MEK-C3001 Kuljetusvälitekniikka JOHDATUS TALVIMERENKULKUUN. Pentti Kujala

1 MEK-C3001 Kuljetusvälitekniikka JOHDATUS TALVIMERENKULKUUN Pentti Kujala

2 1. Raportin tavoitteen ja sisällön kuvaus 1.1 Raportin taustaa ja tavoite Meriliikenne on erityisen tärkeää Suomelle, joka tunnetusti on käytännössä saari ja jonka rannat jäätyvät vuosittain. Ympärivuotinen tehokas ja luotettava merenkulku on maallemme elintärkeä, kulkeehan viennistämme tonnimääräisesti n. 90% laivoilla ja euromääräisestikin mitattuna n. 70% viennistä on laivakuljetuksia. Itämeri on laajentuneen EU:n sisämeri, jonka ympäristössä asuu 150 miljoonaa ihmistä, tavaraa liikkuu 500 miljoonaa tonnia ja matkustajiakin on laivaliikenteessä Itämerellä vuositasolla 50 miljoonaa, kuten kuvassa 1.1 on hahmoteltu. Kuva 1.1 Itämeren alueen kuljetusreitit (Vehviläinen, 2006) Jääpeite hankaloittaa liikennöintiä Itämerellä talvikausina. Erityisesti Perämerellä ja itäisellä Suomenlahdella voivat jääolosuhteet olla erittäin hankalat kovana jäätalvena. Jään ulottuvuus Itämerellä vaihtelee suuresti vuosittain, ks. kuva 1.2. Kuva 1.2. Esimerkkejä jääpeitteen laajuudesta Itämerellä (Merentutkimuslaitos)

3 Normaalina jäätalvena koko Perämeri, Selkämeri ja Suomenlahti jäätyvät ja hyvin leutona talvena vain Perämeri ja Suomenlahden itäisin osa. Ankarana jäätalvena koko Itämeri on jäässä. Näin tapahtui edellisen kerran vuonna 1987. Tyypillisesti jäätalvi kestää 2-5 kuukautta. Liikennöintiin talvella tarvitaan jäävahvistettuja laivoja. Varsinkin bulkialusten aikataulu on talvella riippuvainen jäänmurtajien avustuksesta. Tämän raportin tavoitteena on antaa hyvä yleiskäsitys talvimerenkulun eri osa-alueista. Raportti keskittyy Itämeren yksivuotisen jään kysymyksiin, mutta myös varsinaisia arktisia alueita käsitellään soveltuvin osin. Raportissa käsitellään aluksi Itämeren talvimerenkulun järjestelmää ja laivan suunnittelutehtävän kannalta keskeisiä muuttujia. Sen jälkeen esitetään lyhyt kuvaus jäästä ja eri jääolosuhteista. Raportin keskeinen sisältö on jäissäkulkevan laivan suunnitteluun vaikuttavien tekijöiden käsittely sisältäen: jäävastuksen ja jäissäkulkukyvyn laskennan, laivan propulsion ja ohjailun jäissä, jääkuormien laskennan ja laivan runkorakenteiden mitoittamisen. 1.2 Raportin sisältö Raportti koostuu seuraavista luentojen aihepiireistä: - Talvimerenkulku järjestelmänä - 2. Talvimerenkulku järjestelmänä 2.1 Mitä on arktinen merenkulku Laiva- ja meritekniikan kannalta arktisuus-käsite sisältää kaikki jääpeitteiset merialueet (Pohjoinen jäämeri, Itämeri, Ohotanmeri, Kaspianmeri, pohjois-amerikan suuret järvet, Antarktis sekä myös Itämeri, Kaspianmeri, Amerikan suuret järvet). Myös muita määritelmiä kuin jääpeitteisyys arktisuudelle on, kuten ikiroutaan, keskilämpötiloihin (vuotuinen yli 0 o C tai lämpimimmän kuukauden yli 10 o C isotermit) tai esim. puurajaan perustuvat. Kuvissa 2.1 ja 2.2 on esitetty eräitä näistä määritelmistä. Lämpimimmän kuukauden keskilämpötilan 10 o C isotermi kuvaa samalla melko tarkasti jääpeitteen maksimi laajuutta.

