Yksikkö ESY / Maaperä ja ympäristö Raportti 16/212 Espoo F1 F2 F3 Lumen yläpinta Maapulssi 2 15 1 5. -5 2. 4. 6. 8. 1. 12. -1-15 -2 Lumen vesiarvon määrittäminen maatutkaluotauksella Pekka Hänninen, Juha Majaniemi, Raimo Sutinen ja Matti Piekkari
Ylätunnisteen tekstirivi 1 GEOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS KUVAILULEHTI Päivämäärä / Dnro Tekijät Pekka Hänninen, Juha Majaniemi Raimo Sutinen, Matti Piekkari Raportin laji Arkistoraportti Toimeksiantaja Raportin nimi Lumen vesiarvon määrittäminen maatutkaluotauksella Tiivistelmä Tässä tutkimuksessa käytettiin GTK:n maatutkaluotauslaitteistoa ja sen 1 GHz:n antennia. Signaalin käsittely osoitti, että mittaus on erittäin tarkka ja hyvin toistettavissa. Maatutkaluotauksen maapulssin amplitudin avulla voidaan luokitella maan pinnan kosteus, kun väliaineena on ilma. Kuitenkaan lumen sulamisaikaisen pintamaan kosteudelle ja maapulssin amplitudille ei saatu riippuvuutta, sillä sulamisvaiheessa lumi sisältää vapaata vettä, joka vaikuttaa sähköaallon amplitudiin. Vaikka lumen yläpinnan paikkaa ei voitu määrittää, niin pelkän maapulssin ajallisen siirtymän perusteella voidaan laskea lumen sisältämän veden määrä. Koska kuiva lumi on jään (ε j =3.2) ja ilman (ε i =1) dielektrinen seos voidaan, kun maatutka-antennin etäisyys maasta on vakio (s i ), laskea jään osuus (X) pelkän maanpulssin kulkuajan (t il ) perusteella: X = (((t il *c) / s i )² - ε i ) / (ε j -ε i ), jossa c on valon nopeus 3 cm / ns. Yhtälössä ainoana muuttujana on aika. Kun merkitään A = (c / s i )² / (ε j -ε i ), ja B = ε i / (ε j -ε i ), saadaan yksinkertainen muoto X =t il ²*A B. Asiasanat (kohde, menetelmät jne.) Maatutkaluotaus, lumen vesiarvo, maan kosteus Maantieteellinen alue (maa, lääni, kunta, kylä, esiintymä) Karttalehdet Muut tiedot Arkistosarjan nimi Arkistotunnus Kokonaissivumäärä 11 Kieli Suomi Hinta Julkisuus julkinen Yksikkö ja vastuualue ESY, maaperä ja ympäristö Hanketunnus Allekirjoitus/nimen selvennys Allekirjoitus/nimen selvennys
Ylätunnisteen tekstirivi 1 Sisällysluettelo Kuvailulehti 1. JOHDANTO 1 2. MENETELMÄKUVAUS 2 3 SIGNAALIN TARKKUUS JA TOISTETTAVUUS 2 4 MAAN PINTAKOSTEUS JA MAAPULSSIN AMPLITUDI 4 5 LUMIKERROKSEN VESIPITOISUUS 7 6 JOHTOPÄÄTÖKSET 9 KIRJALLISUUSLUETTELO 11
Ylätunnisteen tekstirivi 1 1 1 JOHDANTO Suomen vesitaloudessa lumen sulaminen on vuosittain yksi merkittävimmistä tapahtumista (mm. Soveri, 1985). Maan kosteus alkaa nousta heti lumen sulamisen alettua, usein lähes kuukautta ennen maan lämpenemisen alkamista (Sutinen & all. 27, Sutinen & all. 29). Yleensä pääosa lumesta sulaa kahden viikon aikana. Lumikerroksen sisältämän veden määrän arviointiin käytetään pääasiassa lumen paksuusmittauksia, joita täydennetään lumen tiheyden määrityksillä. Vaikka jo pitkään on tiedetty lumen tiheyden ja