PUUN MUISTIKIRJA. Lapin mänty ja ilmastonmuutos. Mauri Timonen

Transkriptio

1

2 PUUN MUISTIKIRJA Lapin mänty ja ilmastonmuutos Mauri Timonen Rovaniemi Dendrokronologian laboratorio Metsäntutkimuslaitos, Rovaniemen tutkimusasema

3 1 Sisällys: ALKUSANAT 2 1 VIITEKEHYS Vuosilustot luonnonarkistoina Puun muistikirjan tulkinta Metsät ilmaston vaihteluiden armoilla Miksi ja mitä puun muistista kannattaa tutkia? 4 2 KAKSI LUSTOSARJAA Metsänrajamännyn 1000-vuotinen muisti Lapin 7519-vuotinen lustokalenteri 7 3 VUOSILUSTOT ILMASTOTUTKIMUKSESSA Äkilliset ilmastonmuutokset Monitieteisen lustotutkimuksen näkökulmia Lapin mänty kansainvälisessä ilmastotutkimuksessa Kansikuvan ajanikkunan seloste: Kuva A. Levitunturin laella kasvava mänty on hyvä esimerkki luonnon omasta ilmastomittausasemasta. Tuulen tuiverrukset ja muut sään vaikutukset näkyvät paitsi raihnaisessa ulkonäössä myös vuosilustoissa. Vuosilustoja tutkiva tieteenala, dendrokronologia (puulustotiede), yhdistettynä ilmastotutkimukseen ja sen myötä moneen muuhunkin tieteenalaan kuten metsätieteisiin, geologiaan ja arkeologiaan, on saanut aikaan nosteen, joka on viemässä suomalaista metsänrajatutkimusta tärkeäksi osaksi kansainvälistä ilmastonmuutostutkimusta. Kuva B. Metsänrajamännyn 7519-vuotinen lustosarja valmistui neljännesvuosisadan työn jälkeen vuoden 1998 marraskuussa. Sarjan isä on professori Matti Eronen. Metlan Rovaniemen tutkimusaseman Dendrokronologian laboratorio vaikutti ratkaisevasti sarjan valmistumista estäneen parin vuosituhannen takaisen aukon täyttämiseen. Metsänrajamännyn riippuvuus kesä-heinäkuun lämpöoloista eli ns. ilmastovaste on poikkeuksellisen hyvä. Vuosilustoihin varastoituneiden ilman 13 C ja 12 C-hiiliisotooppien suhde kertoo vuosilustojen ominaisuustietojakin paremmin muinaisen ilmaston kesä-heinäkuiden keskilämpötiloista. Mainitut tekijät, vuodentarkkuus ja sarjan maailmallakin ainutlaatuinen pituus tekevät Lapin metsänrajamännystä yhden 2000-luvun alkuvuosikymmenen tärkeistä ilmastonmuutostutkimuksen tutkimuskohteista. Kuva C. Vuosilustosarjojen tilastomatemaattista laatua kuvataan RBAR- ja EPS-tunnuksilla. RBAR kuvaa samaan vuosijaksoon sattuvien lustosarjojen keskimääräisen korrelaation. Tässä sarjassa se on 20-vuotisin jaksoin laskettuna Edellisestä riippuva EPS puolestaan kuvaa toistojen riittävyyttä. Minimivaatimuksena pidetään arvoa 0.85, mikä vastaa tässä sarjassa noin seitsemän näytteen sattumista saman ajankohtaan. Kuva D. Piikkivuodet osoittavat ilmaston vaikuttavan männyn kasvuun samankaltaisesti laajoillakin alueilla. Vuonna 1601 tapahtui holoseenin (viime jääkauden jälkeisen ajan) merkittävimpiin laskettava kasvun hetkellinen notkahdus, joka näkyy kaikkialla Euroopassa, myös tammen vuosirenkaissa. Kuva E. Vuonna 1994 valmistunut Metlan 1911-vuotinen lustosarja osoittaa metsänrajametsien kasvaneen jaksoittaisesti (kuvassa sarjan 1000 viimeistä vuotta). Jaksoittaisuus vaikuttaa merkittävästi Lapin mäntymetsien uudistumiseen. Takakannen sisäosa: Männyn metsänrajan 54 kohteeseen perustuvat kuukausittaiset ja jaksoittaiset sademäärät vuosina Vertailukohtana Pohjois-Atlantin ilmanpaineen vaihtelusuhteita Islannissa ja Azoreilla kuvaavat kuvaavat NAO-indeksit, jotka selittävät erityisesti metsänrajaseudun talvikausien sateisuuden ja lämpötilojen muutoksia. Takakansi: Männyn metsänrajan kuukausittaiset ja jaksoittaiset lämpötilat vuosina Vertailukohtana metsänrajamännyn vuosilustoindeksi, jonka riippuvuus kesä-heinäkuun keskilämmöstä on todettu lukuisissa tutkimuksissa Kirjoittajan yhteystiedot: Osoite: Rovaniemen tutkimusasema, PL 16, ROVANIEMI Puhelin: , Fax: Sähköposti: mauri.timonen@metla.fi

4 2 ALKUSANAT Metsähallitus järjesti vuoden 1999 lokakuussa tutkimusseminaarin aiheesta Ympäristö ja tutkimus Ylä-Lapissa 1990-luvulla. Monipuolisia esityksiä sisältäneen tapahtuman kirjallinen versio julkaistaan keväällä 2000 sarjassa "Metsähallituksen metsätalouden julkaisuja Ympäristö ja tutkimus Ylä-Lapissa". Oman esitykseni otsikkona oli Puun muistikirja. Tämä raportti kansikuvineen ja muine ilmastoa koskevine täydennyksineen on sen laajennettu versio. Kotimaisen lustotutkimusyhteistyön huippuhetki koettiin vuoden 1999 alussa, jolloin metsänrajamännyn yli 7500 vuoden pituinen vuodentarkka lustosarja valmistui. Sarjan kokoaminen oli suurisuuntainen projekti, joka vaati sen pääarkkitehdiltä, professori Matti Eroselta, neljännesvuosisadan määrätietoisen työskentelyn. Mahdollisesti jopa ensimmäisiin viime jääkauden jälkeen syntyneisiin mäntysukupolviin ulottuva sarja on maailman kolmanneksi pisin vuodentarkka sarja. Tätä pidempiä ovat vain Keski-Euroopan tammi ja Pohjois-Amerikan vihnemänty (Pinus aristata) 8800 vuoden sarjapituuksillaan. Kansainvälisesti tunnetuimpiin holoseeni-ilmaston tutkijoihin lukeutuva englantilainen ilmastotieteilijä Keith Briffa pitää näistä kolmesta metsänrajamäntyämme kaikkein parhaimpana ilmastonvaihteluiden mittarina. On mahdollista, että metsänrajamännyn vuosilustoihin on jäänyt myös maapallonlaajuisen ilmastonmuutoksen jälkiä. Se saattaa merkitä sitä, että Lapin metsänrajamännystä tulee tärkeä osa globaalimuutosta kuvaavaa mittaristoa mm. Grönlannin jäätiköistä ja merten koralleista mitattavien proksitunnusten ohella (proksi=ilmastoa likimääräisesti kuvaava muuttuja). Lapin mäntyä tutkitaan nykyisin monella taholla ja tasolla. Tutkijoiden verkostoituminen ja sujuvahenkinen yhteistyö ovat myötävaikuttaneet piristävästi monitieteisen tutkimuskulttuurin kehittymiseen. Tällaisessa tilanteessa ongelmia ja niiden ratkaisumalleja voidaan tarkastella yhtaikaisesti useista näkökulmista, mikä parantaa oleellisesti mahdollisuuksia ymmärtää ja tulkita tapahtumia. Lustotutkimuksessa menestyminen edellyttää myös toimivia tutkimuslaboratorioita ja osaavaa henkilöstä. Asetelma on Suomessa tällä erää kohtalaisen hyvä, sillä puolenkymmentä lustotutkimuslaboratoriota kykenee kansainväliseen yhteistyöhön. Pohjois- Suomen toistaiseksi ainoa ammattimaisesti toimiva laboratorio sijaitsee Metlan Rovaniemen tutkimusasemalla. Tarkastelen tässä esityksessäni lustotutkimuksen yleistä ilmastotieteellistä taustaa, teen tilannekatsauksen, pohdin lustotutkimuksen kysymyksenasettelua ja esitän joitakin jatkotutkimusaiheita. Katsaukseni pääsanomana on se, että voimistuva ilmastonmuutos asettaa myös metsäntutkimukselle uusia vaateita ja haasteita. Pyrin omalta osaltani vastaamaan muuttuvaan asetelmaan kehittämällä kotimaisen lustotutkimuksen viitekehystä kansainvälisen ilmastonmuutostutkimuksen suuntaan. Tavoite on molemmin puolin hyödyllinen: ilmastotutkimus pääsee hyödyntämään entistä paremmin metsäntutkimuksen puihin liittyvää monipuolista osaamista ja metsäntutkimus puolestaan saa syventävää erikoistietoa metsien kohtaloon ratkaisevasti vaikuttavista suurilmaston vaihteluista. Kiitän professori Matti Erosta arvokkaista kommenteista ja korjausehdotuksista. Rovaniemellä Mauri Timonen