4 Kuva 2.1. Arktisen alueen määrittely perustuen lämpimimmän kuukauden 10 o C istotermiin. (UNEP Grid-Arendal, March 1996) Kuva 2.2. Minimi jääpeitteen laajuus vuosina 1982 ja 2008. ( http://maps.grida.no/go/graphic/arctic-sea-ice-minimum-extent

5 -in-september-1982-and-2008 ) Pohjoisen napapiirin rajaama arktinen alue kattaa noin kuusi prosenttia koko maapallon pintaalasta, eli yli 21 miljoona neliökilometriä. Tästä alueesta noin kahdeksan miljoonaa neliökilometriä on maa-aluetta ja yli seitsemän miljoonaa neliökilometriä on alle 500 metrin syvyisiä vesialueita. Suuri osa näiden alueiden sisältämistä hiilivetyvarannoista on vielä täysin käyttämättä. Arktisen alueen tutkimattomat hiilivetyaltaat ja kentät saattavat olla eräs merkittävimmistä alueista tulevaisuuden fossiilisten polttoaineiden hankkimisen kannalta. Arktinen ilmasto on ainutlaatuinen maailmassa. Sitä leimaavat erittäin lyhyt valoisa aika talvella ja vastaavasti kesällä erittäin pitkä valoisa aika. Jää- ja lumialuiden herkkyys pienille lämpötilamuutoksille ja merten herkkyys suolapitoisuuden muutokselle ovat metaanipäästöjen ohella merkittävimpiä asioita, jotka saattavat vaikuttaa mittavaan ja nopeaan ilmastonmuutokseen arktikassa. Arktinen ilmasto on mutkikas järjestelmä, jolla on paljon vuorovaikutusta maailman muiden eri ilmastotyyppien kanssa. Merijäällä on erittäin suuri vaikutus tähän vuorovaikutusprosessiin ja merijään laajuus on tällä hetkellä laskussa. Arktikan maaalueilla ilmastonmuutoksen vaikutuksesta lämpenevä ilmasto on viimeisen kahdeksankymmenen vuoden aikana harventanut kovien talvipäivien yleisyyttä, mikä on puolestaan muuttanut arktisten sisävesien käyttäytymistä talvella. Arktikan kenties leimaavin ominaisuus on alueen merijää. Arktikan merijään laajuus käytännössä kontrolloi alueen lämpö- ja valosäteilyn heijastusta. Alueelta löytyy käytännössä kahdentyyppistä jäätä: ylivuotista jäätä ja kausittaista jäätä. Kausittainen jää on ensimmäisen talven jäätä, eli se on käytännössä ollut aiemmin vettä. Sen paksuus tasajäässä vaihtelee kymmenistä senteistä jopa 2,5 metriin keskeisessä arktikassa. Osa kausittaisesta jäästä selviää talvea seuraavasta kesästä ja muuttuu täten ylivuotiseksi jääksi. Tämä jää on kausittaista jäätä huomattavasti kovempaa ja lähes suolatonta muutaman vuoden kuluessa. Ylivuotinen jää on suunnilleen 3 metriä paksua.arktisten alueiden lämpeneminen johtuu tämänhetkisestä ilmastonmuutoksesta, joka nostaa jatkuvasti vuosittaista keskilämpötilaa. Tämä lämpötilan nousu on alkanut sulattaa ikiroutaa, josta vapautuu metaanikaasuja ilmakehään. Metaani on vahva kasvihuonekaasu, joten jatkuva metaanin purkautuminen ilmakehään puolestaan yhä edesauttaa ilmaston jatkuvaa lämpenemistä. Myös vuosittaisen minimijään laajuus on kärsinyt tästä kohonneesta keskilämpötilasta, mikä on varsin selkeästi nähtävissä kuvasta 2.2. Vuosi 2007 oli arktikalle lämpimin ikinä mitattu vuosi. Vuosien 2005 2007 kesien lopussa arktikassa oli laajoja määriä avovesialueita. Vuonna 2007 jään laajuuden mitattiin olevan 39 % alle vuosien 1979 ja 2000 välisten keskiarvon. 1950 1970-lukujen keskiarvoon verrattuna jään laajuudenarvioitiin tilastojen perusteella olevan noin 50 % pienempi. Vuoden 2007 kesän jään vetäytyminen näkyi selvimmin itäisen Siperian sekä Laptevin meren, Beaufortin meren ja Kanadan saariston alueella. (Arctic Climate Impact Assessment, 2007, Arctic Report Card, 2008) Merkittävää laivaliikennettä jääpeitteisillä vesillä on pääosin vain Itämerellä, esimerkiksi Suomessa n. 20 000 laivakäyntiä talvisatamiin talviaikana. Suomenlahden satamien laajentaminen ja kokonaan uusien satamien rakentaminen erityisesti Venäjälle on kasvattanut ja tulee edelleen kasvattamaan voimakkaasti meriliikennettä alueella. Lisäksi vilkas matkustajaliikenne Suomen ja Viron välillä on lisännyt alueella liikkuvien alusten lukumäärää. Öljykuljetukset olivat vielä 2000-luvun alussa n. 50 miljoonan tonnin tasolla vuosittain ja vuonna 2008 niiden määrä kasvaa jo 140 miljoonaan tonniin. 200 miljoonaan tonnin vuositaso ylitettäneen ensi vuosikymmenellä, kuten kuvassa 2.3 on hahmoteltu. Tämä tarkoittaa, että Suomenlahdella liikennöi vuositasolla jopa 6000 tankkeria, mikä tarkoittaa n. 15-17 tankkeria päivittäin.