dielektrisyyden välinen riippuvuus (esim Ulriksen, 1982, Hänninen 1999, 2, Lundberg & Thunehed 2, Hänninen 21, Hänninen & all. 21) ja lumen tiheyteen on kehitetty jo 198-luvulla mittalaite (Sihvola & Tiuri, 1986), jota on kaupallisesti saatavilla (Toikka, 1997), lumen tiheys mitataan pääasiassa ottamalla tilavuustarkkoja näytteitä ja punnitsemalla ne. Lumikerroksen paksuus voidaan rekisteröidä pistemäisesti automaattisella rajapinnan etäisyyttä mittavilla ääni- (esim. Campbell sci SR5A) tai radiotaajuussignaaleilla (esim. OTT RLS). Maatutkaluotausta on käytetty alueellisiin lumen paksuuden ja sen vaihteluiden määrittämisiin (Vadja & all. 26, Singh & all. 211). Hankkeessa Metsämaa ja Globaali muutos Geologian tutkimuslaitos on jo useana vuonna mitannut Keski-Lapissa joidenkin pienten valuma-alueiden lumeen sitoutuneen veden määrää käyttäen lumikerroksen paksuuden määrittämiseen maatutkaluotausta 1 GHz:n antennilla. Paksuustukinnassa tarvittava lumen dielektrisyys on laskettu manuaalisten paksuusmittausten perusteella (esim. Vadja, 26). Tuloksia on täydennetty manuaalisilla lumen tiheysmittauksilla. Kulkuajan ja lumen välisen yhtälön havaittiin riippuvan mittausajankohdasta ja paikasta. Tämä herätti ajatuksen, että vakioimalla maatutkaluotauksen mittaustapahtumaa, voidaan määrittää lumen paksuus ja vesiarvo. Tämän tutkimuksen lähtökohtana oli, että mittaamalla lumen yläpinnan ja maapulssin välinen aika, voidaan laskea lumen dielektrisyys ja sen perusteella lumen vesiarvo. Lumen yläpinnan määrittämiseen käytetään mm. 24 GHz:n elektromagneettista radiotaajuusignaalia (OTT:n RLS). Korkean taajuutensa vuoksi signaali ei läpäise lumikerrosta, vaan se tuottaa ainoastaan tiedon lähimmän rajapinnan etäisyydestä. Koska kuivan lumen signaalia vaimentava vaikutus on vähäinen, matamalla taajuudella mitattaessa havaittaisiin myös maapulssi. Tutkimukseen oli käytettävissä 1 GHz:n antenni, jonka oli havaittu läpäisevän ainakin kahden metrin lumikerroksen. Tämän antennin siniaallon kesto on 1 ns. Lähtökohtaisesti voidaan olettaa, että ajan mittaustarkkuus on vähintään 1/8 siniaallon kestosta eli,125 ns. Kun kuivan lumen dielektrisyys on vasta sataneesta pakkalumen 1,2 ja jään 3,2 välissä (esim. Bogorodsky & all. 1983, Scneebeli & all, 1998, Hänninen 21), EM-aalto kulkee metrin lumikerroksessa,63 5,26 ns kauemmin kuin ilmassa eli maapulssin paikka siirtyy aikaeron verran kauemmaksi. Tehtävä on mielekäs, koska lähtöoletuksen mukainella tarkkuudella virhe dielektrisyydessä 3 senttimetrin lumikerrokselle.2 yksikköä. Toissijaisena tutkimuskohteena oli, voidaanko maapulssin amplitudia käyttää maan pintakosteuden määrittämiseen lumikerroksen alta. Tämä kertoisi tarkkaan ajankohdan, milloin maan pintaosa on vedellä kyllästynyttä ja maan pinnalle alkaa kertyä vettä enteillen tulvan alkamista.