5 3 1 VIITEKEHYS 1.1 Vuosilustot luonnonarkistoina Ilmastonvaihtelut jättävät jälkensä moniin vuosittain kerrostuviin luonnonilmiöihin kuten puiden vuosilustoihin, siitepölyihin, jääkerrostumiin, järvisedimentteihin, maakerrostumiin, merten koralleihin ja eräiden kasvi- ja hyönteislajien esiintymismääriin (Eronen 1990). Näitä historiallista ilmastoa likimääräisesti kuvaavia luonnonarkistoja kutsutaan proksitiedoiksi (proxy data). Niistä on tullut merkittävä ilmastonmuutostutkimuksen työväline, jolla päästään ajassa jopa vuosimiljoonia taaksepäin (Eronen 1991). Puiden vuosilustoja pidetään tarkimpana tunnettuna proksitiedon lähteenä. Tässä yhteydessä on kuitenkin huomioitava, että vain suhteellisen harvat puulajit soveltuvat muinaisen ilmaston kuvaajaksi heikon säilyvyytensä ja vaikean ilmastollisen tulkittavuutensa vuoksi. Lapin metsänrajamänty (kuva 1) on osoittautunut erinomaiseksi tutkimuskohteeksi, sillä sen kasvu seuraa poikkeuksellisen tarkasti kesänaikaisia lämpötilavaihteluita (mm. Lindholm & al. 1996, 1999). 1.2 Puun muistikirjan tulkinta Puuta voi luonnehtia historiankirjaksi, josta sen elinvaiheet, vallinnut ilmasto ja monet ympäristön tapahtumat ovat tietyin edellytyksin luettavissa vuoden tarkkuudella tuhansien vuosien ajalta, joskus jopa tarkemminkin. Puun muisti perustuu neljään tekijään: 1) vuodesta toiseen vaihtelevat sääolot rekisteröityvät puun solukkoihin erilevyisinä vuosirenkaina eli lustoina; 2) poikkeuksellisten vuosien aiheuttamat normaalia kapeammat tai leveämmät lustot ovat tunnistettavissa sormenjälkien tapaan useimmista saman ilmastoalueen puista; 3) vuosilustot reagoivat herkästi myös kasvuympäristössä tapahtuneisiin muutoksiin ja 4) puuaines voi säilyä lahoamattomana tuhansia vuosia. Kuva 1. Lapin metsänrajamänty on yksi parhaista ilmastomittausasemista, sillä se muistaa ilmaston vaihtelut ja paljon muutakin tuhansien vuosien ajalta. Kuva Levitunturin laelta. Vuosilustotiedon tulkinta ei ole kovin helppoa, sillä puun kasvu on monimutkaisten kasvuprosessien ja lukuisten ympäristötekijöiden vaikutusten tulosta. Tutkijoilla on vain harvoin mahdollisuus seurata tätä prosessia reaaliajassa. Yleensä tutkimus käynnistyy vasta jälkikäteen, jolloin tärkeimmän tietolähteen muodostavat lustonäytteet. Tulosten laatu riippuu siitä, kuinka hyvin tutkittavaa tapahtumaa kuvaava kasvukomponentti (signaali) saadaan erotetuksi muista kasvun vaikuttavista tekijöistä (kohina). Pahimmassa tapauksessa signaali voi kadota kokonaan kohinaan, esimerkiksi silloin, kun signaali peittyy metsikössä sattuneiden hyönteistuhojen, metsäpalojen, tulvien tai ihmisen toiminnan aiheuttamiin kasvureaktioihin. Puun muistin tutkimiseen erikoistunutta tieteenalaa kutsutaan dendrokronologiaksi eli puulustotieteeksi. Sen kysymyksenasettelussa perustetaan paljon tilastotieteen ja monitieteisen yhteistyön varaan. Tilastotiede tarjoaa monipuoliset työvälineet kasvuprosessien hallintaan. Vuodentarkat ajoitukset tarjoavat eri tieteenaloilla työskenteleville tutkijoille hyvän kiinnekohdan yhteistyöhön. Monitieteinen lähestymistapa on tehnyt dendrokronologisesta tutkimuksesta innovatiivista, minkä osoittavat esimerkiksi kadonneiden kulttuurien jäljittäminen autiomaan hiekasta ja niiden elämiseen

6 2 liittyvien tapahtumien selvittäminen, tuhansien vuosien takaisten ilmaston muutosten ja luonnonkatastrofien tunnistaminen, muinaisten metsien rakenteiden, kasvujen ja neulasistojen rekonstruoiminen ja muutaman rikoksenkin ratkaiseminen (kuva 2, myös Schweingruper 1989). Dendrokronologisen tutkimuksen ja puun kasvua koskevan perinteisen metsäntutkimuksen väliin ei ole syytä asettaa tiukkaa rajaa, sillä kyse on usein samoista aiheista eri käsitteillä ilmaistuna. Dendrokronologian merkittävin anti metsätieteille on aikaperspektiivin laajentaminen vuosisadoista vuosituhansiin. Yksittäinen puu voi tallettaa tietoa muistiinsa vain elinkaarensa aikana. Koska puut elävät Suomessa yleensä muutamia satoja vuosia ja vanhimmatkin korkeintaan 1100-vuotiaiksi, voidaan niiden vuosilustotiedoilla päästä enintään vuosituhannen verran taaksepäin historiassa. Muistin pidentäminen tuhansiin vuosiin edellyttää kuolleen puuaineksen (rakennuspuut, kelot, kannot ja subfossiilipuut) lustotietojen liittämistä elävistä puista saatuun aineistoon. Osittain samaan aikaan kasvaneet puut yhdistetään toisiinsa ristiinajoittamalla eli ilmaston puiden kasvuun jättämiä sormenjälkiä, ilmastosignaaleja, tahdistamalla (kuva 2). Ristiinajoitetuista näytteistä koottua lustosarjaa voi kutsua vuosilustosarjaksi, lustokalenteriksi tai lustokronologiaksi. Jos lustoista poistetaan lisäksi ikääntymisestä aiheutuva kasvun aleneminen, voidaan edellä mainittujen käsitteiden lisäksi puhua myös vuosilustoindeksisarjasta, referenssisarjasta, mastersarjasta tai masterkronologiasta. Lustosarjan sisältämää ilmasto- ja muuta tietosisältöä voidaan kutsua puun muistiksi ja lustoihin tallentuneiden tapahtumien kirjoa puun muistikirjaksi. RISTIINAJOITUKSEN PERIAATE Subfossiilipuu Vanha rakennus Kelo Elävä puu Näytteiden yhdistäminen (ristiinajoitus) Vuosilustosarja Lustosarja (lustokalenteri) DENDROKRONOLOGISIA SOVELLUSALUEITA: DENDROEKOLOGIA DENDROKLIMATOLOGIA DENDROHYDROLOGIA DENDROMORFOLOGIA ARKEOLOGIA ISOTOOPPITUTKIMUS DENDROKEM. YMPÄRISTÖTUTKIMUS PERUSTEKNIIKKA Lähde: Kuva 2. Yläosa. Puun muisti venytetään tuhansien vuosien pituiseksi sovittamalla eri lähteistä saadut näytteet yhtenäiseksi keskiarvosarjaksi eli lustokalenteriksi. Yhdistäminen perustuu havaintoon, jonka mukaan kunkin kalenterivuoden sää näkyy samankaltaisena laajojen alueiden puiden kasvussa. Lapin männyn paksuuskasvu riippuu kesä-heinäkuun keskilämpötilasta. Poikkeuksellisen kylmän kesän heikko kasvu toimii ajoittamisessa ns. piikkivuotena (pystykatkoviivat). Alaosa. Lustokalenterit soveltuvat hyvin monentyyppiseen pitkää aikajännettä tarvitsevaan tutkimukseen.