6 Gulf of Finland Oil and oil products terminals Oil [Mtons] 300 250 200 150 100 50 0 Helsinki Sköldvik Kotka Hamina Vysotsk Primorsk SPB 2000 2005 2006 2010 2015 Muuga Batareynaya Ust Luga SYKE, VTT, 2008 Tallinn Sillamäe St Petersburg Kuva 2.3 Öljykuljetusten kasvu Suomenlahden satamiin. Tämän lisäksi laivaliikennettä on myös pohjois-amerikan Suurilla Järvillä, missä kanava merelle sulkeutuu talveksi mutta laivaliikennettä on järvialueen sisällä. Laivaliikennettä on myös St. Lawrence merireitillä mereltä mm. Quebec Cityyn ja Montrealiin. Lisäksi laivatoimintaa on nykyään myös Ohotan merellä ja Kaspianmerellä liittyen öljyn tuottamiseen. Varsinainen arktinen merenkulku tapahtuu pääosin Venäjän pohjois-eteläsuuntaisilla suurilla joilla. Tämä toiminta liittyy pohjoisten yhdyskuntien huoltamiseen etelästä jokea pitkin, joen eteläpäässä kun on liittymä rautatieverkkoon. Laivaliikenne pitkin Koillisväylää on pienentynyt viime vuosina, mutta siellä odotetaan merkittävää kasvua lähi vuosina seurauksena ilmaston lämpenemisestä ja öljy- ja kaasuntuotannon laajetessa Itään Venäjän Pohjoisosissa. Toimintaa muualla arktikassa, kuten Luoteisväylällä, on vain vähän. Kanadan pohjoisessa laivaliikenne suuntautuu pääosin mineraalikuljetuksiin. Myös Grönlannin öljyhuolto talvisin voidaan katsoa arktiseksi laivaliikenteeksi. Kuvassa 2.4 on esitetty arktisia laivaväyliä. Suomessa arktinen merenkulku tarkoittaa talviliikennettä Suomen satamiin. Koska tämä talviliikenne on jokavuotista, tarvitaan soveltuvaa kalustoa ja tietämystä. Tämä jatkuva tiedon ja tietämyksen tarve antaa hyvän pohjan harjoittaa arktisen laiva- ja meritekniikan tutkimusta kotikentällä. Tämän tietämyksen siirtäminen arktisiin olosuhteisiin antaa meille kilpailuedun. Arktisten energiavarojen potentiaalinen hyödyntäminen luo tarvetta meriteknisten rakenteiden ja laivojen käyttöön ja tällöin Suomessa kehitetty tietämys talvimerenkulun osaongelmista voidaan valjastaa käyttöön.