Ylätunnisteen tekstirivi 1 2 2 MENETELMÄKUVAUS Koska tehtävänä oli tutkia mahdollisuutta käyttää maatutkaa automaattiseen lumen paksuuden ja vesipitoisuuden määrittämiseen sekä selvittää maapulssin amplitudin ja maan pintakosteuden riippuvuus, oli mittaustilanteessa pyrittävä mahdollisen monen tekijän vakioimiseen. Yleensä maatutkaluotauksessa heijastavan pinnan etäisyys antenniin muuttuu. Väliaineen dielektrisyyden pysyessä riittävän tarkkaan vakiona, ajan muutoksesta tulkitaan kerroksen paksuusvaihtelu. Tässä tapauksessa pyrittiinkin pitämään matka vakiona ja väliaineessa tapahtuva dielektrisyyden muutos, ilman korvautuminen lumella, huomioidaan heijasteen kulkuajan muutoksena. Mahdollisen uuden rajapinnan syntyminen antennin ja maan välille ilmentäisi lumen kertymää, jolloin lumen dielektrisyyden laskeminen olisi helppoa. Matkan vakioimiseksi rakennettiin maatutkaluotauksen 1 GHz:n antennille teline, johon antenni kiinnitettiin testin ajaksi pysyvästi (kuva 1). Antennin korkeudeksi valittiin 1,3 m, mikä sopii alueille, joissa lumen paksuus on korkeintaan yksi metri. Mittausteknisesti vakioitiin mittausaika 12 ns:iin. Vahvistuskäyrä tehtiin seitsemällä pisteellä, jolloin vahvistuspisteet olivat 2 ns välein. Kuudesta nanosekunnista eteenpäin, se oli lähin piste, mihin lumen pinnan uskottiin nousevan, vahvistus oli vakio 44 db. Signaalin vakauden vuoksi pyyhkäisyä keskiarvoistettiin normaalia mittausta enemmän (Static Stacking N=16). Signaalille suotiin laaja taajuusikkuna 7 2 MHz. Näytteitä pyyhkäisystä kerättiin 124, eli näyte noin.1 nanosekunnin välein. Mittaukset tehtiin Point Mode muodossa, jossa mittaaja antaa erikseen käskyn jokaiseen mittaukseen. Maan pintakosteuden seuraamiseksi lumen mittauspisteelle perustettiin maa-asema RadarST (kuva 1). Välittömästi antennin mittauskeilan ulkopuolelle asetettiin maan kosteutta mittavat anturit 2 cm, 5 cm, 1 cm ja 3 cm syvyyksille sekä maan lämpötila-anturit 5 cm ja 3 cm syvyyksille. Lisäksi mitattiin ilman lämpötila. Mittaukset tehtiin kerran tunnissa. Lumen vesiarvo kunakin maatutkan mittauskerralla määritettiin perinteisesti ottamalla tilavuustarkka näyte ja punnitsemalla se. 3 SIGNAALIN TARKKUUS JA TOISTETTAVUUS Yhdellä mittauskerralla tehtiin aina kolme mittausta. Kussakin mittauksessa oli kymmenen pyyhkäisyä. Näin varmistettiin, että mittaustulos on sekä luotettava että toistettava. Käsittelyssä kunkin mittauksen kymmentä pyyhkäisyä verrattiin toisiinsa, jos niissä ei ollut merkittäviä eroja, laskettiin niistä keskiarvokäyrä. Kolmen mittauksen keskiarvokäyrää verrattiin sitten toisiinsa mittausten välisen poikkeaman havaitsemiseksi. Vaikka yhtään mittausta ei jouduttu hylkäämään, osoittautui, että mittauksilla ja pyyhkäisyillä oli pieniä eroja eikä niiden automaattinen vertailu ollut suoraan mahdollista. Kuvan kaksi tulokset on tehty lumettomana aikana 27.8.21 (File183). Kuvasta havaitaan myös, että mittausten alkupulssin paikka elää eri pyyhkäisyjen välillä. Sama tapahtuu mittausten ja mittauskertojen välillä. Edelleen huomataan, että vaadittu pulssin mittaustarkkuus,125 ns alittuu selvästi ollen,1 ns luokkaa. Esimerkkimittauksessa alkupulssin paikka muuttuu pyyhkäisyjen välillä,24 ja loppupulssin,17 ns, kuitenkin siten, että eri pyyhkäisyjen välinen alku- ja maapulssin välinen aikaero oli vain,12 ns. Muutettuna dielektrisyyksiksi huojunta on,3 yksikköä.