7 3 Ilmastosignaalien esiintymisvuosia kutsutaan usein piikkivuosiksi (Mielikäinen & al. 1998). Ne näkyvät puun kasvussa poikkeuksellisen kapeina tai leveinä lustoina naapurilustoihin verrattuna. Jos erikseen ei mainita, niillä tarkoitetaan kapeita lustoja. Lapin männyn piikkivuodet tunnetaan yksityiskohtaisesti. Merkittävin on vuosi 1601, joka esiintyy miltei jokaisessa tuona aikana eläneessä puussa (Timonen 1996). Sama kasvun aleneminen on havaittavissa myös keskieurooppalaisissa tammilustoissa (Lindholm 1994). Kyseisen vuoden alkukesän tiedetään olleen Euroopassa hyvin kylmän, mikä pudotti Lapin männyn kasvun noin kolmannekseen normaalista. Muista merkittävistä männyn piikkivuosista kerrotaan lähemmin kuvan 5 yhteydessä. 1.3 Metsät ilmaston vaihteluiden armoilla Ilmastonmuutokset aiheutuvat Croninin (1997) mukaan 1) tähtitieteellisistä syistä (muutokset maan pyörimisliikkeessä ja kiertoradassa), 2) ilmakehään liittyvistä syistä (mm. kasvihuoneilmiö, säteilyn takaisinheijastuminen) ja 3) maapallon sisäiseen toimintaan liittyvistä syistä (mm. merivirtojen muutokset, maanjäristykset, tulivuorenpurkaukset, mannerliikunnot). Jääkaudet ovat luonnollinen ja merkittävä osa maapallon ilmastonvaihteluita. Ensimmäiset suuret jäämassat kertyivät maapallolle runsaat kaksi miljardia vuotta sitten, jolloin Huron-jääkausi peitti osan silloista mannerta nykyisen Pohjois-Amerikan alueella. Tämän noin 200 miljoonaa vuotta kestäneen maailman vanhimman jääkauden merkkejä on löytynyt myös Pohjois-Karjalasta, Kontiolahden Urkkavaarasta (Marmo & Ojakangas 1984). Viimeistä noin 2.5 miljoonan vuoden pituista geologista jaksoa kutsutaan jääkausien ajaksi eli kvartäärikaudeksi. Tänä aikana on sattunut lukuisia jäätiköiden etenemis- ja perääntymisvaiheita, viimeisimmän etenemisen tapahduttua vuotta sitten. Geologit ovat löytäneet jäänteitä ainakin viidestä nykyisen Suomen maaperällä vallin- Lämpötilan muutos ( C) Lämpötilan muutos ( C) Lämpötilan muutos ( C) Lämpötilan muutos ( C) Tuhansia vuosia (B.P.) b) +2 Eemi Holoseeni Pleistoseeni Tuhansia vuosia (B.P.) c) Keskiajan lämpökausi Lämmin jakso Pieni jääkausi Tuhansia vuosia (B.P.) d) 1.0 Pieni jääkausi Vuosi (A.D.) Kuva 3. Kuvasarja kertoo Euroopan ja Pohjois- Amerikan lämpötilavaihteluista viimeisten , , ja 1000 vuoden aikana. Jääkaudet ovat toistuneet säännöllisin väliajoin (3a). Viime jääkautta edeltävän Eemin ja nykyisen holoseenin lämpötilakehitykset muistuttavat toisiaan (3b). Noin 5000 vuotta sitten oli nykyistä pari astetta lämpimämpää (3c). Viimeisin vuosituhat alkoi suotuisissa merkeissä, mutta kääntyi 1300-luvun puolivälissä pikku jääkaudeksi lämmetäkseen jälleen 1900-luvulla (3d). Lähde: Bradley & Eddy 1991, uudelleen piirsi Risto Haikarainen. a)

8 4 neesta jääkaudesta (kuva 3a). Viimeisin jääkausivaihe kesti ajan vuotta sitten (kuva 3b). Sitä edeltänyttä interglasiaalivaihetta kutsutaan Eemiksi ( vuotta sitten) ja nykyistä noin vuotta sitten alkanutta ja yhä jatkuvaa vaihetta Holoseeniksi. Eemin ilmasto oli muutaman asteen nykyistä lämpimämpi (Dawson 1992). Tämä antaa mielenkiintoisen vertailukohdan nykyistä kasvihuoneilmiötä tutkittaessa. Eeminaikaisia kerrostumia on löydetty jääkautisten moreenien alta. Siitepölyt todistavat, että tammet ja pähkinäpensaat kasvoivat Eemikautena yleisinä aina Pohjanmaalla saakka ja jalojen lehtipuiden osuus metsissä oli muutenkin paljon nykyistä suurempi (Eronen 1991). Viimeisimmän jäätiköitymisvaiheen väistyttyä noin vuotta sitten tapahtui yhtäkkinen ja pysyvä käänne: lämpötila nousi rannikoilla 4-5 ja Euraasian mantereen sisäosissa astetta (Eronen 1991) ja lämpötilan vuotuinen vaihtelu pieneni murto-osaan entisestään (kuva 3c). Holoseeni on muodostunut varsin rauhalliseksi jaksoksi viimeisen vuoden aikaskaalassa tarkasteltuna (Broecker 1995). Tälläkin jaksolla on toki tapahtunut keskilämpötilassa trendimäisiä muutoksia, mutta olennaista kuitenkin on, että lämpötilan vuotuinen vaihtelu on pysynyt tasaisena. Koivu tuli pioneeripuulajina Suomeen preboreaalisella kaudella noin vuotta sitten. Noin vuotta myöhemmin eli boreaalikauden alussa aloitti mänty nopean invaasionsa syrjäyttäen koivun. Lappiin se saapui atlanttisen kauden alussa vuotta sitten leviten pian nykyistä levinneisyysaluettaan pohjoisemmaksi. Ilmasto lämpeni hitaasti aikaan vuotta sitten, jolloin mäntymetsät olivat Lapissa laajimmillaan. Sen jälkeen olosuhteet ovat vähitellen viilenneet aina nykyhetkiin saakka; ero vuoden takaiseen tilanteeseen on Suomessa 1 2 astetta (Donner 1974, Eronen 1991). Kuusi tuli Suomeen paljon myöhemmin: se aloitti leviämisensä idästä noin vuotta sitten ja saavutti nykyisen levinneisyysrajansa vuotta sitten. 1.4 Miksi ja mitä puun muistista kannattaa tutkia? Kasvihuoneilmiön voimistuminen ja ympäristön saastuminen olivat pontimina ympäristönmuutostutkimuksen voimakkaalle kasvulle ja 1990-luvuilla. Uusissa kansainvälisissä ympäristöohjelmissa on tullut keskeiseksi pitkien aikasarjojen kokoaminen, sillä on huomattu, että tiedot aiemmasta kehityksestä luovat pohjaa tämänhetkisten tapahtumien ymmärtämiseksi. Korhola (1994) kiteyttää aikaperspektiivin merkityksen pitkien havaintosarjojen yhteydessä seuraavasti: Tulevia uhkia torjuttaessa on hyvä tietää mahdollisimman paljon menneisyydestä. Ihmisen haitallinen vaikutus luontoon voidaan tunnistaa ajoissa, jos luonnon oma vaihtelurytmiikka tunnetaan riittävän hyvin. Ilman pitkäaikaisia havaintoja tutkijoilta puuttuu aikaperspektiivi, mikä seikka voi johtaa heidät helposti harhaan. Lapin mänty soveltuu hyvin pitkien aikasarjojen laadintaan, sillä sen puuaines säilyy lahoamattomana pitkään ja sen vuosilustot sisältävät ajoittamista helpottavan voimakkaan ilmastosignaalin. Vanhimmat Lapin järvistä löydetyt mäntyjäänteet (mäntysubfossiilit) kasvoivat yli 7500 vuotta sitten vallinneessa ilmastossa. Ne edustavat samalla ensimmäisiä viime jääkauden jälkeen syntyneitä puusukupolvia. Joidenkin järvien rantakerrostumista voi löytyä lähes kaikkien holoseeninaikaisten mäntysukupolvien jäänteet. Metsänrajamännyn kasvu heijastaa niin selkeästi kesänaikaisia (kesä-heinäkuun) keskilämpötiloja, että voidaan laatia puulustoihin perustuvia keskilämpötilamalleja. Niiden avulla päästään tutkimaan myös sellaisten ajanjaksojen ilmastonvaihteluita, joista ei ole käytettävissä mittaustietoja.