7 Kuva 2.4. Arktisen alueen laivaväylät (Artic Marine Transport Workshop, Syyskuu 2004) 2.2 Talvimerenkulkujärjestelmä Itämerellä on toimiva talvimerenkulkusysteemi infrastruktuuri, johon liittyy kolme tekijää; jäänmurtajat, viranomaisten toimet (jääsäännöt, liikennerajoitukset ja väylämaksut) ja jäävahvistettu kauppalaivasto. Järjestelmä on kehittynyt vuosien varrella alkaen vuodesta 1877, kun SS Expressen II alkoi liikennöidä Turusta Tukholmaan. Tämä liikenne ei kuitenkaan jatkunut kauaa. Jonkinlainen ympärivuotinen liikenne alkoi Hangosta 1890, kun ensimmäinen jäänmurtajasta otettiin käyttöön. Ympärivuotinen liikenne Turkuun käynnistyi jäänmurtaja Sampon käyttöönoton yhteydessä 1899. Talvimerenkulkujärjestelmä koostuu siis kolmesta tekijästä, ks kuva 2.5: Kauppa-alukset: Varustamot kehittävät taloudellisesti kannattavia laivatyyppejä vastaamaan kuljetuskysyntään ja ottaen huomioon talvimerenkulun

8 Jäänmurtajat Viranomaistoiminnot vaatimukset. Laivat ovat kompromissi jäissäkulkukykyvaatimuksista ja avovesivaatimuksista. Kaikille aluksille, jotka täyttävät liikennerajoitusten vaatimukset annetaan jäänmurtaja-apua kaikkiin talvisatamiin. Liikennerajoitukset sanelevat ne laivat (koot ja jääluokat), joille annetaan jäänmurtaja-apua. Kuvassa 2.6 esimerkki liikennerajoitusten kehityksestä talvellla 2001. Suomalaisruotsalaiset jääluokat antavat rakenteelliset ja suorituskykyvaatimukset laivoille. Lisäksi vielä väylämaksut määräytyvät laivan jääluokan ja bruttovetoisuuden mukaan kuten kuvassa 2.7 on esitetty erikseen lastialuksille ja matkustajaaluksille. Lisäksi risteilyaluksille ja suurnopeusaluksille on omat, jääluokasta riippumattomat väylämaksut. Väylämaksu veloitetaan käyntia kohden Suomen satamissa aina 10 käyntiin asti/vuosi lastialuksille ja 30 käyntiin asti matkustaja-aluksille. TALVIMERENKULKUSYSTEEMI Jäänmurtajat * liikenteen sujuvuus * Jäänmurtajien lukumäärä Kauppa-alukset * Liikenteen taloudellisuus * Jääluokan valinta Jääsäännöt Liikennerajoitukset * Liikenteen turvallisuus * Liikenteen jatkuvuus Kuva 2.5. Suomen ja Ruotsin talvimerenkulun systeemi

9 THE DEVELOPMENT OF TRAFFIC RESTRICTIONS TO TORNIO, KEMI AND OULU, WINTER 2001 IAS IA 28.2. 12.3. Ice class IB 12.2. II 12.1. 27.12. 2000 3000 4000 Ship deadweight, dwt Kuva 2.6. Esimerkki liikennerajoitusten kehityksestä talvella 2001 Perämeren satamiin. Väylämaksu [euro] 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 0 20000 40000 60000 80000 100000 NT 1A Super 1A 1B,1C II,III Kuva 2.7a. Väylämaksun suuruus eri jääluokissa nettovetoisuuden mukaan esitettynä lastialuksille.

