Sisävesistöt, lumi ja jää

FY14 Geofysiikka

Järvien kerroksellisuus

  • Kesällä järvien vesi on yleensä suoraan kerrostunutta
    • Lämpimin vesi pinnalla, veden lämpötila laskee mentäessä alaspäin
    • Matalissa vesissä kerrostumista ei pääse syntymään        tuuli sekoittaa vettä
    • Päällysvesi on tasalämpöistä ja erottuu termokliinin rajaamasta alusvedestä
  • Syksyllä veden viilentyessä tapahtuu täyskierto
    • Järven vesi sekoittuu läpikotaisin        kerrostuneisuus poistuu
    • Kierron alkaessa veden lämpötila on noin +10 °C ja lopussa +4 °C
  • Talvella kerrostuneisuus on kesään nähden käänteinen
    • Jään lähellä kylmintä (0...+2 °C) ja syvällä lämpimämpää (+3...+4 °C)
  • Keväällä vesi lämpenee, saavuttaa +4 °C:n lämpötilan
    • Pystyvirtaukset sekoittavat veden koko vesialtaassa

Kuva: Wikipedia CC0

Virtaus

  • Samaan suuntaan puhaltava tuuli voi saada veden liikkeelle syntyy virtaus
    • Virtauksia synnyttävät lisäksi jokien purkautuminen järveen tai veden lämpötilan muutokset
  • Virtaukset voivat olla laminaarisia eli yhdensuuntaisia tai turbulenttisia eli pyörteisiä
    • Järvissä usein turbulenttista
    • Vesi sekoittuu, ja lämpö ja kaasut jakautuvat tasaisesti päällysveteen
  • Virtauksiin vaikuttavat Coriolis-ilmiö ja erittäin suurissa järvissä vuorovesi-ilmiö
    • Syvyyden kasvaessa virtausnopeus heikkenee        Ekman-spiraali

Kuva: Wikimedia BY-SA 4.0

Reynoldsin luku

Laminaarinen virtaus

Jokivesien virtaus

  • Joissa virtaus on yleensä avouomavirtaus
    • Vedenpinta on avoin, virtauksen aiheuttaa painovoima
  • Veden virtauksen mallintamiseen voidaan hyödyntää Bernoullin yhtälöä               

 

 

 

 

 

  • Yhtälön perusteella veden virtausnopeus kasvaa, kun vesi joutuu kapeikkoon
  • Luonnonvesissä uoman geometria vaihtelee, joten virtauksen täsmällinen tarkastelu on vaikeaa
(p_h - p_0) + \frac{1}{2} \rho v^2 + \rho g h = \text {vakio}

Paineen tekemä työ

Liike-energian tiheys

Potentiaali- energian tiheys

Hiukkasen liikerataa pitkin

Bernoullin yhtälö selitettynä

Lumi ja jää

  • Kryosfääri on veden kiinteän olomuodon eli lumen ja jään vaippa maapallolla
  • Maapallon vesivaroista 2,1 % on jäisessä muodossa
    • Jään määrässä tapahtuu sekä vuodenaikaisia että pitkän aikavälin muutoksia
Maapallon jäät ‰
Jäätiköt 989,5
Makean veden jää 8,3
Merijää 1,4
Lumipeite 0,4
Jäävuoret meressä 0,3
Ilmakehän jääkiteet 0,1
Tilavuus (10^12 m³) Uusiutuminen (10^12 m³/a) Pinta-ala (10⁶ km²)
Jäätiköt 24 000 2,5 15
Jäävuoret 7,6 1,9 -
Merijää 35 33 25
Lumi 11 25 20
Routa + järvet ja joet 350 6,5 -
Ilmakehän jää 1,7 390 -

Veden jäätyminen

  • Vesihöyry härmistyy herkemmin jääpintaan kuin tiivistyy vesipintaan
    • Vesihöyryn kyllästyspaine on pienempi jää- kuin vesipinnan yllä
  • Puhtaan veden jäätymispiste on yhden ilmakehän paineessa 0 °C
  • Jäätyminen alkaa kiteytymisytimistä
    • Jos tällaisia ei ole paljon, vesi alijäähtyy
    • Luonnonvesissä alijäähtyminen on korkeintaan n. 1 °C, mutta pilvissä voi olla nestepisaroita aina noin –30 °C:n lämpötilassa
  • Paine alentaa jäätymispistettä määrän

 

 

  • Laimeissa liuoksissa jäätymispiste alenee liuoksen väkevyyden C myötä lähes lineaarisesti
\Delta T \approx 7,4 \cdot 10^{-3} \ \frac{p}{\text {bar}}\degree \text C
\Delta T \approx C \cdot 55 \degree \text C

