Lumen fysiikka Onni Järvinen
Kirjallisuutta IACS (2009): The international classification for seasonal snow on the ground (internetissä saatavissa pdfmuodossa) D. McClung (2006): The Avalanche Handbook E. LaChapelle (1969): Field guide to snow crystals (International Glaciological Society julkaisija)
Internet Kuvia ja tietoa lumikiteistä: http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals Termistöä: http://www.fsavalanche.org/encyclopedia.aspx http://www.avalanche-center.org/education/glossary Hakusanoja: snow crystal, snow grain, snow metamorphism, avalanche, snow pit, snowpack
Yleistä Lumi muodostuu pilvissä ja laskeutuu maahan huokoisena vaippana Kaasut läpäisevät Metamorfoosi 0 C asteessa lumi/jää voi esiintyä kiinteänä, nestemäisenä (vesi) tai kaasuna Ylivuotinen lumi [firn]
Lumen synty Lumi muodostuu pilvissä 99% Suomessa syntyvistä sateista alkaa lumena (sulaa matkalla vedeksi). Jäätymisytimet välttämättömiä lumikiteen syntymiselle. Lumikide [snow crystal/grain] muodostuu pilven sisällä Ilmassa oleva lumi luokitellaan 10 eri pääluokkaan.
Lumikiteen kasvumekanistmit A) Kaasun siirtyminen vesipisaroista lumikiteeseen [hoar = kuura] B) Vesipisaroiden tarttuminen lumikiteeseen [huurre=rime]
Lumikiteiden muoto pilvissä
Lumikiteiden luokitus ilmassa 8-sakaraisia lumihiutaleita ei ole olemassa
Mittausmenetelmät Sadanta Lumen paksuus, tiheys ja vesiarvo Hienorakenne
Sadanta Vaikea lumen turbulenssin takia Suomessa Tretjakov-malli, säleiköllä ympäröity sademittari Mittarit yleensä aliarvioivat lumisateen määrän
Lumen paksuus ja tiheys Lumilinjat Lumiasemat Mittasauvat Lumipuntari Vesiarvo [SWE = snow water equivalent]: gammasäteilymittaus lentokoneesta
Lumen tiheys (g/cm³) Uusi lumi 0.05 0.10 1-2 kk 0.20 0.30 Tuulen 0.30 0.40 pakkaama Märkä 0.30 0.70 Ylivuotinen 0.40 0.83 [Jää 0.83 0.92]
Hienorakenne: lumikuoppa Finnarp 2009
Hienorakenteen havainnot Tiheys Lämpötila Kidekoko ja tyyppi Kovuus Nestemäisen veden määrä Epäpuhtaudet
Lumikiteiden kuvaaminen
Metamorfoosi LUMIPEITE ELÄÄ SISÄISESTI Lämmönjohtuminen lumessa Lämmön kulkeutuminen (kaasut) Materian siirto (vesihöyryn diffuusio sekä höyrystyminen ja härmistyminen) Sade ja sulavesi Auringon säteily
Metamorfoosilajit Hajottava metamorfoosi [destructive] Mekaaninen [mechanical] Tasalämpöinen [equitemperature] Rakentava metamorfoosi [constructive] Lämpötilagradientin ajama metamorfoosi [temperature gradient] Sulamis-jäätymismetamorfoosi [melt-freeze]
Hajottava metamorfoosi Mekaaninen metamorfoosi Tuulen pakkaaminen, lumen paino Tuuli kuluttaa kiteitä pyöristyminen Tasalämpöinen metamorfoosi [equitemperature] Rakeiden sidostuminen (vesihöyryn liikkuminen ja sintraus [sintering]) kiteet pyöristyvät Yhdellä lauseella: Heikosti sitoutuneet uuden lumen kiteet muuttuvat pyöristyneiksi ja lujasti sitoutuneiksi rakeiksi Lisää lumen tiheyttä ja lujuutta
Hajottava metamorfoosi
Lumikiteiden sidostuminen Vesihöyryn paine-erot kasvattaa siltoja kiteiden väliin: kupera vs. kovera pinta HO 2 Tehokkuus riippuu lämpötilasta sekä kiteiden muodosta ja koosta HO 2 HO 2 Bond Bond Aikaskaala: päiviä
Lumikiteiden sidostuminen - sintraus Sintrauksessa kiteet muodostavat liitoksia ilman että ainesta siirtyy vesihöyryn mukana Kyseessä on kosketuspintojen välinen diffuusio Aikaskaala: jopa minuuteissa Ei vielä tunneta täysin
Rakentava metamorfoosi Lämpötilagradientin ajama metamorfoosi [temperature gradient] Muuttaa pyöristyneet rakeet tahkokkaisiksi kiteiksi, lopulta kuppimaiseksi syväkuuraksi Tehoaa myös jäälinsseihin ja uusiin kiteisiin Kiteiden kasvu aiheutuu lämpötilaerosta lumen pohjan ja pinnan välillä Lämpötilaero aiheuttaa vesihöyrynpaineen eron pohjan ja pinnan välillä Vesihöyry liikkuu alempaan paineeseen
Rakentava metamorfoosi Vaatii kyllin alhaisen lämpötilan ja ohuen lumipeitteen Aikaskaala: viikkoja Syväkuurakerros [depth hoar] usein hangen heikoimpia kerroksia: voi olla lumivyöryn alkukohta Ei vaikuta paljon tiheyteen, mutta vähentää hangen lujuutta
Rakentava metamorfoosi