10 Väylämaksu [euro] 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 0 10000 20000 30000 40000 50000 NT 1A Super 1A 1B,1C II,III Kuva 2.7b. Väylämaksun suuruus eri jääluokissa nettovetoisuuden mukaan esitettynä matkustaaluksille. 2.3 Talvimerenkulun kehitys Talvimerenkululla Itämerellä on siis yli sadan vuoden historia.. Aluksi pidettiin auki vain Hangon ja Turun satamat ja 1920 luvulla otettiin mukaan Helsinki, Kotka, Pori ja Rauma, nämä tosin vain leutoina talvina. Hamina ja Kaskinen tulivat mukaan 1950-luvulla ja Kokkola oli auki ensimmäisen kerran 1961. Suomessa tehtiin päätös 1970-luvun alussa pitää kaikki talvisatamat avoinna. Samalla rakennettiin kaksi voimakasta jäänmurtajaa, JM Urho ja JM Sisu. Tästä hetkestä alkaen kaikki talvisatamat ovat olleet avoinna ympäri vuoden. Talvimerenkulku tieteenä on hyvin nuori. Varsinainen tutkimus laivojen jäissäkulusta alkoi 60- luvulla jäänmurtajien propulsion ja jäävastuksen tutkimuksella. Venäläiset tutkijat ovat olleet monella jäänmurtamisen osa-alueella tutkimuksen pioneerejä. Suomessa talvimerenkulun tutkimus käynnistyi 1960 luvun lopulla teollisuuden toimesta liittyen tarpeeseen kehittää jäissäkulkevia laivoja ja jäänmurtajia, joita tehtiin pitkiä sarjoja entiseen Neuvostoliittoon. Systemaattisempi tutkimuslaitosten ja yliopistojen vetämä julkinen tutkimus käynnistyi 1970- luvun lopulla ja on jatkunut aktiivisesti siitä lähtien. Suomi on ollut edellä kävijä monella talvimerenkulun tutkimuksen alueella. Itämeri tarjoaa meille erinomaiset kenttätutkimusten mahdollisuuden ja täällä kehitettyjä teoreettisia malleja ja uusia teknologisia innovaatiota on menestyksellä sovellettu myäs muilla arktisilla alueilla Käsitys jäänmurtamisen periaatteista on heijastunut voimakkaasti laivaratkaisuihin ja laivan rungon jäävahvistukseen. Tutkimus- ja kehitystyö on keskittynyt toisaalta laivan suorituskykyyn jäissä ja toisaalta laivan kohtaamiin jääkuormiin ja rungon mitoitukseen. Laivan jäävastuksen

11 ymmärryksessä kehitys oli voimakasta 1960-luvun lopulla ja 1970-luvun alussa (Kashteljan, Enkvist). Kehitystyö keskittyi aluksi tasaisen jään vastukseen ja myöhemmin laivan suorituskykyyn valliintuneessa jääkentässä (Keinonen). Valliintuneen kentän käsittelyn teorioista on johdettu myös laivan rännivastuksen laskentamenetelmät, jotka vuonna 2000 otettiin myös Suomalais-Ruotsalaisissa jääsäännöissä käyttöön. Laivojen kohtaamien jääkuormien perusilmiöiden teoreettisessa mallinnuksessa ovat venäläiset tutkijat olleet uranuurtajia (Popov, Likhomanov, Kheisin). Suomessa käynnistyi voimakas panostus aiheeseen 1970-luvun lopulla sisältäen mm. laajoja mittauksia täydessä mittakaavassa (Urho, Sisu, Igrim, Kemira, Arcturus). Täysmittakaavamittaukset paljastivat, että jään aiheuttama painekontaktin