Jää

  • Luonnonoloissa esiintyvä jää on kiderakenteeltaan heksagonaalista tyyppiä "Jää I"
    • Veden jäätyessä molekyylit ryhmittyvät tetraedrikuvioon
    • Tetraedrit muodostavat toistuvan kuusikulmioisen rakenteen
    • Kuusiokulmiorakenne ilmenee esim. lumihiutaleiden muodoissa
    • Kiteiden välissä voi olla epäpuhtauksia (kaasukuplia, suolaliuos-taskuja, likaa ja orgaanisia aineksia)
  • Heksagonaalinen jääkidehila on harva pakkaus
    • Tiheys pienempi kuin veden (917 kg/m³, 0 °C)        jää kelluu vedessä
    • Suuret paineet tilavuuden kasvaessa
  • Mekaanisesti jää käyttäytyy eri tavalla eri olosuhteissa: elastisesti, viskoosisesti tai plastisesti
  • Termofysikaaliset ominaisuudet riippuvat jään rakenteesta ja lämpötilasta
    • Yleensä heikkoja, paitsi albedo ja säteilyn läpäisykyky

Kuva: Caltech

Lumikiteet

  • Lumi on ilman ja jäätyneen veden muodostamaa haurasta kudelmaa
    • Oma sisäinen rakenne ja fysikaaliset ominaisuudet
    • Ilma pääsee kulkemaan lumessa        tehokas eriste
  • Eri aikaan ja eri oloissa satava lumi on vaihtelevaa, ja maassa olevaa lunta on monenlaista
    • Yksittäiset lumikiteet erilaisia, hangen profiili eri paikoissa ja eri aikoina erilainen
  • LaChapellen lumiluokituksessa kidemuotoja on 7 päätyyppiä

Kuva: Wikipedia CC0

1. Levykide

2. Tähtikide

3. Pylväskide

4. Jääneulanen

5. Pensaskide

6. Pylväs + päätylevy

7. Epäsäännöllinen kide

Lumirae on osittain sulanut lumihiutale, räntärae jäätynyt räntäpisara ja (jää)rae jäätynyt vesipisara

Lumen metamorfoosi

  • Ilmasta lumipeite saa uutta lumimassaa, lämpöä ja kosteutta, myös alustan kanssa tapahtuu lämmönvaihtoa
  • Lumirakeet pyöristyvät ja sitoutuvat toisiinsa
    • Väliin muodostuu jääsiltoja vesihöyryn tiivistyessä
    • Sitoutunutta lumipeitettä tuuli ei enää pysty hyvin nostamaan (esim. lumen auraus vaatii enemmän tehoa)
    • Yksittäisten lumikiteiden muutos muuttaa koko hangen rakennetta (kovuutta, tiheyttä, lämmönjohtavuutta)
  • Sulamismetamorfoosi ilmenee sulamis-uudelleenjäätymis-prosesseina
  • Lumipeitteen sisällä lämpöä siirtyy eri tavoin
    • Molekyläärinen lämmönjohtuminen lumirakeissa
    • Ilman ja vesihöyryn diffuusio
    • Sade ja sulavesi
    • Säteilyn tunkeutuminen lumeen

Kuvat: Avalanche.org

Lumen vesiarvo

  • Ilmaisee kuinka paksua vesikerrosta lumi vastaa sulatettuna
    • Esim. 1 m vastasatanutta lunta on jokseenkin 100 mm:n vesikerroksen paksuinen eli lumikuormana 100 kg/m²
  • Vesiarvon tunteminen on tärkeää
    • Tulvaennusteet
    • Voimatalouden säännöstelysuunnitelmat
    • Lumikuormat rakennusten katoilla
Jään ja lumen tiheyksiä kg/m³
Uusi kuiva lumi 50–70
Uusi kostea lumi 100–200
Vanha lumi 200–300
Kohva 400–830
Sohjo 700–800
Jäätikkö 830–910
Puhdas vesi 1000

Lumivyöryt

  • Lumimassan äkillinen purkaus rinnettä alaspäin
  • Kaltevalla rinteellä lepäävään lumimassaan vaikuttaa painovoima
    • Rinteen suuntainen komponentti, leikkausvoima τ, pyrkii liu'uttamaan lumimassaa alaspäin
    • Jos leikkausvoima on suurempi kuin lumen leikkauslujuus τ0 eli                        , lumivyöry käynnistyy

 

 

