Päällysveden sekoittuminen Jyväsjärvessä WETA151 seminaari Petri Kiuru ja Antti Toikkanen 13.3.2015 Konvektio Päällysveden vertikaaliseen sekoittumiseen vaikuttavia prosesseja ovat konvektio ja tuulen aiheuttama sekoittuminen Pintaveden lämpötila pienenee ja tiheys kasvaa yöaikaan -> pintavesi painuu alaspäin -> vertikaalinen konvektio Epästabiilin kerrostuneisuuden mitta N 2 =+ Oletetaan, että päällysveden alkutilanteen kerrostuneisuus on lineaarinen Konvektion tunkeutumissyvyys on nyt () = = veden lämpölaajenemiskerroin (~ 2.5 10-4 1/K @ 15 C), 0 = veden tiheys (~ 999 kg/m 3 @ 15 C), C V = veden ominaislämpökapasiteetti (4190 kj/(kg K)) 1
Konvektio Konvektio syntyy pinnan lämpövuon seurauksena Yöaikaan ei auringon säteilyä -> lyhytaaltosäteilyvuo H s = 0 Pinnan lämpövuo = tuleva pitkäaaltoinen säteilyvuo heijastuva pa. säteilyvuo lähtevä pa. säteilyvuo latentti lämpövuo konvektiivinen lämpövuo 0.97 Pitkäaaltoiselle säteilylle empiirinen kaava (C = pilvisyys (0 1)) = 5.31 10 (1 + 0.17 ) ; = 0.97 Höyrystyminen/tiivistyminen ja latentti lämpövuo riippuvat empiiristen kaavojen mukaan ilmankosteudesta W air ja tuulen nopeudesta u (1 ); ) = Stefan-Boltzmannin vakio 5,67 10 8 W/ (m 2 C) e w* = ilman kyllästynyt höyrynpaine (~ 1.2 kpa @ 15 C), = psykrometrivakio (~ 0.066 kpa/ C @ 15 C), = veden kyllästyneen höyrynpaineen ja lämpötilan kulmakerroin (~ 0.083 kpa/ C @ 15 C) Konvektio: Jyväsjärvi 27.-28.6.2014 T a 10 C Tuulikuvaaja: www.paijanne.org 2
Konvektio: Jyväsjärvi 27.-28.6.2014 Nyt T a = 10 C, T w = 16.5 C, u = 1 m s -1, P a = 101.6 kpa, W a = 88 % -> H l = 280 W m -2, H b = 390 W m -2, H e = -20 W m -2, H c = -60 W m -2 ; H tot =-190 W m -2. = = 1.5 1 10 9.81 3.4 = 0.0013 1 4 = =... Tunnissa konvektio siis etenee 0.7 metriä. = 0.7m Tuulen aiheuttama sekoittuminen Tuulen synnyttämät turbulenssipyörteet kuljettavat pinnan lämpimämpää vettä alaspäin ja nostavat viileämpää vettä kohti pintaa Järven pintaan kohdistuu tuulijännitys =, U = tuulen nopeus Määritellään kitkanopeus =. Järven pinta-alasta A s riippuva tuulen suojauskerroin pienentää pintaan kohdistuvaa tuulityötä: W str = 1exp(0.3 A s ) Oletetaan alkutilanteen päällysveden kerrostuneisuuden olevan tasainen -> tuulen aiheuttaman sekoittumisen tunkeutumissyvyys on () = 12 C D = vastuskerroin (~ 1 10-3 ) m = kokeellisesti määritetty kineettisen energian vaimenemiskerroin (1.25). 3
Tuulen aiheuttama sekoittuminen: Jyväsjärvi 29.6.2014 T a 15 C Tuulikuvaaja: www.paijanne.org Tuulen aiheuttama sekoittuminen: Jyväsjärvi 29.6.2014 800 Auringonsäteily W/m 2 600 400 200 0 9:00 10:02 11:04 12:08 13:12 14:13 15:15 16:18 17:19 4
