Hydrologia. Lumen ja jään fysikaaliset ominaisuudet

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Hydrologia. Lumen ja jään fysikaaliset ominaisuudet"

Jalmari Toivonen
7 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 Hydrologia L5 Lumi ja jää Lumen ja jään fysikaaliset ominaisuudet Uuden lumen tiheys 100 kgm -3, tyynellä säällä sataneen lumen tiheys, jopa vain 20 kgm -3 Puhtaan jään tiheys 917 kgm -3, kohvajään arvot kgm -3 Lumen ja jään ominaislämpö noin puolet veden ominaislämmöstä ja kasvaa hiukan lämpötilan noustessa. Lumen lämmönjohtavuus vaihtelee huomattavasti tiheyden, kiderakenteen ja lämpötilan mukaan (Kuva 4-1). Jään lämmönjohtavuus kertainen lumen arvoihin nähden Lumen kitka laskee lämpötilan noustessa (Kuva 4-2) Jää laajenee lämmetessään 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 2 1

2 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 3 Lumimittaukset Sadanta lumena: sulatetaan sademittariin kertynyt lumi Lumensyvyys sauvoilla: Sauvaasemalla esim. 25 sauvaa metsässä ja aukealla 9 sauvaa 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 4 2

3 Lumipeitteen vesiarvon mittaus Lumen vesiarvo: punnitsemalla luminäyte Lumilinjat alueellisen tiedon saamiseksi: esim. lumen syvyys 80 paikassa tai 50 m välein tiheys joka 5. paikassa mennään suoraan läpi koko maaston Lumityynyt Aerogammaspektrometria: maaperän luonnollinen gammasäteily vaimenee lumessa Kuva /01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 5 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 6 3

4 Lumikuorma = lumen vesiarvosta laskettu paino Suomen ympäristökeskus (SYKE) 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 7 Hydrologinen kk-tiedote, XII /01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 8 4

5 Lumipeitteen massatase missä: W s =lumipeitteen vesiarvo, P s =sadanta lumena, P l =sadanta vetenä, Y=lumipeitteen vedentuotto (tihkuvesi maahan), E=haihdunta, D=tuulen aiheuttama kuljetus oikean puolen termit ovat kumulatiivisia (mm lumipeitteen muodostumisesta alkaen) 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 9 Maksimivesiarvot Suomessa Lumipeitteen keskimääräisen maksimiarvon osuus vuosisadannasta vaihtelee 15 (L-S) 30 % (Lappi) välillä (Kuva 4-5) Keskimääräinen lumipeitteen vesiarvon maksimi Etelä-Suomessa mm, Pohjois-Suomessa mm (Kuva 4-6) Maksimivesiarvot maaliskuun puolivälistä huhtikuun loppuun (Kuva 4-8) Metsässä samaan aikaan kuin aukealla, mutta sulaminen metsässä hitaampaa 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 10 5

6 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 11 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 12 6

7 Lumen sulaminen: ominaisuuksien kehitys sulamiskautena Lyhtyaaltoinen säteily tärkeää Kiderakenne muuttuu nopeammin: kostea metoformismi Tiheys kasvaa tasolle kgm -3, sen jälkeen lumi ei enää pysty pidättämään vettä (Kuva 4-9) Albedon muutokset (Kuva 4-10) 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 13 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 14 7

8 Lumen syvyys talvella /01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 15 Lumen tiheysprofiileja 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 16 8

9 Lumentiheys syvyyden funktiona eri ilmastoalueilla Suomessa (Oksanen, 1999) 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 17 Sulanta vs. vedentuotto Sulanta: tietyllä aikavälillä kiinteästä faasista nestemäiseen faasiin siirtynyt ainemäärä Vedentuotto: sen vesikerroksen paksuus, joka tietyllä aikavälillä vapautuu lumipeitteestä Sulantaan sisältyy uudelleen jäätyminen ja haihdunta kiinteästä olomuodosta (sublimaatio) 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 18 9

10 Sulannan suuruus Pääosa vedentuotosta tapahtuu iltapäivällä: Lammilla havaittu aurinkoisena päivänä klo aikana tapahtui 65% vrk-sulannasta (Kuva 4-11) Yksittäiset sulanta-arvot jopa 3..4 mmh -1 Lumipeitteen vedentuotto voi aukeilla olla noin mmvrk -1 Metsässä maksimivedentuoton vrk arvot 30 60% pienempiä kuin aukeilla Keskimääräiset maksimivedentuotot 5 30 vrk:n jaksoilla (Kuva 4-12) 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 19 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 20 10