korkeus on selvästi pienempi kuin jään paksuus ja paineet ovat suurempia kuin aikaisemmin oli ajateltu. Ymmärrettiin lisäksi, että myös jäälaatan alla oleva vesi pitää huomioida jääkentän dynaamisessa taivutuksessa, kun laiva murtaa jäätä (Varsta). Täysmittakaavamittaukset osoittavat myös jääkuormien suuren hajonnan ja tilastollisen luonteen, joka on seurausta sekä jääolosuhteiden että laivan jääoperointitilanteiden suuresta vaihtelusta. 1980-luvun loppu ja 1990-luvun alku oli aktiivista jään murskaantumisen tutkimuksen aikaa. Tällöin havaittiin laboratorio ja täysmittakaavakokeissa, että jään aiheuttama kontakti voi olla lähes viivamainen ja tällä viivalla paineet ovat hyvin suuria (Riska, Joensuu). Propulsiolaitteiston ja laivan koneiston valinta on aina ollut keskeistä jäissäkulkevia laivoja kehitettäessä ja sunniteltaessa. Jäissäkulku poikkeaa avovedestä siinä, että usein liikutaan pienillä nopeuksilla, mutta kuitenkin tarvitaan suuria tehoja. Lisäksi jäät aiheuttavat suuria iskumaisia kuormituksia potkurilaitteistoon ja potkurin lapoihin. Dieselsähköinen koneisto oli ensimmäisen kerran käytössä JM Sisussa v. 1939. Dieselsähköisellä koneistolla saadaan potkuriakselista suuri vääntömomentti ja teho myös pienillä potkuriakselin pyörimisnopeuksilla. Myös POD-propulsion (ruoripotkurilaitteistot) kehitys käynnistyi jäissäkulkevissa laivoissa 1990-luvulla (Seili, Uikku), ks kuva 2.8. POD-propulsio parantaa laivan operointikykyä kuten ohjailua ja peruuttamista jäissä. Tosin myös Z-veto laitteita on menestykkäästi käytetty jäissä kulkevissa laivoissa. Uusimpana suomalaisena innovaationa on ns. Double Acting Tanker (DAT) - konsepti, joka avovedessä liikennöi normaalisti eteenpäin, mutta jäissä peruuttaa. Näin voidaan laivan keulan muoto valita avoveteen sopivaksi ja perän muodossa huomioidaan jään aiheuttamat vaatimukset. Mallimittakaavassa tehdyillä kokeilla ja havainnoilla on ollut keskeinen rooli erityisesti laivan suorituskykyyn liittyvien menetelmien kehityksessä. Suomessa jäämallikoetoiminta käynnistyi 1969 Wärtsilän toimesta Vallilassa WIMB:ssä (Wärtsilä Ice Model Basin). Suomen nykyiset jäänmurtajat voidaan jakaa kolmeen sukupolveen kuten kuvassa 2.9 on esitetty. Suurin muutos jäänmurtajissa tapahtui kehiteltäessä Nordica ja Fennicaa, joista tehtiin monitoimimurtajia. Näin niitä voidaan käyttää kesäaikana offshore toiminnassa avovedessä. Tämä vaati rungon muodon merkittävää kehittämistä niin, että jäänmurtaja on käyttökelpoinen myös avovedessä. Myös uudet ruoripotkurijärjestelmät ovat edesauttaneet ketterien ja hyvillä ohjausominaisuuksilla varustettujen murtajien kehitystä. Uusin murtaja on Botnica (rakennettu 1998) ja siinä on propulsiolaitteena kaksi Azipodia perässä, koneteho 10 MW. Laivan pituus 96.7 m ja leveys 24 m.

