Lumen fysiikka. Onni Järvinen

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Lumen fysiikka. Onni Järvinen"

Jaana Kyllönen
7 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Lumen fysiikka Onni Järvinen

2 Kirjallisuutta IACS (2009): The international classification for seasonal snow on the ground (internetissä saatavissa pdfmuodossa) D. McClung (2006): The Avalanche Handbook E. LaChapelle (1969): Field guide to snow crystals (International Glaciological Society julkaisija)

3 Internet Kuvia ja tietoa lumikiteistä: Termistöä: Hakusanoja: snow crystal, snow grain, snow metamorphism, avalanche, snow pit, snowpack

4 Yleistä Lumi muodostuu pilvissä ja laskeutuu maahan huokoisena vaippana Kaasut läpäisevät Metamorfoosi 0 C asteessa lumi/jää voi esiintyä kiinteänä, nestemäisenä (vesi) tai kaasuna Ylivuotinen lumi [firn]

5 Lumen synty Lumi muodostuu pilvissä 99% Suomessa syntyvistä sateista alkaa lumena (sulaa matkalla vedeksi). Jäätymisytimet välttämättömiä lumikiteen syntymiselle. Lumikide [snow crystal/grain] muodostuu pilven sisällä Ilmassa oleva lumi luokitellaan 10 eri pääluokkaan.

6 Lumikiteen kasvumekanistmit A) Kaasun siirtyminen vesipisaroista lumikiteeseen [hoar = kuura] B) Vesipisaroiden tarttuminen lumikiteeseen [huurre=rime]

7 Lumikiteiden muoto pilvissä

8 Lumikiteiden luokitus ilmassa 8-sakaraisia lumihiutaleita ei ole olemassa

9 Mittausmenetelmät Sadanta Lumen paksuus, tiheys ja vesiarvo Hienorakenne

10 Sadanta Vaikea lumen turbulenssin takia Suomessa Tretjakov-malli, säleiköllä ympäröity sademittari Mittarit yleensä aliarvioivat lumisateen määrän

11 Lumen paksuus ja tiheys Lumilinjat Lumiasemat Mittasauvat Lumipuntari Vesiarvo [SWE = snow water equivalent]: gammasäteilymittaus lentokoneesta

12 Lumen tiheys (g/cm³) Uusi lumi kk Tuulen pakkaama Märkä Ylivuotinen [Jää ]

13 Hienorakenne: lumikuoppa Finnarp 2009

14 Hienorakenteen havainnot Tiheys Lämpötila Kidekoko ja tyyppi Kovuus Nestemäisen veden määrä Epäpuhtaudet

15 Lumikiteiden kuvaaminen

16 Metamorfoosi LUMIPEITE ELÄÄ SISÄISESTI Lämmönjohtuminen lumessa Lämmön kulkeutuminen (kaasut) Materian siirto (vesihöyryn diffuusio sekä höyrystyminen ja härmistyminen) Sade ja sulavesi Auringon säteily

17 Metamorfoosilajit Hajottava metamorfoosi [destructive] Mekaaninen [mechanical] Tasalämpöinen [equitemperature] Rakentava metamorfoosi [constructive] Lämpötilagradientin ajama metamorfoosi [temperature gradient] Sulamis-jäätymismetamorfoosi [melt-freeze]

18 Hajottava metamorfoosi Mekaaninen metamorfoosi Tuulen pakkaaminen, lumen paino Tuuli kuluttaa kiteitä pyöristyminen Tasalämpöinen metamorfoosi [equitemperature] Rakeiden sidostuminen (vesihöyryn liikkuminen ja sintraus [sintering]) kiteet pyöristyvät Yhdellä lauseella: Heikosti sitoutuneet uuden lumen kiteet muuttuvat pyöristyneiksi ja lujasti sitoutuneiksi rakeiksi Lisää lumen tiheyttä ja lujuutta