Ylätunnisteen tekstirivi 1 3 Kuva 1. Maatutkaluotauksen 1 GHz:n antenni kiinnitettynä kiinteästi 1,2 metrin korkeudelle. Pintamaan kosteuden mittaamiseksi perustettu maaperän seuranta-asema antennin oikeassa pystytuessa Yhteen mittauskertaan kuului kolme mittausta ja kuhunkin mittaukseen kymmenen pyyhkäisyä. Kunkin mittauksen pyyhkäisyistä laskettiin keskiarvosignaalit. Keskiarvosignaaliin alkupulssin minimi merkittiin -hetkeksi ja keskiarvosignaaleita verrattiin toisiinsa (kuva 3). Kuvassa kolme mittaukset on tehty 3.1.211, jolloin lunta oli 35 cm ja ilman lämpötila -9,7 C. Tammikuun 3. päivänä pakkaskausi oli jatkunut yhtäjaksoisesti 48 vuorokauden ajan, joten lumi oli ehdottomasti kuivaa. Silmämääräisesti signaalit olivat yhteneviä. Maapulssin paikan huojunta on,12 ns, mikä on sama kuin lumettomaan aikaan havaittu huojunta. Lumikerros ei lisännyt mittausepävarmuutta. Valitettavasti lumen aiheuttama heijaste oli liian heikko, jotta lumen rajapinta voitaisiin yksiselitteisesti määrittää. Lumen rajapinnan kohdalla nähdään häiriö, mutta se on kohinatasoon verrattuna liian heikko. Kuivan lumen dielektrisyydellä 1,2 laskettuna lumen heijastuskerroin oli.46 (vaimeneminen noin 3 db). Vastaavasti maan pintaosan (2 cm) vesipitoisuuden perusteella laskettu maapulssin heijastuskerroin oli.47 (vaimeneminen 6 db). Elokuun maapulssin paikka oli 7.992 ns ja siitä laskettu dielektrisyys.997. Tammikuussa maan päällä oli 35 cm lunta ja maapulssin paikka siirtyi 8.356 ns:iin. Lumikerros siirsi maapulssia.364 ns, mikä oli mittaustarkkuuteen nähden 3-kertainen muutos. Kerroksen keskimääräiseksi dielektrisyys oli tammikuussa 1.91.
Ylätunnisteen tekstirivi 1 4-18 -182-184 -186-188 -19-192 -194-196 -198-2 1.22 1.23 1.24 1.25 1.26 1.27 1.28 1.29 Scan2 Scan4 Scan6 Scan8 Scan1 Kuva 2a. Yhden mittauksen alkupulssin huojunta. -19-195 -2-25 -21-215 -22-225 -23-235 -24 9.2 9.21 9.22 9.23 9.24 9.25 9.26 9.27 Scan2 Scan4 Scan6 Scan8 Scan1 Kuva 2b. Yhden mittauksen maapulssin huojunta. Vaaka-akaselilla on aika (ns) ja pystyakselilla tutkan amplitudiarvo. Alku- ja maapulssi paikannettiin siniaallon negatiiviseen huippuun. Maapulssi siirtyminen osoittaa, että radiotaajuusalueen tutkasignaalilla voidaan mitata lumen sisältämä veden määrä. Myös lumen paksuuden saman aikainen havainnointi on mahdollista, mikäli laitteistoa kehitetään havainnoimaan heikkoja heijasteita tunnetulle aikavälille. 4 MAAN PINTAKOSTEUS JA MAAPULSSIN AMPLITUDI Maatutkaluotauksen tueksi perustettu seuranta asema mittasi maan pintaosan kosteutta ja lämpötilaa sekä ilman lämpötilaa kesäkuun alusta 21 tunnin välein. Kosteudet muutettiin dielektrisyyksiksi Sutisen kaavan mukaan (Sutinen, 1992). Dielektrisyyksien perusteella laskettiin heijastuskertoimet mittauspisteille ilman ja toistensa suhteen. Teoriassa heijastuksen pitäisi olla sitä suurempi, mitä suurempi on dielektrinen rajapinta eli kerrosrajalla tapahtuva vesipitoisuusmuutos. Käytetty vahvistuskäyrä oli säädetty siten, että kaikissa odotettavaissa olevissa tilanteissa vahvistus ei muutu maapulssin kohdalla.