Tuulen aiheuttama sekoittuminen: Jyväsjärvi 29.6.2014 Kello 15:00 T(1 m) = 16.1 C, T(3 m) = 14.8 C, u = 3.5 m s -1 = = 1.5 10 9.81. = 0.001 = = 1 10 1.225 4 = 0.015 = = 0.004, = 1 exp0.3 3.3km ) = 0.63 = =.... = 1.3m. Tuuli sekoittaa päällysvettä tunnin aikana 1.3 metrin syvyyteen Havainnot: kello 16:00 T(1 m) = 16.0 C, T(3 m) = 15.8 C Jos u = 5 m/s, t = 5 h -> sekoittumissyvyys 3.2 metriä Pintaveden sekoittumisen biologiset vaikutukset 5
Pintavesien (vertikaalinen) sekoittuminen tuulen vaikutuksesta Ravinteiden nouseminen harppauskerroksesta pintakerrokseen Mm. fosfori ja typpi Kasviplanktonin lisääntyminen Vaikutukset eläinplanktoniin Pintavesien (vertikaalinen) sekoittuminen tuulen vaikutuksesta Tuuliepisodien aiheuttama sekoittaminen nostaa fosforia pintaan, mikä voimistaa kasviplanktonin kasvua Villarrica-järvellä Chilessä (C. Meruane et al. 2005. Simulation of phytoplankton responce to strong wind events in Lake Villarrica, Chile. XXXI IAHR Congress. Seoul, Korea.) 6
Vaikutukset planktoneihin Kasviplanktonit (myös eläinplanktonit) voivat joutua syvempiin kerroksiin (esim. lähelle harppauskerrosta) Yhteyttäminen heikkenee varsinkin humuspitoisissa järvissä (mm. Jyväsjärvi) Auringonvalo ei pääse tunkeutumaan yhtä voimakkaasti alempiin kerroksiin Toisaalta taas kasviplanktonin määrä voi kasvaa ravinteiden noustessa pintakerrokseen Kovan tuulen biologiset vaikutukset Pienimmät organismit suojassa turbulenttisilta virtauksilta Mm. kasviplanktonit kykenevät pienten ravintopartikkelien hyödyntämiseen (viskositeettivoimat vallitsevia) Voimakkaat turbulenttiset virtaukset joissain tapauksissa voimistavat molekylaarista diffuusioita Tehokkaampi ravinteidenotto Suurempien organismien saalistuksen heikentyminen Esimerkiksi kalat eivät kykene saalistamaan turbulenttisten virtausten ollessa voimakkaita (kalat passiivisia kovalla tuulisella säällä) Turbulenttiset virtaukset vaikeuttavat varsinkin kalanpoikasten liikkumista sekä ravinnonhankintaa Mm. eläinplanktoneihin kohdistuva saalistuspaine pienenee 7
Tuulen horisontaaliset vaikutukset Tuuli sekoittaa vedessä olevia partikkeleita myös pituussuunnassa Kevyemmät organismit alttiimpia Siirtää esimerkiksi ravinteita/kasvi-/eläinplanktonia kohti ulappaa tai rantaa Ulapalla elävien kalojen vs. rannalla elävien kalojen hyöty/haitta Lämpötilaeroista johtuva sekoittuminen (konvektio) Jäähtynyt vesi painuu syvempiin kerroksiin Kasviplanktoneiden vertikaalimigraatio (vuorokausi) Osa eläinplanktoneista käyttää tätä hyväkseen -> nousee yöllä syömään harppauskerrokseen painuneita eläinplanktoneita (välttää predaatiota) Konvektiolla ei todennäköisesti ole yhtä suurta roolia ravinteiden kulkeutumisessa verrattuna tuulen sekoittamiseen 8
Hapen kiertäminen Sekä tuulesta johtuva sekoittuminen että lämpötilaeroista johtuva sekoittuminen kierrättävät happea pintavesissä Voimakas tuuli laskee harppauskerrosta, mikä hapettaa järveä ja parantaa happea käyttävien eliöiden oloja syvemmällä järvessä 9