19 Hajottava metamorfoosi

20 Lumikiteiden sidostuminen Vesihöyryn paine-erot kasvattaa siltoja kiteiden väliin: kupera vs. kovera pinta HO 2 Tehokkuus riippuu lämpötilasta sekä kiteiden muodosta ja koosta HO 2 HO 2 Bond Bond Aikaskaala: päiviä

21 Lumikiteiden sidostuminen - sintraus Sintrauksessa kiteet muodostavat liitoksia ilman että ainesta siirtyy vesihöyryn mukana Kyseessä on kosketuspintojen välinen diffuusio Aikaskaala: jopa minuuteissa Ei vielä tunneta täysin

22 Rakentava metamorfoosi Lämpötilagradientin ajama metamorfoosi [temperature gradient] Muuttaa pyöristyneet rakeet tahkokkaisiksi kiteiksi, lopulta kuppimaiseksi syväkuuraksi Tehoaa myös jäälinsseihin ja uusiin kiteisiin Kiteiden kasvu aiheutuu lämpötilaerosta lumen pohjan ja pinnan välillä Lämpötilaero aiheuttaa vesihöyrynpaineen eron pohjan ja pinnan välillä Vesihöyry liikkuu alempaan paineeseen

23 Rakentava metamorfoosi Vaatii kyllin alhaisen lämpötilan ja ohuen lumipeitteen Aikaskaala: viikkoja Syväkuurakerros [depth hoar] usein hangen heikoimpia kerroksia: voi olla lumivyöryn alkukohta Ei vaikuta paljon tiheyteen, mutta vähentää hangen lujuutta

24 Rakentava metamorfoosi

26 Sulamis-jäätymismetamorfoosi Muita nimiä: sulamismetamorfoosi, firnifikaatio [melt-freeze, firnication] Tuottaa märkää lunta tai jäisiä yhteensulautuneiden rakeiden kerroksia tai jäälinssejä Aiheutuu vaihtelevista lämpötiloista tai sadeveden suotautumisesta ja jäätymisestä Aluksi vähentää lumen lujuutta ja lisää tiheyttä, jääkerrokset erittäin kovia Aikaskaala: tunteja

27 Lumipeitteen rakenne I Lumipeitteen rakenne tarkoittaa hangen kerrosrakennetta ja kerrosten ominaisuuksia Kerrosrakenne syntyy peräkkäisten lumisateiden tuoman lumen kertyessä päällekkäin Lumessa on koko ajan käynnissä jokin muodonmuutosprosessi, metamorfoosi, joka korostaa kerrosten eroja (hajottava, rakentava tai sulamismetamorfoosi)

28 Lumipeitteen rakenne II Lumen jakaantumiseen/kasaantumiseen vaikuttaa: Tuuliolot Lumi lähtee liikkeelle tuulen nopeuden kasvaessa, ja kertyy kinoksiksi tuulen nopeuden pienentyessä Paikalliset pinnanmuodot Korkeus merenpinnasta, rinteen suuntautuneisuus, pinnan karkeus Kasvillisuus Lunta kertyy matalaan kasvillisuuteen pinnan karkeuden kasvaessa Metsän rajoille kertyy kinoksia tuulen nopeuden pienentyessä Metsiin kertyy vähemmän lunta kuin avoimelle paikalle (interseptio)

29 Pintailmiöt Pintakuuraa [surface hoar] muodostuu yleensä kirkkaina, kylminä öinä pinnan jäähtyessä ilmaa kylmemmäksi. Vesihöyry tiivistyy pinnalle höyhenmäiseksi kuuraksi. Hankikanto/sulamiskuori muodostuu yleensä keväällä sulamisvesien tai sateen jäätyessä pakkasöinä pintakerroksissa Tuulikuori muodostuu tuulen kuluttaessa satavat/ajolumikiteet pieniksi ja pyöreiksi sintraantuvat tehokkaasti

30 Pintakuura

31 Metsässä ja aukealla lumi on erilaista Metsän alla hivenen lämpimämpää, tuulettomampaa ja hämärämpää kuin aukealla Metamorfoosit tehokkaampia aukealla: Enemmän sulamisilmiöitä Voi olla enemmän syväkuuraa