Ylätunnisteen tekstirivi 1 5 25 2 15 1 5. -5 2. 4. 6. 8. 1. 12. -1-15 -2 F1 F2 F3 Lumen yläpinta Maapulssi Kuva 3. Tammikuun 3. Päivän mittauskerran keskiarvosignaalit. Mittaushetkellä lumen syvyys oli 35 cm ja ilman lämpötila -9,7 C. Syksyllä 21 tehdyissä lumettoman ajan mittauksissa maapulssin amplitudi seurasi kohtuullisesti maan pintaosan kosteusmuutoksia (kuva 4). Kolmen viikon sateettomana kautena syyslokakuussa maapulssi amplitudi heikkeni pintamaan kuivuessa. Sateet näkyvät seuranta-aseman tuloksissa, koska ne nostavat nopeasti maan pintaosan vesipitoisuutta. Kuivan kauden jälkeiset sateet nostivat odotetusti maapulssin amplitudia, mutta maapulssin amplitudin kasvu oli suurempaa kuin maan vesipitoisuuden muutoksen perusteella oli odotettavissa. Lokakuun lopussa maa on märkää, mutta maapulssin amplitudi pienenee lähes kuivan maan heijastetta vastaavaksi. Näistä matalista arvoista, mittaukset 27.1, 31.1 ja 5.11., vain 27.1. mittausta edelsi yöpakkanen, jolloin aivan maan pintaosa olisi voinut olla jäässä. Ajanjaksona 3.1. 5.11. ei asemalla mitattu pakkaslukemia. Tammikuun alusta helmikuun loppuun oli harvoja lyhyitä suojajaksoja (kuva 5). Lumen paksuus kasvoi helmikuun puoliväliin saakka. Maaliskuussa päivälämpötilat olivat yleensä suojalla, mutta yöpakkaset olivat yleisiä. Lumi suli nopeasti maaliskuun lopun ja huhtikuun puolivälin aikana. Kahden senttimetrin syvyydessä maassa oleva vesi oli jäätynyt marraskuun loppuun mennessä. Jäätymisen kehittyessä maakerros imee maan sulasta osasta vettä, jolloin jään määrä maassa lisääntyy korvaten ilmatilaa. Kosteusanturit mittaavat pientä lisääntyvää kosteutta, vaikka kyse on maassa jäljellä olevan ilman korvautumisesta jäällä. Vaikka maapulssin amplitudeissa on selvästi nähtävissä samankaltaista käyttäytymistä, kuin laskennallisessa maan heijastuskertoimessa, mitään yksiselitteistä käyttäytyminen ei ole. Kuiva lumi on sähkönjohtavuudeltaan vastus. Sen ei pitäisi vaikuttaa EM-aallon vaimenemiseen. Näyttä kuitenkin siltä, että lumessa tulee vapaata vettä, mikä vaimentaa tutkasignaalia. Vasta lumen lähes kokonaan sulettua maan pinnan korkea vesipitoisuus aiheuttaa voimakkaan maapulssin amplitudin. Vaikka antennin asema suhteessa rajapintaan ja tutkan asetukset vakioidaan, lumipeitteisellä alueella maapulssin amplitudi ei riipu pelkästään maan pinnan kosteudesta, vaan siihen vaikuttaa lumikerroksen sisältämän veden määrä. Lumikerroksessa olevan vapaan veden vaikutuksen poistaminen on mahdotonta, koska sitä ei voida luotettavasti arvioida.