9 5 Puun muistiin tallentuu vuotuisen ilmastonvaihtelun lisäksi sen elinkaaren puitteissa tapahtuneet trendimäiset ja jaksoittaiset ilmastomuutokset. Tuhansien vuosien aikana tapahtuneiden trendimäisten muutosten selvittäminen puulustoista on vaikeampaa joskaan ei mahdotonta. Menemättä pohdiskelussa pitemmälle, todettakoon esimerkkinä muutamia puun muistista tutkittavissa olevia aiheita. Ilmastotutkimusta koskevia aiheita ovat: Millaista on ollut ilmaston vaihtelu tuhansien vuosien aikajänteellä; Millaisia rytmiikoita tai analogioita (yhtäläisyyksiä) holoseeni-ilmasto sisältää? Millainen oli 1900-luvun ilmastohistoria verrattuna aiempaan holoseeni-ilmastoon? Missä määrin havaitut säännönmukaisuudet soveltuvat tulevan ilmaston kehityksen arviointiin? Käytännön metsätalouteen liittyviä kysymyksiä ovat: Miten paljon Lapin mäntymetsät sietävät ilmastonmuutosta ja -vaihteluita? Suurilmaston vaihteluilla on erityistä merkitystä etenkin Lapin metsätaloudessa, jossa viileät ilmastojaksot vaikeuttavat metsänuudistamista ja hidastavat puiden kasvua. Toistaiseksi vaihtelut ovat olleet metsien selviytymisen kannalta siedettävät, mutta miten käy jatkossa? Ilmasto on vaikuttanut ajoittain päätöksentekoon. Suojametsälain syntymiseen vuonna 1922 vaikutti edeltävän pienen jääkauden loppuvaiheisiin liittyvä poikkeuksellisen heikko ilmastojakso. Lämpimät ja 1940-luvut rohkaisivat 1950-luvun laajoihin avohakkuisiin. Kylmä 1960-luku viljelytaimikkotuhoineen opetti varovaisuuteen. Mitkä ilmastonvaihteluun liittyvät piirteet ovat strategisia Lapin metsätalouden harjoittamista ajatellen? Miten ilmastonvaihtelut tulisi ottaa huomioon käytännön metsätaloudessa? Miten kasvumallit tulisi kalibroida, jotta ne pysyisivät ajan tasalla muuttuvissa olosuhteissa? Milla tavoin voidaan metsätalouden suunnittelussa käyttää hyväksi ilmastonvaihteluiden enemmän tai vähemmän säännönmukaisia ominaispiirteitä? 2 KAKSI LUSTOSARJAA 2.1 Metlan 1911-vuotinen lustosarja Metlan 1911-vuotinen metsänrajamännyn - lustosarja (Mielikäinen & al. 1998) perustuu 381 elävästä puusta, kelosta (kuva 4) ja subfossiilimännystä otettuun näytteeseen. Professori Gustaf Sirén suunnitteli ja ohjasi sarjan 208 kelonäytteen valinnan. Sarjan 1000 viimeistä vuotta osoittavat ilmastonvaihteluihin sisältyvän rytmiikkaa, joka näyttää olevan yhteydessä metsien uudistumiseen (kuva 5). Jaksoilla on selvä yhteys ilmastoon: mitä lämpimämpää on kesä-heinäkuussa, sitä paremmin metsänrajamänty kasvaa. Vertailtaessa Sirénin (1961, 1998) uudistumisvuosia (jakso jkr.) vastaavien ajankohtien vuosilustoindekseihin nähdään, että uudistuminen on tapahtunut ainoastaan suotuisten kasvujaksojen aikana. Tämä selittyy sillä, että Lapissa on äärevien olosuhteiden vuoksi hyviä uudistumisvuosia harvakseltaan, esimerkiksi Pohtilan (1980) mukaan Sodankylässä vain noin 6 kertaa vuosisadassa. Jotta siemen voisi itää, on kukkimista edeltävän ja sitä seuraavan vuoden lämpösumman ylitettävä tietyt kynnysarvot Kuva 4. Lapin vanhimmat maasta löydetyt tervaskannot ovat peräisin 700-luvulla. Vanhimmat tutkitut kelot ovat syntyneet 1000-luvulla. Valtaosa niistä on syntynyt luvuilla ja kuollut luvuilla. Nuorimmat kelot ovat peräisin luvulta. Oheinen Metlan Laanilan tutkimusalueen Koierijärven kelo syntyi 1500-luvun puolivälissä ja kasvatti viimeiset lustonsa luvun alussa. Professori Gustaf Sirén vastasi Metlan vuotisen lustosarjan kaikkien kelonäytteiden keruusta Saariselällä ja Muotkanruoktussa.

10 6 (910/845 d.d.). Tämä yhdistelmä voi toteutua niin Sodankylässä kuin muuallakin Lapissa vain ilmaston rytmittymisen ansiosta. Metsänrajamänty on kasvanut varsin keskimääräisesti viimeisten 40 vuoden aikana. Pienen notkahduksen aiheutti 1960-luku, jolloin puun kasvu jäi noin puoleen normaalista. Tuhannen vuoden aikaperspektiivistä tarkasteltuna 1900-luvun kasvunvaihtelut eivät poikkea OSA METLAN 1911-VUOTISESTA LUSTOSARJASTA Vuosi KYLMÄÄ LÄMMINTÄ Kasvu heikkenee Kasvu paranee Metsänuudistumisajankohdat vuosina (Sirén 1996) olennaisesti aiempien vuosisatojen vaihteluista. Vuosisata jakautuu kolmeen jaksoon: heikkokasvuiseen alkuun ( ), hyväkasvuiseen jaksoon ( ) ja vaihtelevaan, mutta selvästi keskitasoa heikompaan jaksoon ). Viimeisiin vuosikymmeniin on sattunut myös muutama suotuisampi vuosi, joista mainittakoon 1973, 1979, 1983, 1989 ja luvun kasvunvaihtelut ovat ryhmittyneet keskitason molemmin puolin. Kasvu näyttäisi olevan kulkemassa kohti parempia aikoja Jakso oli poikkeuksellisen suotuisa. Päätelmää tukevat havainnot nuorista vuotiaista metsiköistä, jotka nykyisin muodostavat maantieteellisesti pohjoisimman (polaarisen) ja tuntureilla ylimmän (alpiinisen) metsänrajan. Vastaava lämmin jakso löytyy vasta 1700-luvun puolivälistä, joka näkyy hyvin myös Vätsärin erämaiden puuston ikärakenteessa (Tynys 1998). Männyn kasvuolosuhteet olivat ankarimmillaan 1800 luvulla pienen jääkauden loppuvaiheissa. Tämän kylmään vaiheeseen sijoittuvat mm. suuret nälkävuodet ( ). On hiukan yllättävää, että niiden alkukesät näyttävät olleen indeksien perusteella vain noin 10 % normaalia heikommat. On tosin otettava myös huomion, että satojen vuosien pituiset trendimäiset muutokset, esimerkiksi pikku jääkauden vaikutukset, eivät näy tämäntyyppisissä tarkasteluissa. Yksittäiset heikot kasvuvuodet näkyvät lähes kaikissa Lapin männyissä poikkeavan kapeina vuosirenkaina. Tutkimuksissa toistuvasti esiin tulleita piikkivuosia ovat 1574, 1601, 1620, 1680, 1696, 1709, 1734, 1769,1806, 1837, Vuosilustoindeksi Kuva 5. Metsänrajamännyn kasvunvaihteluiden vertailu Sirénin uudistumisvuosiin (1961, 1996) osoittaa, että Lapin metsänrajametsät uudistuvat pääsääntöisesti suotuisten ilmastojaksojen aikana. Männyn kasvua säätelevä kesä-heinäkuun keskilämpötila on pysynyt viimeisen 100 vuoden aikana muuttumattomana (oranssi käyrä vuotuisin arvoin ja sininen käyrä 20 vuoden liukuvin keskiarvoin tasoitettuna).

11 7 4 Lusto, mm Vuosilustoindeksi Toistot Kuva 6. Metsänrajamännyn 7519-vuotinen lustosarja koostuu 1087 huolellisesti ristiinajoitetusta näytteestä. Ne korreloivat toistensa kanssa keskimäärin 0.38 korrelaatiolla (ks. kansikuvan RBAR-tunnus), mikä tulos on sangen tyydyttävä. Yläkuvassa on perusmittauksista laskettu vuosiluston keskimääräinen leveys. Vuoden 200 ekr. tienoilla eläneiden puiden korkea kasvu aiheutuu hyvästä kasvupaikasta ja aineiston eteläisemmästä sijainnista. Vuosilustoindeksit (keskellä) osoittavat vuotuisen vaihtelun pysyneen koko jakson ajan kutakuinkin samana. Sarjan näytteiden määrä vaihtelee (alin kuva). Vaikka näytteiden riittävyyttä kuvaava EPS-tunnus ylittääkin lähes koko sarjassa suositellun kynnysarvon 0.85 (ks.kansikuva), voidaan vain viimeisen 1200 vuoden osalta pitää tilannetta jatkoanalyysien kannalta tyydyttävänä. 1900, 1903, , 1929, 1940 ja 1963 ja Joinakin vuosina on männyn kasvu voinut yksittäistapauksissa pysähtyä kokonaankin. Tämä on voitu päätellä esimerkiksi 1830-luvun puuttuvien vuosirenkaiden perusteella. Huomiota kiinnittää voimakkaiden piikkivuosien vähäisyys vuosituhannen alkupuoliskolla. Voi olla, että keskiajan lämpökaudella on ollut metsänrajamäntyjen kasvua tasaannuttava vaikutus. 2.2 Lapin 7519-vuotinen lustokalenteri Suomalaisen lustotutkimuksen toistaiseksi merkittävin tieteellinen saavutus on 7519-vuotisen metsänrajamännyn lustosarjan valmistuminen keväällä 1999 (kuva 6). Vastaavia sarjoja löytyy muualta maailmasta vain kaksi: Keski-Euroopasta tammen ja USAssa vihnemännyn (Pinus aristata) 8000-vuotiset sarjat. Ainutlaatuiseksi Lapin sarjan tekee sen muita selvästi parempi ilmastollinen tulkittavuus. Lapin pitkän kronologian sai alkunsa jo vuonna 1974, jolloin professori Matti Eronen keräsi radiohiiliajoituksia varten ensimmäiset subfossiiliset näytteensä männyn metsänrajalta. Vuosikymmentä myöhemmin hän käynnisti ajoittamiensa 60 radiohiilinäytteen turvin Lapin pitkän mäntykronologian kokoamiseen tähtäävän tutkimusprojektin. Tutkimusaineistoksi hyväksyttiin männyn metsänrajalta kerätyt elävät puut, kelot, vanhat rakennukset sekä soiden ja järvien pohjamudista esiin kaivetut subfossiilipuut. Hän eteni työryhmineen kahden viime vuosituhannen osalta ongelmattomasti, mikä merkitsi nykyhetkestä vuoteen 165 ekr. ulottuvan sarjan syntymistä (Zetterberg & al. 1994, Eronen & al. 1996) Työn seuraava vaihe, jossa oli tavoitteena jatkaa sarjaa taaksepäin niin pitkälle kuin mahdollista, osoittautui kaksijakoiseksi. Peräti yli 5000 vuoden pituiseksi venytetty sarjan yhtenäinen osa jäi kellumaan, sillä sitä ei saatu yhdistetyksi edellä mainittuun nykyhetkestä vuoteen 165 ekr. ulottuvaan sarjaan (Zetterberg & al. 1996). Radiohiiliajoitukset sijoittivat sarjan ajanjaksolle ekr., ajoitustarkkuuden oltua ±100 vuotta. Sarjojen väliin ( ekr.) jääneestä parinsadan vuoden aukosta muodostui yllättäen liki vuosikymmeneksi ongelma, sillä mikään näyte ei tuntunut kohdistuvan tai ajoittuvan siihen. Samaan asiaan törmättiin myös Ruotsissa vastaavassa työssä sekä Keski-Euroopassa tammen 8000-vuotista sarjaa laadittaessa.

