauksia, sillä veden lämpötila pysyy hyvinkin muuttumattomana jään alla. Tämä vaikuttaa ravinteiden ja kaasujen, esimerkiksi hapen kulkeutumiseen vedessä.
 vähentää valon läpäisykykyä jopa yli 99 %. Tämä vähentää kasvien yhteyttämistä jään alla. Yhteyttäminen jatkuu kuitenkin läpi talven.
 vähentää kaasujen vaihtoa, mikä voi aiheuttaa hapettomia alueita etenkin lähellä pohjaa. Esimerkiksi ruutana on kehittänyt erityisen kyvyn pysyä hengissä hapettomissa oloissa tuottamalla alkoholia.

Jään merkitys ihmisille  
Suomessa järvet ja meri jäätyvät tavallisesti talvella, mistä on sekä hyötyä että haittaa ihmisille. Laivaliikennettä varten on käytettävä jäänmurtajia laivaväylien tekemiseen. Toisaalta etenkin saaristossa jää mahdollistaa nopeamman ja vaivattomamman liikkumisen jääteillä.

Jään paksuus ei välttämättä kerro jään kantavuutta. Keväällä jää on erilaista kuin syksyllä, ja virtauspaikoissa on jää usein ohuempaa kuin lähellä olevassa vähemmän virtaavassa paikassa. Veden suolapitoisuus vaikuttaa myös jään kantavuuteen.

Koska veden jäätymispiste riippuu sen suolaisuudesta, voidaan hyvin kylmässä (alle 0 °C) avomeressä ajelehtivilla jäävuorilla havaita ilmiö, jossa jäävuori jättää taakseen ohuen "jäävanan", pintaan juuri muodostuneen jääkerroksen. Tämä johtuu siitä, että jäävuori on muodostunut makeasta vedestä, joka jäätyy lähempänä nollaa astetta kuin merivesi. Näin ollen mereen joutuneen jäävuoren massa pysyy jäänä, eikä sula veteen, kuten normaalisti.

Jään ja lumen alhainen kitkakerroin, toisin sanoen niiden liukkaus, mahdollistaa kaikki talviurheilulajit. Toisaalta liukkaat talvikelit ovat osasyynä moniin liikenneonnettomuuksiin ja liukastumisista aiheutuviin tapaturmiin.

Jäät ovat erityisen heikkoja syksyllä ja kevättalvella. Syksyllä jää voi olla vaarallisen heikkoa keskellä järveä, vaikka se olisi turvallista lähellä rantaa. Keväällä aurinko sulattaa jäätä nopeasti, ja aamulla kantava jää voi pettää illalla. Keskitalvella vaarallisia ovat esimerkiksi salmissa, jokien suistoissa ja niemenkärjissä olevat virtauspaikat, joissa on avantoja.

Jää- ja lumipeite vähentävät ilmaston lämpenemistä, sillä ne heijastavat auringonsäteitä takaisin avaruuteen. Tämä on yksi syy, miksi tutkijat ovat huolestuneita ilmaston lämpenemisen seurauksena häviävistä jääpeitteistä.

Jää hyötykäytössä 

Etelämantereella ja Grönlannissa olevista vanhoista jääkerroksista voidaan tutkia maapallon ilmaston muutoksia jopa kymmenien tuhansien vuosien takaa, koska lumi sulkee sisäänsä ilmakuplia puristuessaan jäätikköjääksi.

Jääkuutioita käytetään yleisesti virvoitus- tai alkoholijuomien seassa pitämään juoman nautiskeluajan kylmänä. Jäätä käytetään myös apuna urheiluvammojen ensihoidossa. Tekojää on luistinratojen pinnoitus, jonka päällä voidaan harjoittaa luistelulajeja.

Ennen jääkaappien, pakastinten ja muiden kylmälaitteiden yleistymistä jäätä kerättiin muun muassa Suomessa talvisin etenkin karjatalouden käyttöön, lypsetyn maidon jäähdyttämiseksi paremman säilyvyyden vuoksi. Vesistöjen jäätä sahattiin kevättalvella määrämittaisiksi kuutioiksi, jotka nostettiin ja kuljetettiin hevosreellä varastoon varjoisaan ja viileään paikkaan lähelle maatilan maitokeittiötä. Halvin tapa säilyttää jäätä oli sahanpurujen, sammalen tms. peittämä kasa, mutta jäätä varten saatettiin rakentaa erityinen jäähuone tai jääkellari, maakellari varjoisaan pohjoisrinteeseen. Tasakokoisten, suorakulmaisten jääpalojen välit tiivistettiin lumella, sahanpuruilla, mudalla tai muulla sellaisella, ettei lämmin ilma pääse sulattamaan jäävarastoa. Varhaisimmat jääkaapitkin perustuivat sähkö- tai kaasuenergian sijaan elintarvikkeiden lähelle omiin osastoihinsa asetettuihin jääpaloihin. Nykyaikainen versio tästä ovat kylmälaukkujen pakastimessa jäädytettävät, muovikuoriset ”kylmäkallet”. Jäädyttämöistä kuljetettua jäätä käytetään monissa lämpimissä maissa yhä tuoreen kalan tai muiden herkkien elintarvikkeiden säilyttämiseen esimerkiksi toreilla.

Jään nimityksiä 
Riite: ohut jää
Roukko: jääröykkiö rannalla
Komojää: "ontto" jääpeite, jonka alta vesi on laskenut
Teräsjää. tiivistä, hyvin nopeasti jäätynyttä kiinteää jäätä, tiheys 0,95 luokkaa. Jäässä vähän ilmakuplia, hyvä kantavuus
Kohvajää: Osittain sulaneen lumen kanssa jäätynyttä, kantavuus heikkoa

Katso myös 
 Avanto
 Ahtojää
 Ajojää
 Pohjoisnapa
 Etelänapa

Lähteet

Aiheesta muualla 

 Ilmatieteen laitoksen jäätilanne, -kartat ja -tiedotteet Itämerelle
 Jäällä liikkuminen (sisältää tietoa jäästä, sen syntymisestä ja heikkenemisestä) 
 Engineeringtoolbox: Ice - Thermal Properties, Thermal and thermodynamic properties of ice - density, thermal conductivity and specific heat at temperatures from 0 to -100 oC 
 Mäntykangas, Markus: Jäät lähtevät, tunnistatko eri jäätyypit
 Rautiainen, Miina: Tutkijat löysivät jään 18. muodon – kuin jäistä hattaraa, Tekniikka ja talous

Meritiede
Seulonnan keskeiset artikkelit