Ylätunnisteen tekstirivi 1 6 16.9. 26.9. 6.1. 16.1. 26.1. 5.11. -24.4-22 -2-18 -16-14 -12.35.3.25.2.15 Maapulssi W2cm W5cm -1.1 Kuva 4. Tutkasignaalin tueksi pystytetyn maaperän seuranta-aseman pintamaan kosteudet ja maatutkasignaalin maapulssin amplitudi syksyllä 21. Ilman lämpötila Lumen paksuus Ilman lämpötila C 3 6 25 2 5 15 1 5 4-5 3-1 -15 2-2 -25 1-3 -35 1.1. 22.1. 12.2. 5.3. 26.3. 16.4. 7.5. Lumen paksuus cm Maapulssin amplitudi 2 cm heijastuskerroin 1.1.211 22.1.211 12.2.211 5.3.211 26.3.211 16.4.211 7.5.211-3.7-25 -2.6-15 -1.5-5.4 Kuva 5. Kevään 211 ilman lämpötila ja lumen paksuus sekä maapulssin amplitudi ja heijastuskerroin laskettuna ilman 2 cm maakerroksen välille.
Ylätunnisteen tekstirivi 1 7 5 LUMIKERROKSEN VESIPITOISUUS Lumikerros koostuu dielektrisiltä ominaisuuksiltaan ilmasta, jääkiteistä ja vapaasta vedestä. Ääritapauksessa lumesta muodostuu jäätä, jonka dielektrisyys tunnetaan. Pakkaskauden lumessa vapaan veden määrä on käytännössä nolla, mutta lumen sulamisvaiheen lopussa suuri osa lumikerroksessa olevasta vedestä on vapaana, jolloin lumi muuttuu vetiseksi sohjoksi. Sohjoisen lumen dielektrisyys ylittää jään ja maan dielektrisyyden, jolloin ja maapulssin käyttäytyminen muuttuu dielektrisyyskontrastin kääntyessä suuremmasta pienempään ja voimakkaamman rajapintapulssin siirtyessä maapulssista ilman ja lumen välille. Vaikka lumen yläpinnan paikkaa ei voitu määrittää, niin pelkän maapulssin ajallisen siirtymän perusteella voidaan laskea lumen sisältämän veden määrä. Koska kuiva lumi on jään (ε j =3.2) ja ilman (ε i =1) dielektrinen seos voidaan, kun maatutka-antennin etäisyys maasta on vakio (s i ), laskea jään osuus (X) pelkän maanpulssin kulkuajan (t il ) perusteella (Hänninen & all., 211): X = (((t il *c) / s i )² - ε i ) / (ε j -ε i ), jossa c on valon nopeus 3 cm / ns. Yhtälössä ainoana muuttujana on aika. Kun merkitään A = (c / si )² / (ε j -ε i ), ja B = ε i / (ε j -ε i ), saadaan yksinkertainen muoto X =t il ²*A B. Kevättalvella 211 tehdyissä mittauksissa maapulssin kulkuajan ja lumen sisältämän veden määrän välinen yhteys on selvä (kuva 6). Maaliskuun 25. päivään mennessä lumen sulaminen oli ollut hyvin vähäistä (kuva 5 ja kuva 7). Vaikka lumikerroksesta oli hävinnyt 3%, lumikerroksen vesimäärästä oli jäljellä vielä yli 9 prosenttia. Seuraavana mittauskertana 4.4. lumikerroksen paksuus oli pienentynyt puoleen (28 cm:iin) ja sen vesimääräkin oli vähentynyt 16%. Tässä vaiheessa maapulssin ajallinen etäisyys oli suuri verrattuna lumen sisältämän veden määrään, joten jo merkittävä osa lumikerroksen vesimäärästä oli vapaana vetenä. Lumikerroksen laskennallinen dielektrisyys oli maaliskuun 25 päivänä 1,5 ja huhtikuun 4 päivänä 2,1. Koska lumen yläpinnan paikkaa ei käytetyille laitteilla pystytty luotettavasti määrittämään, lumen paksuutta ja tiheyttä ei voida ratkaista. Kuitenkin tulvaennusteen tärkein tekijä lumen sisältämän veden määrä voidaan ratkaista. Tässä saatujen tulosten perusteella märän lumen laskennallinen dielektrisyys oli edelleen niin alhainen, että sen perusteella ei varmuudella voida arvioida vapaan veden määrää, toisin sanoen pelkästään EM-signaalin perusteella ei voida väittää lumen olevan sulamassa, mutta yksinkertaisesti yhdistettynä lämpötilatietoon, voidaan päätellä, milloin EM-tuloksen perusteella laskettu lumen vesimäärä ei todennäköisesti enää ole luotettava, kuten kuvassa 6 mittauskerta 4.4., jolloin lämpötila oli 4,1 C.