12 8 Aukon sulkemisesta tuli haaste sekä Suomessa että Ruotsissa samanaikaisesti käynnissä olleissa tutkimuksissa. Uutta aineistoa löytyi vähitellen sen verran, että aukko pieneni, mutta kiinteän ja kelluvan sarjan yhdistävää linkkiä ei onnistuttu löytämään. Ongelmaan paneuduttiin jälleen kerran vuonna 1996 alkaneessa yhdeksän maan kolmivuotisessa EUprojektissa nimeltään Advance-10K. Sen yhdeksi osioksi määriteltiin suomalaisen pitkän mäntykronologian loppuunsaattaminen. Tässä vaiheessa myös Metla liittyi Erosen Suomen osalta koordinoimaan EU-tutkimukseen. Nyt oli mahdollista myös käyttää entistä enemmän sukellustyötä apuna. Aukon täyttämiseksi laadittiin kaksi rinnakkaista suunnitelmaa: toisessa keskityttiin metsänrajalla ja toisessa etelämpänä sijaitseviin näytteisiin. Metla otti vastuulleen jälkimmäisen osatehtävän. Aukon tuntumaan ajoittuvaa aineistoa nostettiin 1500 näytteen verran yli 40:stä järvestä. Sulkeminen näytti kaikesta yrityksestä huolimatta edelleenkin vaikealta, sillä aukko oli edelleen olemassa projektin kahden ensimmäisen maastokesän jälkeen. Vasta kolmantena kesänä löytyi Raja-Joosepin läheisyydessä sijaitsevalta Kompsiojärveltä puuttuva lenkki: rantamudasta esiin kaivetusta subfossiilirungosta leikattu näytekiekko KOM6724 ajoittui jaksoon ekr. Se sekä aiemmin Utsjoen Ailigasjärven subfossiililöydöstä leikattu FIL6201 ( ekr.) kättelivät keskenään (kuvat 7 ja 13) ja täten liittivät erillään olleet 2150 ja 5000 vuoden sarjanosat toisiinsa. Asiaan saatiin vahvistus Ruotsista, jossa oli saatu ajoitetuksi radiohiilimenetelmää tarkemmalla Wiggle match-tekniikalla (ajoitusvirhe < 10 vuotta) aukon reunaan vuoden 400 ekr. tienoille sattunut näyte. Tulosten vertailu osoitti kiistattomasti, että aukko oli vihdoin ummessa! Nykyinen 1087 näytettä sisältävä sarja on useiden tutkimusaineistojen yhdistelmä. Valtaosan siitä, noin 75 %, muodostavat Silmuprojektissa (Zetterberg ym. 1994, 1995, 1996) ja Advance 10k-projektissa (Eronen ym. 2000) kerätyt aineistot. Loput 25 % koostuvat Metlan 1911-vuotisen (Mielikäinen ym. 1998) ja dosentti Jouko Meriläisen ja FT Markus Lindholmin (Lindholm ym. 1999) Lapin 2000-vuotisen lustosarjan näytteistä. 3 VUOSILUSTOT ILMASTO- TUTKIMUKSESSA 3.1 Suurilmaston muutokset Vaikka jäätikkö- ja sedimenttilustot osoittavat ilmaston keskilämpötilan pysyneen viimeisten vuoden aikana vakaana, on lämmön jakautumisessa maapallon eri osien suhteen suurta vaihtelua. Maapallon lämmönjako perustuu merissä kiertävään lämmönsiirtojärjes- K U L N A K P IT L U O L U O P IT R IE K O M N A K V A L 5031 V A L K O M V A L 6087 K O M K O M K O M 6131 K O M K O M K O M K O M "A U K K O " P IT R IE K O M K O M K O M K O M P IT K O M 6750 K O M K O M K O M Kuva 9. Voimistuvan kasvihuoneilmiön pelätään heikentävän Fennoskandiaan lämpöä 0tuovan maapallon läm- Kuva 8. NAO-indeksit (Jones & al. 1997) kuvaavat Islannin ja Azoreiden välisiä ilmanpaine-eroja. Korkea mönsiirtojärjestelmän toimintaa (Golf-virta on V usen o s iosa). NAO-indeksi eli matala ilmanpaine Islannissa merkitsee Kuva voimakkaita 7. Lapin pitkän länsituulia, mäntykronologian jotka siirtävät valmistumisen Golf-virran pitkään keskilämpötiloissa, estänyt aukko mikä noin tarkoittaisi ekr. jääkautisiin sulkeutui olosuh- Raja- Se merkitsisi paikasta riippuen 5-15 asteen pudotusta lämpöä Joosepin Fennoskandiaan läheisyydessä sijaitsevan muualle Kompsiojärven Eurooppaan. Indeksit 181 ekr.) selittävät oli ratkaiseva hyvin 1990-luvun lenkki aukon lämpimien kriittistä kohtaa talvien ohitettaessa. Mauri Timonen näytteillä teisiin (KOM-alkuiset joutumista. näytenimet). Lähde: Calvin Näyte 1998, KOM6724 uudelleenpiirsi (379- syyn.