11 Lumipeitteen energiatase H m =sulantaan käytettävissä oleva lämpömäärä, H sn =lyhytaaltoinen nettosäteily, H ln =pitkäaaltoinen nettosäteily, H c =konvektiivinen (havaittu) lämmönvaihto, H e =latentti lämmönvaihto, H p =sateen tuoma lämpömäärä, H g =lämmönvaihto lumipeitteen alapinnalla, H t = lumipeitteen sisäisen lämpövaraston muutos Jokioinen ja Sodankylä: Säteilytaseen osuudet sulannasta 48 ja 58%, konvektiivisen lämmönvaihdon osuudet 47 ja 40 %. Latentin ja sateen aiheuttaman lämmönvaihdon osuus pieni 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 21 Yksinkertainen sulantamalli M=K m (T-T 0 ), missä M=sulanta, K m =astepäivätekijä, T=ilmanlämpötila, T 0 =kynnyslämpötila Pienessä mittakaavassa K m = 3,5 mm 0 C -1 d -1 aukeilla, metsässä 2,8 1,2 mm 0 C -1 d -1 riippuen latvusten peittävyydestä (20.80%) Valuma-aluetasolla 2-3 mm 0 C -1 d -1 Kynnyslämpötila edustavalla paikalla lähellä nollaa. Peltoja, soita ja muita aukeita edustavilla alueilla se on noin -1 0 C 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 22 11

12 Sulannan seuranta satelliittikuvista SYKE:n kaukokartoitusyksikkö Lumen peittämät alueet ja Valkoinen=pilvistä 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 23 Järvijään muodostuminen Veden pinnan alijäähtyminen horisontaaliset jääneulaset väliin ohuita levymäisiä kiteitä kiteet kasvavat Rantojen jäätyminen Lahtien jäätyminen Näköpiirissä olevan järven osan jäätyminen Lopullinen jäätyminen Kuva /01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 24 12

13 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 25 Jään paksuuskasvu Kasvaa aluksi nopeasti, mutta hidastuu sitten jään pienen lämmönjohtavuuden takia Lumi eristää ja hidastaa paksuuskasvua Alapinnan lämpötila lähellä 0 0 C. Yläpinta lähellä ilman lämpötilaa railojen synty: 1 km matkalla 20 0 C nousu jääpeite laajenee cm Lumi painaa ja vesi voi nousta jäälle. Nousun tapahtuminen laskettavissa Arkimedeen lain avulla (Taulukko 4-1). Kohvajää: jäätynyttä sohjoa Jään ja lumen paksuus vaihtelee järvillä (Kuva 4-15) Maksimipaksuus cm, sen ajankohta maalis-huhtikuussa (Kuva 4-16 ja 4-17) 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 26 13

14 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 27 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 28 14

15 Jäänlähtö Rantojen sulaminen Sulien kohtien ilmestyminen ulommaksi Jään liikkuminen Jään katoaminen Nopeampi prosessi kuin jäätyminen Voidaan ennustaa tyydyttävästi kevään lämpösumman avulla Keskimääräinen lopullinen jään katoaminen 30.4 (L-S) (Käsivarsi) välisenä aikana (Kuva 4-18) 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 29 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 30 15

16 Jokijään synty Virtaavassa vedessä turbulenssi tuo lämpöä pintaan. Jokien jäätyminen useita viikkoja myöhäisempää järviin nähden, Jäätyneisiinkin jokiin jää sulia ja heikkojäisiä paikkoja Dynaaminen jäänkasvu rantajäätä ei muodostu, jos virtausnopeus yli ms -1 ei jääkantta alijäähtynyttä jokivettä irrallisia jääkiteitä kiinnittyessään kiviin, pohjaan, rakenteisiin muodostuu suppoa eli hyydettä suppo lisääntyy kunnes lämmönhukka ilmaan on suurempi kuin kiteytyessä vapautuva energia (Kuva 4-19) 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 31 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 32 16

17 Jääpadot Jokiveden mukana kulkeutuvien jäälauttojen aiheuttamia Pintapato tai kuivapato Estäminen räjäyttämällä, sahaamalla, tummentamalla jään pintaa tai jokiosuuden porrastamisella patojen avulla 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 33 Jäätiköt Maapallosta noin 16,2 milj. km 2 jään peitossa. Antarktis noin 87 %, Grönlanti 10 %. Jäätiköiden kokonaistilavuus noin 31 milj. km 3 Jäätikön osat (perusteina metamorfoosi ja massatase) Kuivan lumen vyöhyke: ei sula koskaan, hidas tiheyskasvu, lämpötila aina alle 0 0 C Suotautumisvyöhyke: osittaista sulamista, lumi ei kostu edellisen kesän pintaan asti Kyllästynyt vyöhyke: koko lumikerros kostuu, kostea metamorfismi vallitsee Firnvyöhyke: sulamisveden muuttavat edellisvuotisen lumen kokonaan kohvamaiseksi firniksi Ablaatiovyöhyke: vuotuinen sulanta vuotuista akkumulaatiota suurempi 03/01/2013 WETA150 Hydrologia T.Huttula 34 17

Samankaltaiset tiedostot

Hydrologia. Säteilyn jako aallonpituuden avulla

Hydrologia. Säteilyn jako aallonpituuden avulla Hydrologia L3 Hydrometeorologia Säteilyn jako aallonpituuden avulla Ultravioletti 0.004 0.39 m Näkyvä 0.30 0.70 m Infrapuna 0.70 m. 1000 m Auringon lyhytaaltoinen säteily = ultavioletti+näkyvä+infrapuna