Sulamis-jäätymismetamorfoosi Muita nimiä: sulamismetamorfoosi, firnifikaatio [melt-freeze, firnication] Tuottaa märkää lunta tai jäisiä yhteensulautuneiden rakeiden kerroksia tai jäälinssejä Aiheutuu vaihtelevista lämpötiloista tai sadeveden suotautumisesta ja jäätymisestä Aluksi vähentää lumen lujuutta ja lisää tiheyttä, jääkerrokset erittäin kovia Aikaskaala: tunteja
Lumipeitteen rakenne I Lumipeitteen rakenne tarkoittaa hangen kerrosrakennetta ja kerrosten ominaisuuksia Kerrosrakenne syntyy peräkkäisten lumisateiden tuoman lumen kertyessä päällekkäin Lumessa on koko ajan käynnissä jokin muodonmuutosprosessi, metamorfoosi, joka korostaa kerrosten eroja (hajottava, rakentava tai sulamismetamorfoosi)
Lumipeitteen rakenne II Lumen jakaantumiseen/kasaantumiseen vaikuttaa: Tuuliolot Lumi lähtee liikkeelle tuulen nopeuden kasvaessa, ja kertyy kinoksiksi tuulen nopeuden pienentyessä Paikalliset pinnanmuodot Korkeus merenpinnasta, rinteen suuntautuneisuus, pinnan karkeus Kasvillisuus Lunta kertyy matalaan kasvillisuuteen pinnan karkeuden kasvaessa Metsän rajoille kertyy kinoksia tuulen nopeuden pienentyessä Metsiin kertyy vähemmän lunta kuin avoimelle paikalle (interseptio)
Pintailmiöt Pintakuuraa [surface hoar] muodostuu yleensä kirkkaina, kylminä öinä pinnan jäähtyessä ilmaa kylmemmäksi. Vesihöyry tiivistyy pinnalle höyhenmäiseksi kuuraksi. Hankikanto/sulamiskuori muodostuu yleensä keväällä sulamisvesien tai sateen jäätyessä pakkasöinä pintakerroksissa Tuulikuori muodostuu tuulen kuluttaessa satavat/ajolumikiteet pieniksi ja pyöreiksi sintraantuvat tehokkaasti
Pintakuura
Metsässä ja aukealla lumi on erilaista Metsän alla hivenen lämpimämpää, tuulettomampaa ja hämärämpää kuin aukealla Metamorfoosit tehokkaampia aukealla: Enemmän sulamisilmiöitä Voi olla enemmän syväkuuraa
Lumivyöhykkeet Suomessa Lumen rajavyöhyke (muodostuu ja sulaa useita kertoja talven aikana) Leuto lumivyöhyke (kosteaa ja jäistä) Preerialumen vyöhyke (tuulen pakkaamaa, sulamisen ja jäätymisen jälkiä näkyvissä) Taigalumen vyöhyke (syvää, kuivaa, huokoista, tasalaatuista, paljon syväkuuraa) Tundralumen vyöhyke (tuulen pakkaamaa, kovaa, syväkuuraa)
Lumivyöryt
Lumivyöryt Lumivyöry = lumimassan katastrofaalinen vyöryäminen kaltevalla pinnalla Pääluokat: Irtolumivyöryt [loose snow avalanche] Laattavyöry [slab avalanche] Irtolumivyöry -alaluokat: kuivan lumen lumivyöry [dry] märän lumen lumivyöry [wet] Laattavyöry alaluokat kuivan ja märän lumen lumivyöryt sohjovyöry [slush] Jäävyöryt
Lumivyöryt Kuivan lumen vyöryt tapahtuvat yleensä rinteissä, joiden kaltevuus 30-45 herkimmin vyöryää kun kaltevuus 37-38 Sohjovyöryt poikkeuksellisia, koska ne tapahtuvat loivissa rinteissä, kaltevuus 5-20 Sohjovyöryt tapahtuvat kun lumipeite vettyy äkillisesti yleensä keväisin Laukeaminen: Leikkausjännitys/voima [shear stress] > leikkauslujuus [shear strength]
Lumivyöryt Nopeus: kiihtyy nopeasti mutta pysähtyy myös nopeasti
Kuinka pitkälle lumivyöryt vyöryävät? Semiempiirinen yhtälö: = 0,96* -1,4 V 2,3
Suojautuminen lumivyöryiltä
Suojautuminen lumivyöryiltä
Lumiekologia
Mitkä tekijät ovat tärkeitä talvehtiville eläimille ja kasveille Riittävä lämpö Sopivat kosteusolot Sopivat valaistusolot Ruoan riittävyys Suoja saalistajilta Riittävän hyvä ilmanlaatu
Miten lumi vaikuttaa edellä lueteltuihin tekijöihin? Lumen alla lämpötila ja ilman kosteus ovat korkeampia ja tasaisempia kuin lumen pinnalla Lumen alla on pimeää ja hiljaista Hiilidioksidipitoisuus voi olla lumen alla korkea Lumi tarjoaa suojan saalistajilta ja lajista riippuen lumi haittaa tai auttaa ruoan hankkimisessa
Elämänmuodoilla on erilaisia reagointitapoja lumisiin talviin Kasvi tai eläin voi olla lunta suosiva (chionophile) tai lunta välttävä (chiophobe) Elää voi lumen alla, lumen päällä tai sisällä Lumessa voi liikkua kelluen, kahlaten tai kaivautuen Kasvit voivat muuttaa lumioloja itselleen sopivammiksi
Onko Suomessa enää lunta vuonna 2100? Mikäli ilmastomme lämpenee ennusteiden mukaan: Lumipeiteaika lyhenee ja lumipeite ohenee Lumen laatu muuttuu: lumi on tiheämpää, kiteet ovat suurempia ja lumi on lähempänä sulamislämpötilaa keskitalvellakin Syväkuuran osuus hangesta vähenee, ja märän tai jäisen lumen osuus kasvaa Muutoksia nykyiseen lumivyöhykejakoon Talvien välinen vaihtelu kuitenkin saattaa kasvaa