13 9 NAO-indeksi telmään (kuva 11), jonka osan muodostaa Golf-virta (kuva 9). Lämmönsiirron ja ilmaston vuorovaikutteista toimintaa ilmentävät jaksoittaiset vaihtelut, joista tunnetuimmat ovat eteläisellä pallonpuoliskolla vaikuttava ENSO (El Niňo/Southern Oscillations) sekä pohjoinen veli/sisko, Pohjois-Atlantin NAO (North Atlantic Oscillations)(kuva 8). Niiden huippuvaiheet merkitsevät normaalista poikkeavien sääolojen muodostumista eri puolille maapalloa. Ilmastonmuutokset voidaan Calvinin (1998) mukaan jakaa aikajänteen perusteella kolmeen ryhmään: muutamien vuosien aikajänteellä toimiviin ENSOon, NAOon yms. vastaaviin, parisataa vuotta kestäviin ilmaston lämpenemisjaksoihin (global warming) ja vuoden jaksoissa toistuviin jääkausiin. Lisäksi ovat dramaattisimpana ilmastonmuutostyyppinä Grönlannin jääkairaustutkimuksista keksityt äkilliset ilmastomuutokset (abrupt climate flips, flip flops). Niiden aikana valtaosa maapallosta joutuu hyvin lyhyessä ajassa, jopa vuodessa, jääkautisten lämpötilojen valtaan. Muutaman sadan vuoden kuluttua sää palautuu yhtä nopeasti normaaliksi kuin oli jäähtynytkin Äkilliset ilmastonmuutokset ovat toistuneet edeltävän vuoden aikana muutaman tuhannen vuoden välein. Viimeisin huomat- NAO-indeksit (joulu-maaliskuu) Lännensuuntaiset tuulet Vuosi idänsuuntaiset tuulet tava kylmeneminen alkoi ilmaston lämpenemisvaiheessa noin vuotta sitten (kuva 10). Tämä nuoremmaksi Dryas-kaudeksi kutsuttu vaihe kesti peräti 1300 vuotta. Uusi äkillinen lämpeneminen alkoi vuotta sitten, jolloin myös ensimmäiset maanviljelyskylät perustettiin Lähi-Itään. Ilmasto alkoi kylmetä jälleen 8200 vuotta sitten, mutta palautui ennalleen jo 100 vuotta myöhemmin. Äkilliset ilmastonmuutokset aiheutuvat Broeckerin teorian (1997) mukaan yhtäkkisistä muutoksista maapallon lämmönsiirtojärjestelmässä. Pohjois-Atlantin suolainen ja talvisin jäähtyvä merivesi toimii kiertoa ylläpitävänä voimana (driving force), sillä vaipuessaan syvyyksiin Kanadan puoleisella rannikolla ja virratessaan etelää kohti se tekee tilaa kevyemmälle ja lämpimämmälle etelästä virtaavalle pintavedelle, josta osan muodostaa Golf-virta. Tällä latauksella vähitellen lämpenevä paluuvesi kulkeutuu Afrikan eteläkärkeen saakka. Järjestelmä latautuu uudelleen Antarktiksen rannikolla, jossa jäätyvä suolainen merivesi vapauttaa suolaa veteen tehden siitä raskaampaa ja saaden sen jälleen vajoamaan. Tämä sysäys puskee vettä pohjoisen suuntaan Intian valtamerta ja Tyyntämerta kohti, jossa se lämpenee ja nousee pintaan aloittaen uuden kierroksen. Broeckerin teorian mukaan aiemmat äkilliset ilmastonmuutokset aiheutuivat jäätiköiden su- Vajoamista myös Labradorissa Grönlanti Kylmää ja suolaista pohjavettä Islanti Pohjoisnapa Skotlanti Norja Kuva 8. NAO-indeksit (Jones & al. 1997) kuvaavat Islannin ja Azoreiden välisiä ilmanpaine-eroja. Korkea NAO-indeksi eli matala ilmanpaine Islannissa merkitsee voimakkaita länsituulia, jotka siirtävät Golf-virran lämpöä Fennoskandiaan ja muualle Eurooppaan. Indeksit selittävät hyvin 1990-luvun lämpimien talvien syyn. Kuva 9. Voimistuvan kasvihuoneilmiön pelätään heikentävän Fennoskandiaan lämpöä tuovan maapallon lämmönsiirtojärjestelmän toimintaa (Golf-virta on sen osa). Se merkitsisi paikasta riippuen 5-15 asteen pudotusta keskilämpötiloissa, mikä tarkoittaisi jääkautisiin olosuhteisiin joutumista. Lähde: Calvin 1998, uudelleenpiirsi Mauri Timonen

14 10 Kuva 11. Maapallon lämmönsiirtojärjestelmä (Conveyer belt eli liukuhihna ) perustuu talvijäähtymisen kautta painavammaksi tulevan Pohjois-Atlantin meriveden vajomiseen syvyyksiin ja sen virtaamiseen etelään. Sama toistuu Antarktiksen rannikolla, jossa jäätiköityminen jäähdyttää uudelleen lämmenneen veden. Lähde: Broecker 1997, uudelleenpiirsi Mauri Timonen lamisessa syntyneiden makeanveden altaiden purkautumisista mereen. Tällöin kevyt suolaton vesi ei vajonnutkaan alaspäin vaan jäi pintaan estäen samalla lämmönsiirtojärjestelmän toiminnan. Tästä oli seurauksena maapallon laajuinen ilmaston nopea jäähtyminen ja kytkeytyminen uuteen ilmastolliseen toimintamalliin. Muutamien vuosisatojen kuluessa löytyi uusi tasapainotila, jolloin ilmasto lämpeni yhtä nopeasti kuin oli laskenutkin. Nyt pelätään, että kasvihuoneilmiön voimistamat sateet ja Grönlannin jäätiköiden massiivinen sulaminen pohjoisilla merialueilla johtaisivat samankaltaiseen tilanteeseen dramaattisine seurauksineen. Ilmastokatastrofi voisi merkitä Euroopan keskilämpötiloissa 5-15 asteen pudotusta kymmenessä vuodessa. Lisäksi kylmenemisvaiheeseen sisältyisi ilmaston epävakaus (flickering), mikä ilmenisi sään rajuina vuotuisina vaihteluina. Muutoksen nopeuden vuoksi on pelättävissä, ettei maatalous ehtisi sopeutua siihen, millä tietenkin olisi mittavat vaikutuksensa. On tosin epäileviäkin kannanottoja, jotka perustuvat nykyisten jäätiköiden vakiintuneeseen asemaan. Tällöin ei olisi edellytyksiä edes 8200 vuoden takaiseen ilmaston notkahdukseen, jolloin ilmeisesti Pohjois- Amerikan Laurentia-jäätikön jääjärvestä yhtäkkisesti purkautuva makea vesi häiritsi maapallon lämmönsiirtojärjestelmän toimintaa Pohjois-Atlantilla (Broecker 1998). AIKA (TUHANSIA VUOSIA SITTEN) VIIME JÄÄKAUSI (AJOITUKSET ARVIOITA) Dansgaard & al. Nature 1993 LÄMPIMÄMPÄÄ 7 ASTEEN NOUSU 50 VUODESSA NYKYINEN JÄÄKAUSIEN VÄLINEN AIKA Kuva 10. Grönlannin jäälustotutkimuksissa on saatu viitteitä siitä, että nykyinenkin ilmasto saattaisi kylmetä jopa vuosikymmenessä jääkautisiin lämpötiloihin ja jäädä siihen tilaan vuosisadoiksi palatakseen sen jälkeen normaaliksi. Näin tapahtui ilmaston lämpenemisvaiheessa nuoremmalla Dryas-kaudella vuotta sitten. Sen jälkeinen ilmaston kehitys on ollut vakaampi kuin kertaakaan aiemmin vuoden aikana. Lähde: Calvin 1998, uudelleenpiirsi Mauri Timonen

15 NAO LYÖ TAHTIA MÄNNYN METSÄNRAJALLA NAO (North Atlantic Oscillations) vaihtelee jaksoittaisesti aiheuttaen äärivaiheissaan poikkeuksellisia säitä Euroopassa ja Pohjois- Afrikassa. NAOn huippuvaihe, korkea indeksi, näkyy Suomessa erityisesti sydäntalvella lämminhenkisinä ja välistä myös myrskyisinä lounaistuulina. Ilmiö nostaa samalla talvikauden sateisuutta Lapissa, mistä aiheutuu seurannaisvaikutuksia myös alueen talouselämälle. Ilmastotutkijoita on puhuttanut paljon näiden läntisten ilmavirtausten päälle hirttäminen 1990-luvulla. Tämän seurauksena talvikuukausien lämpötila nousi männyn metsänrajaseuduilla peräti parilla asteella ja lunta satoi ennennäkemättömän paljon, esimerkiksi kuluneena talvena Käsivarressa jopa kolminkertaisesti ja muualla Lapissa tuplasti normaaliin nähden. 0.8 Kuva 12. Islannin ja Azoreiden välinen ilmanpaine-ero määrää tuulen suunnan. Kun Islannissa vallitsee matalapaine, tuulee Suomessa lounaasta. Tuuli kuljettaa samalla Golf-virran lämpöä, mikä merkitsee lämmintä ja sateista säätä. Ilmiön merkitys on erityisesti talvikautena suuri. Matalan toisella puolella tuulee vastakkaiseen suuntaan. T_FMA r=0.70 JFM Kesä-heinäkuun keskilämpötila on edellisestä poiketen pysytellyt männyn metsänrajalla viimeisten 25 vuoden aikana hiukan 1900-luvun keskiarvon alapuolella. Merkille pantavaa on kuitenkin, että lämpötilan vaihtelu on käynyt viimeisten parinkymmenen vuoden aikana suppeammaksi: huippuhelteet ja kylmänpiikit puuttuvat. Kesänaikainen NAO ohjailee selkeästi kesä-heinäkuun keskilämpötilan vaihtelua (Kuva 13). Myös NAOn ja vuosilustoindeksin vaihtelu on silminnähden pienentynyt. Koska puun kasvu riippuu lämpötilasta, ja lämpötila puolestaan NAOsta, on metsänrajamännyn kasvunkin seurattava NAOn poljentoa. Tämä riippuvuus on merkittävä, sillä se osoittaa metsänrajamännyssä olevan ainesta globaalimuutoksen mittariksi! Pohjois-Atlantin oskillaatiot (NAO). Suomen talvikuukausien lämpimyys 1990-luvulla on yhteydessä suurilmaston vaihteluihin. Pohjois- Atlantin muuttuviin sääoloihin: ilmanpaineen vaihteluita Islannin rannikolla ja Azoreilla kuvaavat NAO-indeksit (kuva 8) osoittavat länsituulten voimistuneen ennenäkemättömällä tavalla erityisesti 1990-luvulla. Länsituulten voimistuminen näkyy Suomessa mm. kasva Lämpötila Keskilämpötila T7 r=0.46 P10 r= Sademäärä Sademäärä Kuva 13a. Helmi-huhtikuun lämpötila korreloi tammi-maaliskuun Nao-indeksin kanssa 0.70:n tasolla. Piirros alakuvassa. NAO-indeksi N7 r=0.38 Kuva 14a. Vuosilustoindeksin riippuvuus lämpöilasta, sademäärästä ja NAOindeksistä. 12