Ylätunnisteen tekstirivi 1 8 3.1. - 25.3. 4.4. Linear (3.1. - 25.3.) lumen vesiarvo mm / m² 16 14 12 1 8 6 4 2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9 EM pulssin kulkuaika ns y = 29.4x - 1692.1 R² =.9314 Kuva 6. Lumikerroksen sisältämän veden määrä ja maapulssin kulkuaika keväällä 211 sekä niiden välinen pienimmän neliösumman suora ja sen selitysaste. Lumen sulamisaikana (4.4.) tehty mittaus ei ole mukana regressiosuorassa, koska vapaan veden osuus lumessa on silloin merkitsevä. Lumen paksuus Lumen vesiarvo prosenttia maksimista 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1.1. 22.1. 12.2. 5.3. 26.3. 16.4. Kuva 7. Lumen paksuuden ja vesiarvon kehitys keväällä 211.
Ylätunnisteen tekstirivi 1 9 6 JOHTOPÄÄTÖKSET Tutkimuksessa ei ollut mahdollista hankkia uusia laitteita ja jo lähtötilanteessa tiedettiin, että yhden GHz:n taajuisen antennin teho riittää Suomessa kaikissa lumiolosuhteissa maapulssin havaitsemiseen, mutta se ei ole sopivin taajuus lumipinnan havaitsemiseen. Koska ilmasta maahan tapahtuvan mittauksen signaalin oletettiin olevan lähes häiriötön, uskottiin myös lumen yläpinnan olevan havaittavissa. Vaikka tutkasignaali oli hyvin toistettavissa ja heijasteen ajan mittaustarkkuus oli erinomainen, tässä kokeessa käytetyssä mittausjärjestelyssä tutkasignaalisssa oli kuitenkin sen verran häiriöitä, että lumen yläpinnan selvä ja luotettava havaitseminen ei ollut mahdollista. On mahdollista, että myös näillä laitteilla ja hieman mittausgeometriaa muutamalla kohina-signaali suhdetta saadaan parannettua, mutta todennäköisesti joudutaan myös laitekehitykseen. Tässä tutkimuksessa ei ollut mahdollista kesken mittauskauden muuttaa antennigeometriaa tai maatutkan asetuksia, sillä yhtenä tutkimusaiheena oli signaalin amplitudissa tapahtuvat muutokset. Lumettomana aikana maapulssin amplitudi toimii kohtuullisesti maan pintaosan kosteuden ilmentäjänä. Mitä suurempi on maan pintaosan kosteus sitä suurempi on maapulssin amplitudi. Selvää kvantitatiivista luokittelua ei saatujen tulosten perusteella voi maatutkaluotauksen heijasteen amplitudista voi tehdä, mutta kvalitatiivinen tulkinta tai luokittelu on mahdollista. Tulosten perusteella näyttä siltä, että vielä yhden GHz:n taajuudella aivan maan pinnassa, alle 2 cm syvyydellä, saattaa olla kosteutta, mikä vaikuttaa heijasteen amplitudiin. Selvittämättä jäi, voiko pelkkä ilman aamukosteuden kondensoituminen maan pinnalle vaikuttaa heijasteen amplitudiin. Vaikka lumen paksuutta ei saatu ratkaistua, lumen vesiarvon määrittäminen onnistui hyvin. Varsinaista automatiikkaa signaalin maapulssin paikan määrittämiseen ei kehitetty. Signaalissa maapulssin paikka oli kuitenkin aina selvästi havaittavissa ja sen muuttaminen lumikerroksen sisältämäksi vesimääräksi pelkistyi vain yhden muuttujan yhtälöksi. Maapulssin automaattinen havaitseminen ei välttämättä tuota paljoa lisäarvoa siihen verrattuna, että mittaus käynnistettäisiin verkon tai GSM yhteyden kautta ja mittaustulos, pyyhkäisy, lähetettäisiin toimistolle, missä se tulkittaisiin..