12 Kuva 2.8. POD-propulsio asennettuna MS Seiliin Helsingin telakalla Rakennusvuosi 1975/1976 1986/1987 1993/1994 Pituus 106,6 m (L oa ) 99 m 116 m Leveys 23,8 m 24,2 m 26 m Syväys 8,3 m 8 m 8,4 m Paino (Uppoama) 9660 t 9130 t 9700 t Teho 16,2 MW 15 MW 15 MW Koneiden lukumäärä 5 4 4 Voimantuotantotapa Diselsähkö (DC/DC) Dieselsähkö (AC/AC) Dieselsähkö (AC/AC) Propulsiolaitteisto/ Konventionaalinen/4 Konventionaalinen /2 Aquamaster /2 Potkurien lukumäärä + vesisuihku Henkilöstö 33 25 24 offshore, 21 jm Majoituspaikat 82 32 82 Paaluvetovoima 162 t 153 t 234 t Nopeus avovedessä 19 solmua 18,5 solmua 16,5 solmua Nopeus kiintojäässä 8,5 solmua/0,8 m 10 solmua/0,8 m 9,5 solmua/0,8 m Kuva 2.9. Suomen nykyisten jäänmurtajien kolme sukupolvea

13 2.4 Talvimerenkulun analyysin tarkastelutasot Kehitettäessä jäissäkulkevia laivoja, tavoittena on hyvä jäälaiva, joka on taloudellinen, turvallinen ja suorituskyvyltään sopiva suunniteltuun tehtävään. Kuvassa 2.10 on hahmoteltu suunnittelutehtävän vaiheita. Turvallisuus käsittää ennen kaikkea, että laivan propulsiolaitteisto ja runko on mitoitettu kestämään jäiden aiheuttamat rasitukset. Turvallisuudessa tärkeä elementti on lisäksi miehistön jäissäkulun kokemus ja kyky liikkua jäisssä. Suorituskyvyn arviointia varten pitää tuntea laivan jäävastus ja jään aiheuttamat kuormat sekä tasaisessa että valliintuneessa jääkentässä. Taloudellisuus vaatimusten seurauksena laivat tulee suunnitella niin, että ne ovat kilpailukykyisiä ympäri vuoden. Esimerkiksi Itämerellä liikennöivät laivat kilpailevat kesällä puhtaasti avoveteen suunniteltujen laivojen kanssa. Laivan hyvyys Turvallisuus Suorituskyky Taloudellisuus Jääkuormat Jäävastus Jäävallien ja ajojään mekaniikka Tasaisen jään mekaniikka Laiva/jää vuorovaikutuksen mekaniikka Laivan rungon mekaniikka Kuva 2.10. Laivan jäissäkulun hyvyyden tarkastelun vaiheet Talvimerenkulun tarkastelutasot voidaan edelleen jakaa seuraaviin tasoihin: laaja skaala, laiva skaala, paikallinen mittakaava ja mikroskaala. Laaja skaala Luonnon jään makroskooppinen käyttäytyminen Jääolosuhteiden kuvaus Jään ominaisuudet Tämä käsittää kuljetusjärjestelmän suunnittelun, riskianalyysit (FSA) ja logistiset analyysit. Jääpeite otetaan huomioon vain merialueen jääolosuhteita kuvaavien suureiden keskimääräisten arvojen kautta. Tavoitteena laskea kuljetusjärjestelmän taloudellisuutta arvioimalla

14 keskinopeuksia eri laivakonsepteille eri konetehoilla. Riskianalyysit perustuvat useimmiten pitkän ajan tilastoihin jäävaurioista ja laivojen törmäyksistä sekä karilleajoista jäissä. Laivaskaala Laivan ja laivarakenteiden suunnittelun kannalta keskeinen tarkastelutaso. Analysoidaan laivan vuorovaikutusta erillisten jääolojen, kuten jäävallien tai laivarännien, kanssa. Tarkasteltavina suureina laivan kulkuvastus eri jääolosuhteissa ja laivan sekä propulsiolaitteiden kohtaamat kuormat eri olosuhteissa. Paikallinen mittakaava Tällä tasolla voidaan tarkastella esimerkiksi laivojen jääkuormien mekaniikkaa, joka käsittää laivan ja jään kontaktin ja sen seurauksena tapahtuvan jääpeitteen taipumisen ja murtumisen. Mikroskaala Jään ja laivan vuorovaikutuksen mekaniikan yksityiskohtainen tarkastelu, erityisesti jään murskausprosessi ja sen aiheuttama jääpaineen jakautuminen. Tällä tasolla pitää tuntea yksityiskohtaisesti jään ominaisuuksia lähtien jään kiderakenteesta. Kullekin mittakaavalle on ominaista käytettyjen menetelmien sisältämät yksityiskohdat. Laajemmassa mittakaavassa jäät tarvitsee tuntea vain keskimääräisesti ja paikallinen vaihtelu voidaan jättää huomiotta. Kun edetään pienempään mittakaavaan tarvitsee tuntea enenevässä määrin jääpeitteen ominaisuuksia. Tässä Talvimerenkulku-kurssissa keskitytään pääosin laivaskaalaan. Laajan skaalan analyyseistä tulee hieman puhetta kurssin lopulla ja pienemmän mittakaavan tarkastelut esitetään arktisen laiva- ja meritekniikan erikoiskursseissa. 2.5 Lähdeluettelo Arctic Climate Impact Assessment Scientific Report. Cambridge University Press. 2007. ISBN-13: 9780521865098 ISBN-10: 0521865093. http://www.acia.uaf.edu/pages/scientific.html Arctic Report Card. National Oceanic and Atmospheric Administration. 2008. http://www.arctic.noaa.gov/reportcard/ INSKO:n kurssi 3 l-86. Talvimerenkulku. 1986. Daley, C. & Riska, K.,1990. Review of Ship-Ice Interaction Mechanics. TKK Laivanrakennustekniikka raportti M-102. Jääsalo, Helge: Pohjoisen satamat auki (Keeping the Northern Ports Open). Kustannus Oy Pohjoinen, Oulu 1980, 277 s. Riska, K., 1999. Research and development in winter navigation. Lecture notes e at the PORTS AND SHORT SEA SHIPPING - A Baltic Seminar, 14-15 June 1999, Turku, FINLAND Vehviläinen, 2006. Ice day, Kemi, March 2006.