  • Esiintyy jyrkillä rinteillä (30–45°), joilla lumen sadanta on suuri
    • Sadanta ei yleensä ole loiville rinteille riittävän suurta ja jyrkemmillä rinteillä lumi ei pysy, vaan purkautuu minivyöryinä
    • Suomen tunturien rinteet ovat loivia        hyvin vähän lumivyöryjä
  • Lumen paksuutta tulee olla vähintään 10–100 cm rinteen pinnan karkeudesta riippuen
  • Lumen lujuus muuttuu lumen metamorfoosiprosesseissa

Ilmatieteen laitoksen lumivyöryennuste

G = \rho_{\text {lumi}} gh
\tau = \rho_{\text {lumi}} gh \sin \alpha
\tau > \tau_0

Pinta-alayksikköä kohti:

Lumivyörytyypit

Jäätiköt

  • 10 % maapallon maa-alasta, kvasi-pysyviä maapallon topografisia piirteitä
  • Vaikuttavat maanpinnan muotoihin kuluttamalla, kuljettamalla ja kasaamalla ainesta
  • Painavat alustaansa niin suurella voimalla, niin että maankuori vajoaa (isostasia palauttaa)
  • Suuri vaikutus maapallon vesi- ja säteilytaseeseen
    • Merenpinnan korkeus riippuu jääksi sitoutuneen veden määrästä
    • Lumi ja jää heijastavat hyvin Auringon säteilyä (suuri albedo), jolloin säteilyn absorptio vähenee
  • Jääkairauksilla voidaan saada tietoa menneiden aikojen ilmasto-oloista
    • Tutkitaan jäästä otettujen huokostilojen sisältämän ilman koostumusta (esim. CO2 viimeiset 800 000 a)

Jäätikön muodostuminen

  • Jäätikköä syntyy, jos talven aikana satanut lumi ei ehdi kesän aikana sulaa (ylivuotinen lumi)
    • Jäätikön kertymä- eli akkumulaatioalueella lunta muuntuu jääksi mekaanisen ja termisen metamorfoosin vuoksi
    • Jäätikön reunassa on poistumis- eli ablaatioalue
    • Akkumulaatio- ja ablaatioalueiden rajalla kulkee ns. tasapainolinja
  • Jäätikön muodostuksen ja massatasapainon ratkaisee jään kasautumisen ja vähenemisen suhde
    • Jäätikköä kartuttavat satava lumi ja ilmasta tiivistyvä vesihöyry
    • Jäätikköä vähentävät sulaminen, sublimoituminen ja lohkeaminen
    • Jos väheneminen on runsaampaa kuin jäänmuodostus, jäätikkö supistuu
  • Jään päätyreuna saattaa oskilloida eli vuoroin edetä, vuoroin perääntyä kulloisenkin massatasapainon mukaan

Kuva: Geology.com

Erilaisia jäätiköitä

  • Karkeasti kaksi pääryhmää: laaksojäätiköt ja mannerjäätiköt
  • Laaksojäätiköt ovat vuoristojen kylmissä oloissa muodostuneita (kilometrien mittaisia) jäävirtoja
    • Kuluttaessaan alustaansa ne synnyttävät U- eli ruuhilaaksoja, riippuvia laaksoja ja mereen ulottuessaan vuonoja
  • Mannerjäätiköt ovat laaksojäätiköitä suurempia, hyvin hidasliikkeisiä ja paksuja jäätiköitä
    • Antarktiksen ja Grönlannin jäätiköt
  • Mannerjäätiköiden edustan meressä kelluvia reunaosia kutsutaan lauttajäätiköiksi eli selfijäätiköiksi
    • Näistä voi irrota suunnattoman suuria, pinnaltaan tasaisia jääsaaria tai -vuoria

Jäätikön liikkeet

  • Kun jäätikkö on kymmeniä metrejä paksu, se voi alkaa liukua alas
    • Jään paksuuntuessa sen alimmat kerrokset muuttuvat vähitellen plastisiksi mm. suuren paineen vaikutuksesta        käyttäytyy jähmeän nesteen tavoin
  • Liiketapa ja -nopeus riippuvat jään paksuudesta, alustan kaltevuudesta ja muodosta sekä jäätikön lämpötaloudesta
  • Jään liikenopeus vaihtelee jäätikön sisällä
    • Laidoilla ja pohjalla kitka jarruttaa nopeutta
    • Yläpinnan keskiosat etenevät nopeammin (jäävirrat)
  • Kun jäävirta työntyy nopeina virtauksina kielekkeenomaisesti ulospäin, syntyy purkuvirtoja, joiden kautta jää levittäytyy ympäröiville alueille
    • Saattaa kestää useita vuosia
  • Liikenopeus yleensä 1–10 m/a, mutta jäävirrat voivat edetä tuhatkertaisella nopeudella (purkuvirta jopa 100 m/vrk)