16 12 vana pilvisyytenä, lisääntyvinä myrskyinä ja sateina ja Golf-virran lämpönä. Länsivirtausten vaikutukset näkyvät metsänrajalla ennen kaikkea talvien lämpimyytenä ja lumisuutena. Näiden tekijöiden voi olettaa heijastuvan myös kasvukauteen eri tavoin. Länsivirtauksilla voi olettaa olevan myös suoria vaikutuksia kasvukauteen. Niiden aikaansaama lisääntynyt tuulisuus, pilvisyys ja sateisuus viilentävät ilmastoa verrattuna idänsuuntaisten tuulien mantereisempaan ja lämpimämpään säähän (samat tuulet aiheuttavat talvella kuivan ja kylmän sään). Se selittänee myös kesä-heinäkuun keskilämpötilan staattisuuden. NAO-indeksit viittaavat siihen, että Pohjois- Atlantin tapahtumat voivat ennakoida uutta vaihetta maapallon laajuisessa ilmastonmuutoksessa. Talvilämpötiloissa on havaittavissa nousun lisäksi rajua sahaamista: peräkkäisinä vuosina on joulu-maaliskuun keskilämpötila saattanut muuttua jopa 8 asteella, esimerkkinä vuodet 1984 (-10 ºC) ja 1985 (-18 ºC) (ks. takakansi). Tammi-maaliskuun Nao-indeksi Helmi-huhtikuun keskilämpö Kuva 14b Kesänaikainen NAO vaihtelee ajoittain samaan tahtiin metsänrajamännyn kesä-heinäkuun keskilämpötilan ja myös vuosilustoindeksin kanssa. Kuva 13b. NAO-indeksi on hyvä Pohjois-Atlantin ilmaston vaihteluiden mittari. Se kuvaa Islannissa ja Azoreilla vallitsevien ilmanpaineiden välistä suhdetta. Korkea NAO-indeksi merkitsee Islannin seuduilla matalapainetta, mikä ilmenee Suomessa läntisinä ja lounaisina tuulina. Pieni NAO-indeksi kääntää tuulet vastakkaiseen suuntaan. Talvisydämen (joulu-helmikuu) keskilämpötila seuraa NAO-indeksiä ajoittain hyvinkin tarkasti. Koko 1990-luvun vallinnut korkea NAOindeksi teki vuosikymmenestä poikkeuksellisen lämpimän ja lumisen.

17 Männyn metsänrajailmaston erityispiirteet 1900-luvulla Säätilastojen laskentaperusteet. Metsänrajamännyn ilmastoa kuvaavat säätilastot perustuvat Ojansuun ja Henttosen (1983) ilmastomallilla 54 kohdepisteestä 200 metrin normikorkeuteen merenpinnasta laskettujen keskiarvoihin. Aikasarjoja vertailtaessa on huomioitava, että niiden tarkkuus heikkenee ajassa taaksepäin mentäessä. Syynä ovat sekä sääasemaverkoston harveneminen että ilmastomallin toiminta laadinta-aineistonsa reuna-alueella. Tehdyt sääasemakohtaiset tarkastelut osoittavat kuitenkin, ettei mallin tuloksia voi pitää ainakin suun7taa-antavina. Vuodenajoittaiset vaihtelut. Lämpötilan ja lämpösummien vuotuiset vaihtelut näyttävät myös tasaantuneen merkittävästi viimeisten 15 vuoden aikana (kuva 11 ja takakansi). Ilmiö "syö" siemenvuosille tärkeitä lämpimiä jaksoja. Jos länsivirtaukset jatkuvat edelleenkin yhtä voimakkaina, sillä voi olla siemenvuosia vähentävä vaikutus, mikä puolestaan vaikuttaa metsien uudistumiseen. Näin olen ilmastomme lämpeneminen voi yllättäen johtaa ainakin ohimenevästi metsänrajan peräytymiseen. 2 Vuoden keskilämpötila -1.7 o C 550 Vuoden sademäärä 400 mm Vuosi 11 Touko-syyskuun keskilämpötila 9.7 o C Vuosi 400 Touko-syyskuun sademäärä 236 mm Vuosi -5-6 Loka-huhtikuun keskilämpötila -8.8 o C Vuosi Loka-huhtikuun sademäärä 164 mm Vuosi Kesä-heinäkuun keskilämpötila 11.3 o C Vuosi Kesä-heinäkuun sademäärä 108 mm 14 Kuva 15. Männyn metsärajaseudun ilmasto 1900-luvulla. Värien selitykset: sininen: vuotuisarvot, punainen: tasoitetut 10-vuotisarvot, oranssi: jakson keskiarvo. Keskiarvot myös numeerisina Vuosi Vuosi

18 14 Lämpöolot. Vuotuinen keskilämpötila (taulukko1, TV) on ollut nousussa männyn metsänrajalla viimeisen 15 vuoden ajan. Jaksoon verrattuna se oli 0.6 ºC (-1.1 <--> -1.7 ºC). Yllättävää kuitenkin on, että muutos ei näy kasvukauden aikaisessa keskilämpötilassa: kesä-heinäkuun keskilämpötila T67 on pysytellyt 11 asteen (11.3 ºC) ja lämpösumma LS 650 asteen tuntumassa. Ilmasto on itse asiassa jopa hienoisesti viilennyt viimeisten vuosikymmenien aikana luvulla (jaksolla ) oli kesä-heinäkuussa puolisen astetta keskimääräistä kylmempää (10.8 ºC), mutta toisaalta elokuussa T8 0.5 astetta lämpimämpää (11.2 ºC). Kun 30-vuotisjaksollakin oli kesä-heinäkuussa vain keskimääräisen lämmintä (11.3 ºC), ollaan melko lailla normaalitilanteessa. Tulos sopusoinnussa vuosilustoindekseistä tehdyn päätelmän kanssa, jonka mukaan puiden kasvuolosuhteet ovat olleet viime vuosikymmeninä suunnilleen keskitasoa. Talvikauden (joulu-maaliskuu, taulukko 2, T123) lämpötilat ovat sen sijaan nousseet 1990-luvulla rajusti, jopa yli kolmella asteella jaksoon verrattuna (-13.0 ºC ºC) ja yli kahdella asteella koko 1900-luvun keskiarvoon verrattuna (-12.2 ºC -9.9 ºC). Sateisuus. Metsänrajaseudun vuotuinen sademäärä on noussut 1990-luvulla noin 15 % 1900-luvun keskiarvoon verrattuna (468 <--> 400 mm, taulukko 3, SV). Kasvukauden aikaisessa kesä heinäkuun sateisuudessa ei näytä tapahtuneen sanottavia muutoksia (taulukko 3, S67). Sama tilanne pätee myös touko-kesäkuun olosuhteisiin. Tosin kesä-heinäkuun vuotuisten sademäärien vaihtelu näyttää kasvaneen. Talvikuukausien sateet ovat lisääntyneet rajusti viimeisten kahdenkymmenen vuoden aikana, jopa 50 %:lla, 80 mm:n tasosta 120 mm:n tasoon (taulukko 4, S123). Tosin on huomioitava, että muutosta selittää myös Ilmatieteen laitoksen lumisademäärän mittausmenetelmän tehostuminen vuodesta 1981 alkaen. Kuvassa 15 tulee selvästi esiin sekä vuoden että talvi- Vuodet T5 T6 T7 T8 T9 LS T67 T59 TV Taulukko 1. Kesäkauden keskilämpötilojen ja lämpösumman vaihtelut männyn metsänrajalla. T5-T9: touko-syyskuun kuukausikeskiarvot; LS: lämpösumma; T67: kesä-heinäkuun keskilämpötila, TV: vuoden keskilämpötila. Vuodet T10 T11 T12 T1 T2 T3 T4 T123 T Taulukko 2. Talvikauden keskilämpötilojen vaihtelut männyn metsänrajalla. T10-T4: kuukausikeskiarvot; T123: joulu-maaliskuun keskiarvo; T104: lokahuhtikuun keskiarvo Vuodet S5 S6 S7 S8 S9 S67 S59 SV Taulukko 3. Kesäkauden sademäärien vaihtelut männyn metsänrajalla. S5-S9: kesä-heinäkuun kuukausisademäärät; S67: kesä-heinäkuun sademäärä; S59: touko-syyskuun sademäärä ja SV: vuoden sademäärä. Vuodet S10 S11 S12 S1 S2 S3 S4S123 S Taulukko 4. Talvikauden sademäärien vaihtelut männyn metsänrajalla. S10-S4: loka-huhtikuun kuukausisademäärät; S123: joulu-maaliskuun sademäärä ja S104: loka-huhtikuun sademäärä.