Ylätunnisteen tekstirivi 1 1 Kirjallisuusluettelo Bogorodsky, V., Bentley, C. and Gudmandsen, 1983. Radio glaciology. Glaciology and quaternary geology, D. Reidel Publishing co. 254 p. Hänninen, P., 1999. Lumen vesiarvo hankkeen 1. väliraportti, GTK, 6 s. Hänninen, P., 2. Lumen vesiarvo hankkeen 2. Väliraportti, GTK, 8 s. Hänninen, P., 21. Dielektrisyys kertoo lumen vesiarvon ja sulamisherkkyyden. Vesitalous 1/21, s. 7-12. Hänninen, P., Lojander, S., Sutinen, R., Musta, V., Äikää, O. ja Majaniemi, J., 21. Lumen tiheyden mittaaminen dielektrisin menetelmin. GTK:n sisäinen raportti P31.4.21, 29 s. Hänninen, P., Majaniemi, J., Piekkari, M. ja Sutinen R., 211. Lumen vesipitoisuuden määrittäminen EM-aallon kulkunopeuden perusteella. Pro Terra 52/211, s. 53-54. Insinööritoimisto Toikka, Snow Fork, esite netissä, www.toikkaoy.com Lundberg, A. and Thunehed, H., 2. Impulse Radar snow surveys Influence of snow density. Nordic Hydrology 31(1), p. 1-14. Radar Level Sensor, OTT RLS, Operating instructions. 34 p. Scneebeli, M., Coleou, C., Touvier, F. and Lesaffre, B., 1998. Measurement of density and wetness in snow using time-domain reflectometry. Inernational Glaciology Society, Annals of Glaciology 26, p. 69-72. Sihvola, A. ja Tiuri, M., 1986. Snow fork for determination of the density and wetness profiles of a snow pack. IEEE Transaction on geosciences and remote sensing, Vol. GE-24, no 5, p.717-721. Singh, K., Datt, P., Sharma, V., Ganju, A., Mishra, V., Parashar, A. and Chauhan, R., 211. Snow depth and snow layer interface estimation using Groun Penetrating Radar. Current Science, Vol. 1, no 1, p.1532-1539. Soveri, J., 1985. Influence of meltwater on the amount and composition of groundwater in quaternary deposits in Finland. Vesientutkimuslaitoksen julkaisuja 63, 88 s. Sutinen, R., 1992. Glacial deposits, their electrical properties and surveying by image interpretation and ground penetrating radar. Geological Survey of Finland, Bulletin 359, 123 p. Sutinen, R., Hänninen, P., Repo, T. and Venäläinen, A., 27.Root-zone soil water content and temperature at snow covered and snow-free sites in southern boreal Finland. International Symposium, Soil process under extreme meteorological conditions, 25-28 February 27, University of Bayreuth, p. 15. Sutinen, R., Hänninen, P., Vajda, A. and Sutinen, M.-L., 27.Inter-annual variation in root-zone soil water content and temperature in Finnish Lapland. International Symposium, Soil process under extreme meteorological conditions, 25-28 February 27, University of Bayreuth, p. 16. Sutinen, R., Hänninen, P. ja Venäläinen, A., 29. Lumen sulamisveden valuminen roudan läpi. Pro Terra 41/29, s. 119. SR5A Sonic Ranging Sensor, Instruction manual. 34 p. Ulriksen, P., 1982. Application of inpulse radar to civil engineering. Doctoral thesis, Lund institute of technology, 175 p. Vadja, A., Venäläinen, A., Hänninen, P. ja Sutinen, R., 26. Effect of vegetation on snow cover at Norther Timberlaine: A case study in Finnish Lapland. Silvia Fennica 4(2): 195-27.