32 Lumivyöhykkeet Suomessa Lumen rajavyöhyke (muodostuu ja sulaa useita kertoja talven aikana) Leuto lumivyöhyke (kosteaa ja jäistä) Preerialumen vyöhyke (tuulen pakkaamaa, sulamisen ja jäätymisen jälkiä näkyvissä) Taigalumen vyöhyke (syvää, kuivaa, huokoista, tasalaatuista, paljon syväkuuraa) Tundralumen vyöhyke (tuulen pakkaamaa, kovaa, syväkuuraa)

34 Lumivyöryt

35 Lumivyöryt Lumivyöry = lumimassan katastrofaalinen vyöryäminen kaltevalla pinnalla Pääluokat: Irtolumivyöryt [loose snow avalanche] Laattavyöry [slab avalanche] Irtolumivyöry -alaluokat: kuivan lumen lumivyöry [dry] märän lumen lumivyöry [wet] Laattavyöry alaluokat kuivan ja märän lumen lumivyöryt sohjovyöry [slush] Jäävyöryt

36 Lumivyöryt Kuivan lumen vyöryt tapahtuvat yleensä rinteissä, joiden kaltevuus herkimmin vyöryää kun kaltevuus Sohjovyöryt poikkeuksellisia, koska ne tapahtuvat loivissa rinteissä, kaltevuus 5-20 Sohjovyöryt tapahtuvat kun lumipeite vettyy äkillisesti yleensä keväisin Laukeaminen: Leikkausjännitys/voima [shear stress] > leikkauslujuus [shear strength]

37 Lumivyöryt Nopeus: kiihtyy nopeasti mutta pysähtyy myös nopeasti

38 Kuinka pitkälle lumivyöryt vyöryävät? Semiempiirinen yhtälö: = 0,96* -1,4 V 2,3

39 Suojautuminen lumivyöryiltä

40 Suojautuminen lumivyöryiltä

41 Lumiekologia

42 Mitkä tekijät ovat tärkeitä talvehtiville eläimille ja kasveille Riittävä lämpö Sopivat kosteusolot Sopivat valaistusolot Ruoan riittävyys Suoja saalistajilta Riittävän hyvä ilmanlaatu

43 Miten lumi vaikuttaa edellä lueteltuihin tekijöihin? Lumen alla lämpötila ja ilman kosteus ovat korkeampia ja tasaisempia kuin lumen pinnalla Lumen alla on pimeää ja hiljaista Hiilidioksidipitoisuus voi olla lumen alla korkea Lumi tarjoaa suojan saalistajilta ja lajista riippuen lumi haittaa tai auttaa ruoan hankkimisessa

44 Elämänmuodoilla on erilaisia reagointitapoja lumisiin talviin Kasvi tai eläin voi olla lunta suosiva (chionophile) tai lunta välttävä (chiophobe) Elää voi lumen alla, lumen päällä tai sisällä Lumessa voi liikkua kelluen, kahlaten tai kaivautuen Kasvit voivat muuttaa lumioloja itselleen sopivammiksi

45 Onko Suomessa enää lunta vuonna 2100? Mikäli ilmastomme lämpenee ennusteiden mukaan: Lumipeiteaika lyhenee ja lumipeite ohenee Lumen laatu muuttuu: lumi on tiheämpää, kiteet ovat suurempia ja lumi on lähempänä sulamislämpötilaa keskitalvellakin Syväkuuran osuus hangesta vähenee, ja märän tai jäisen lumen osuus kasvaa Muutoksia nykyiseen lumivyöhykejakoon Talvien välinen vaihtelu kuitenkin saattaa kasvaa

Samankaltaiset tiedostot

Lumen teknisiä ominaisuuksia

Lumen teknisiä ominaisuuksia Lumi syntyy ilmakehässä kun vesihöyrystä tiivistyneessä lämpötila laskee alle 0 C:n ja pilven sisällä on alijäähtynyttä vettä. Kun lämpötila on noin -5 C, vesihöyrystä, jäähiukkasista