Järvien jääpeite

  • Syksyllä täyskierron jälkeen +3,98-asteinen vesi painuu pohjalle ja kylmempi vesi jää lähelle pintaa
  • Pintavesi voi alijäähtyä hieman ennen jään kiteytymistä
  • Staattinen jäänmuodostus:
    • Aluksi muodostuu horisontaalinen jääkideverkko, joka kasvaa umpeen levymäisistä kiteistä rakentuvien osasten avulla
    • Ensijään muodostumisen jälkeen jääkerros kasvaa alaspäin
    • Alusjäätä syntyy jäänalaisesta vesikerroksesta pylväskiteisinä rakenteina        teräsjää
    • Runsaan lumen paino jään päällä voi aiheuttaa veden työntymistä jäälle        kohvajää (teräsjäätä heikompaa)
  • Jää sulaa, kun siihen siirtyy lämpöä Auringosta, ilmasta tai vedestä
    • Aurinko sulattaa myös sisältä, ilma ja vesi vain rajapinnoilta
    • Yläpinnalta sulaa ensin lumi, sitten jää

Kuva: seagrant.umn.edu

Jään suurin paksuus Lapissa n. 1 m, etelässä n. 0,5 m

Jokien jääpeite

  • Turbulenttisten virtausten takia joessa ei pääse syntymään järville tyypillistä selvää lämpökerrostuneisuutta
    • Joen koko vesimassan on viilennyttävä tarpeeksi ennen kuin jäätymistä voi tapahtua
  • Jokiveden kiteet ovat tavallisesti pieniä ja ne liittyvät toisiinsa satunnaisesti
  • Joessa syntyy herkästi suppoa eli hyydettä (dynaaminen jäänmuodostus)
    • Vesi on alijäähtyneessä tilassa, mutta virtaus estää raemaisten jääkiteiden kiinnittymisen toisiinsa
    • Jäätyessään kiinni kiviin tai vesikasveihin suppo voi kasvattaa jäätä pohjasta
  • Jääpeite voi rikkoutua ja lähteä virran mukana ajelehtimaan
    • Jokien ahtoutuminen ja jääpadot

Kuva: Wikipedia CC BY-SA 4.0

Merijää

  • Merijäälle on erityisesti tärkeätä kaksi asiaa
    • Merijää ajelehtii (liikkuu tuulten ja virtausten mukana)
    • Merijään muodostuminen ja sulaminen vaikuttavat suolataseeseen ja pintakerroksen stabiliteettiin
  • Voidaan karkeasti luokitella kiintojäähän ja ajojäähän
    • Kiintojää on ehyttä ja yleensä lähes tasaista rantoja verhoavaa jäätä
    • Ajojää on rikkonaista ja epätasaista liikkuvaa jäätä
  • Ajelehtiessaan matalikkoja ja kareja vasten jää voi työntyä korkeiksi ahtojäävalleiksi
    • Jäävallit (rovat) saattavat olla kymmeniä metrejä korkeita
    • Voivat ulottua syvälle veden alle, rannikon läheisyydessä yleensä pohjaan saakka

Kuva: Wikipedia CC BY-SA 3.0

Merten jääpeite

  • Merijää syntyy vedessä kelluvista jääkiteistä, jotka kasvavat lopulta yhteen
    • Merivesi ei alijäähdy
    • Alussa pienet lautat hankaavat toisiaan vasten, tämän jälkeen muodostuu yhtenäinen jääkansi, joka kasvaa paksuutta alapinnasta
  • Meriveden jäätyessä suolaliuosta kulkeutuu jään sisälle suolataskuihin
    • Kasvattaa sulan veden suolapitoisuutta        tiheys kasvaa
    • Kun jää kylmenee, suolat kiteytyvät taskuissa
    • Suolataskujen takia merijää on hauraampaa kuin suolattomien vesien jää
    • Uuden jään suolapitoisuus (10–20 ‰) selvästi korkeampi kuin monivuotisen jään        suolaa valuu jään sisältä pois lähinnä kesäisin

Jäävuoret

  • Mereen ulottuvista jäätiköistä lohjenneita kappaleita
    • Jäävuoria tuottavat lähinnä Etelämantereen ja Grönlannin mannerjäätiköt
  • Alkuperänsä takia jäävuorten paksuus (~ 100 m) on eri suuruusluokkaa kuin merijään (~ 3–5 m)
d = \frac{\rho_{jää}}{\rho_{vesi}} = \frac{920 \ \text {kg/m}^3}{1030 \ \text {kg/m}^3} \approx 89 \ \%