19 15 kauden (loka-huhtikuu) sademäärien trendinomainen nousu. Taulukoiden 1-4 alaosaan on poimittu muutamia 1900-luvun poikkeuksellisia lämpöjaksoja. Niistä mainittakoon jakson suurin keskimääräinen lämpösumma (713 d.d.), jakson korkein vuoden keskilämpötila (-0.6 ºC), jakson pienin talvikuukausien keskilämpötila (-14,2 ºC) sekä jakson pienin keskimääräinen lämpösumma (579 d.d.) ja pienin elokuun keskilämpötila (10.1 ºC). 3.2 Monitieteisen lustotutkimuksen näkökulmia Poikkeukselliset tapahtumat. Lapin pitkään lustosarjaan perustuvat vuodentarkat ajoitukset paljastavat ilmastohistoriasta uusia piirteitä. Eräänä esimerkkinä on vuoden 330 ekr. erikoinen kasvun taantuminen. Lustoista voi nähdä myös puiden kasvudynamiikkaan ja ihmisen toimintaan liittyviä jälkiä. Toistaiseksi on keskitytty tutkimaan pääasiassa vuosiluston leveyttä. Muiden parametrien, esimerkiksi puuaineksen tiheyden ja solurakenteiden, puulustoihin tallentuneiden C 12 - ja C 13 -hiiliisotooppien sekä muiden kemiallisten ominaisuuksien analysointi on vielä aluillaan. Vuosi 330 ekr. Vuosi 330 ekr. oli merkillinen puun kasvun romahtamisen ja hitaan, toistakymmentä vuotta kestäneen toipumisensa vuoksi (kuvat 16 ja 17). Samanlainen poikkeavuus on havaittu myös Keski-Euroopan tammisarjassa. Havaintojen alueellisesta laajuudesta päätellen kyseessä näyttäisi olevan jokin suurilmastoon liittyvä tapahtuma. Tapauksen tarkempi selvittäminen edellyttää monitieteistä lähestymistä eli eri tieteenalueiden käsitysten ja taustateorioiden yhteensovittamista. Tapaus voi kytkeytyä aiemmin noin 2500 ekr. alkaneeseen ilmaston viilenemiseen ja muuttumiseen kosteammaksi (Mangerud et al. 1974). Se ei kuitenkaan riitä selittämään sitä, miksi jotain erityistä tapahtui juuri vuonna 330 ekr. Tapahtumaympäristöä on tarkennettava eri keinoin, mm. muilla ilmastonvaihtelua kuvaavilla proksimuuttujilla (esimerkiksi siitepölyjäänteillä, kasvillisuusjäänteillä, järvisedimenteillä, jäätikkölustoilla, geologisilla kerrostumilla, kallioperän lämpömuistilla, hiili- ja happi-isotooppisuhteilla sekä historiankirjoilla). Näin edeten saadaan palapeli koottua osa osalta ja ehkä selityskin syntyy sen mukana. 13 C- ja 12 C-isotooppien suhde. On viitteitä siitä, että männyn vuosilustoihin varastoituneiden ilmakehän 13 C- ja 12 C hiili-isotooppien suhdetta tutkimalla päästäisiin aiempaa tarkempiin arvioihin muinaisen ilmaston absoluuttisista lämpötilavaihteluista. 13 C/ 12 C-suhde korreloi Kultin (1998) mukaan vuosiluston leveyttä paremmin kesä-heinäkuun lämpötilaparametrien kanssa. Koska suhde on tietyin edellytyksin ilmeisen riippumaton vuosiluston kasvutekijöistä (vuosilusto toimii lähinnä varastona ja ajoittamisen apuvälineenä), merkitsee se mahdollisuutta kuvata ilmaston kesäheinäkuun absoluuttista lämpötilavaihtelua jopa tuhansien vuosien ajalta. Vastaavan tiedon saanti vuosilustojen leveys- tai tiheystiedoista on vaikeaa tai jopa mahdotonta puun kasvun monivivahteisuuden ja puun vain muutamia satoja vuosia pitkän elinkaaren vuoksi. Vuosilustot sopivat paremmin (=erinomaisesti) vuosien välisen vaihtelun tutkimiseen. Dosentti Högne Jungnerin johtamassa Helsingin yliopiston ajoituslaboratoriossa tutkitaan Saariselän kelomäntyjen 13 C/ 12 C-suhteita viimeisten 1000 vuoden ajalta. On mahdollista, että jo lähitulevaisuudessa saadaan tarkentuvaa tietoa mm. pienen jääkauden ( ) ja keskiajan lämpökauden ( ) ilmastosta. Luontaisen vaihtelun rajat. Viimeaikaisessa ilmastotutkimuksessa on koettu tarpeelliseksi tunnistaa ilmaston luontaisen vaihtelun rajat, jotta pystyttäisiin tunnistamaan ihmisen toiminnan vaikutus ilmastonmuutokseen. Tehtävä on osoittautunut arvioitua vaikeammaksi pitkissä aikasarjoissa esiintyneiden puutteiden vuoksi. Uusi 7519-vuotinen metsänrajamännyn vuodentarkka lustosarja, vuosilustoanalyysit ja Jungnerin johtamat isotooppitutkimukset ovat yhdistelmä, joka voisi muodostua merkittä-

20 16 väksi koko maapalloakin koskevassa ilmastonmuutostutkimuksessa. Tavoitteena on luontaisen vaihtelun rajojen tunnistamisen lisäksi vastata myös keskeiseen ilmastotieteelliseen kysymykseen: Miksi ilmasto on käyttäytynyt poikkeuksellisen tasaisesti viimeisen 8200 vuoden ajan? Jos vastaus löydetään, se voi merkitä viisastenkiveä nykyisen suotuisan ilmastokauden jatkamiseksi tai ainakin uusien vaiheiden ennakoimiseksi. 3.3 Lapin mänty kansainvälisessä ilmastotutkimuksessa Kansainvälisen ilmastotutkimuksen mielenkiinto on kohdistunut jo vuosikymmenien ajan pohjoiseen havumetsävyöhykkeeseen alueella, joka ulottuu Ruotsista Venäjän itäosiin. Suomalainen lustotutkimus pääsi täyteen vauhtiinsa vasta 1990-luvulla, jolloin kansainväliset yhteistyökontaktit vilkastuivat erityisesti EUrahoitteisen Advance-10K-projektin käynnistyttyä. Yhdeksän Euroopan maan lustotutkijat paneutuivat kolmeksi vuoksi yhteistyöhön. Projektin tavoitteeksi asetetun pitkän lustosarjan valmistuminen on osoittautunut merkittäväksi yhteistyön virittäjäksi, josta syystä luvun ensimmäisestä viisivuotiskaudesta näyttää kehittyvän monipuolista lustotutkimuksen aikaa. Kansainvälisen lustotutkimuksen tavoitteita. Kansainvälisen lustotutkimusyhteistyön lähivuosien tavoitteina on a) täydentää jo olemassa olevaa lustosarjakoealaverkostoa viimeiset 500 vuotta sisältäväksi ja koko pohjoisen havumetsävyöhykkeen kattavaksi kokonaisuudeksi ja b) vahvistaa 7519-vuotisen suomalaisen ja noin 7000-vuotisen ruotsalaisen metsänrajakronologian näytetiheyksiltään heikkoja kohtia. Kehitettävän verkoston tietoja käytetään mm. vuosittaisten alueellisten keskilämpötilamallien laatimiseen ja viimeisten vuosikymmenien ilmastokehityksen seuraamiseen. Pitkän kronologian lustotiedot yhdistetään muihin proksitietoihin, jolloin on mahdollista laatia suurilmaston mennyttä lämpötilakehitystä kuvaavia malleja. Bradley & al. (1998) näyttivät esimerkkiä laatiessaan männyn vuosilustoihin, Grönlannin jäälustoihin ja Tyynenmeren korallilustoihin perustuvan 1000-vuotisen ilmastomallin, joka kuvaa maapallon ilmaston lämpötilan kehitystä pohjoisella pallonpuoliskolla. Näinkin kaukaa haetut proksimuuttujat toimivat samassa mallissa, sillä niillä on yhteisenä nimittäjänä maapallon suuren lämmönsiirtojärjestelmän toiminta. Pohjoismaisen lustotutkimukset mahdollisuudet. Suomen ja Ruotsin subfossiiliset mäntyaineistot ovat Briffan mukaan erityisesti ilmastotutkimuksen kannalta ainutlaatuiset, sillä mistään muualta ei löydy yhtä hyvällä ilmastovasteella toimivia aineistoja. Metsänrajamännyn merkitys kansainvälisessä ilmastonmuutostutkimuksessa voi korostua, sillä sen muistista on ainakin periaatteessa löydettävissä selitys sille, miksi ilmasto on pysynyt rauhallisena viimeisten 8000 vuoden aikana. Metsänrajamännyn muistin venyttäminen yli 330 ekr. Kuva 17. Näin vaatimattomalta näyttää vuoden 330 ekr. lusto, joka on myös hyvä piikkivuosi. Tutkimus ei ole toistaiseksi saanut selville, mikä aiheutti tuolloisen toistakymmentä vuotta kestäneen puiden kasvuromahduksen.