Kuva: Pixabay CC0

  • Jäävuoret ajelehtivat merivirtojen mukana matalammille leveysasteille        hajoavat ja sulavat
    • Avovedessä sulaminen kiihtyy lisääntyneen Auringon säteilyn takia sekä mekaanisen hajoamisen vuoksi (aallokko ja turbulenssi)
  • Jäävuoret ovat lumesta puristunutta jäätä, jossa ilmakuplia 2–7 %
    • Tiheys riippuu ilmakuplien määrästä
  • Arkhimedeen lain mukaan jäävuoren vedenalainen osa koko jäävuoresta on

Jääpeitteen merkitys

  • Jääpeite modifioi energian ja aineen vaihtoa ilmakehän ja vesien välillä
    • Toimii eristeenä: pysäyttää veden jäähtymisen jäätymispisteeseen ja hidastaa lämmön siirtoa vedestä ilmakehään
    • Tuulen liike-energia siirtyy talvella veteen jään välityksellä         kiinteällä jääpeitteellä energian siirto estyy
    • Vaikuttaa puskurin tavoin ilman ja veden väliseen aineen vaihtoon         matalissa järvissä aiheutta happikatoa
  • Vähentää valon tunkeutumista veteen, vaikuttaa Maan albedoon
  • Varastoi suolatonta vettä ja väkevöittää merivettä
    • ​Tihentynyt merivesi synnyttää pystyvirtauksia (ml. termohaliinikierto)
  • Ahtojäät kuluttavat rantoja, liikuttavat hyvinkin suuria kivenlohkareita ja vaikeuttavat merenkulkua
  • Jokien mereen tuoma suolaton vesi jää kellumaan jään alle suolaisen veden päälle
    • Vaikuttaa mm. eliölajien levinneisyyteen

Routa

  • Kun maan sisällä oleva vesi jäätyy maahiukkasten lomaan, maan sanotaan routaantuvan
  • Syntynyt routa liikuttaa maata, koska vesi laajenee jäätyessään
    • Siirtää ja rikkoo rakenteita, katkoo kasvien juuria ja nostaa moreenimailla kiviä pellon pintaan
    • Parantaa myös maan kantavuutta (metsänkorjuu helpottuu)
  • Alueilla, joilla maa ei ehdi kesän aikana sulaa, on ikiroutaa
    • Siperia, napa-alueiden tuntumat sekä kylmät, mutta vähälumiset vuoristoalueet
    • Ikiroudan sulaminen vapauttaa metaania                       (metaaniklatraatit)

Kuva: Wikipedia CC0

YO K20 T3 Merenpinnan nousu

Maapallon valtameret lämpenevät ilmastonmuutoksen seurauksena. Tämä aiheuttaa merenpinnan nousua, joka 2000-luvulla on ollut suuruudeltaan noin 3 millimetriä vuodessa. Yksi syy merenpinnan nousuun on veden lämpölaajeneminen.

 

Merien vuodessa keräämän lämpömäärän on arvioitu olevan noin 1,3 ⋅ 10²² J. Kuinka paljon merien keskimääräinen lämpötila kohoaa vuodessa? Entä kuinka suuri on lämpölaajenemisen aiheuttama merenpinnan korkeuden muutos vuodessa? Meriveden ominaisuudet riippuvat paineesta, lämpötilasta sekä suolapitoisuudesta, joten käytetään taulukossa 3.A annettuja, keskiarvoistettuja arvoja.

Esimerkki 1

a) Kuinka paljon merenpinta nousee, jos jäätiköt sulavat? Jäätiköiden kokonaistilavuus on                       . Valtamerten pinta-ala on

                         . 

b) Kuinka paljon merenpinta nousee, jos merten keskilämpötila nousee 1 °C? Tilavuuden lämpölaajenemiskerroin on                        .

BONUS: Kuinka paljon merenpinta nousee, jos merijää sulaa? Meret peittävät 71 % maapallon pinnasta ja meristä 7 % on jäässä, jään keskipaksuus on 2 m ja tiheys 90 % veden tiheydestä.

24 \cdot 10^{15} \ \text m^3
2 \cdot 10^{-4} \ 1 / \text K
3,6 \cdot 10^{14} \ \text {km}^2

Sisävesistöt, lumi ja jää

By pauliinak

Sisävesistöt, lumi ja jää

FY14 Geofysiikka

  • 197

More from pauliinak