Tuulimittareita ja tuulen havainnointia 18-luvun Suomessa Matti Leskinen Helsingin yliopisto, Matti.Leskinen@helsinki.fi Abstract This presentation is a review of some interesting studies about early wind measurements in Finland, and gives information on wind instruments used in the 19th century that are still functioning. A review of all meteorological measurements in Finland can be found in Heino (1994). Some old meteorological instruments were in storage in the Department of Meteorology at the University of Helsinki. This collection includes two anemometers that were used at Sodankylä in 1882-1884 during the Polar year. The principal cup anemometer sensor of this Sodankylä Polar Station weighs about 7.5 kg, the anemometer cross is 9 cm in length, and the cup diameter is 3 cm. This kind of a cup anemometer is usually called a Robinson anemometer, according to its main developer (Waldo 1896), though the dimensions of the anemometers varied a lot. Johansson (196) studied the wind measurements in Finland, and he states that first reliable wind speed measurements were started in the Meteorological observatory at Helsinki in 1882 using a new Robinson cup anemometer. Probably the relatively large cup anemometers overestimated the real wind, though their calibration in steady airflow was good. Wind direction measurements using wind vanes were usually more reliable if climatological mean is considered, though in some cases the yearly check up teams of the Meteorological bureau had to make large readjusmentst in the direction pointers of wind vane masts. 1. JOHDANTO Helsingin yliopiston meteorologian laitoksen varastoon oli epämääräisistä eli tuntemattomista historiallisista syistä johtuen jäänyt joitakin vanhoja meteorologisia mittalaitteita. Näistä suuri osa on peräisin 18-luvun lopulta, merkittävä osuus Sodankylän polaariaseman 1882-1884 meteorologisista mittalaitteista on päätynyt jossakin vaiheessa yliopiston varastoon. Nykyisin nämä laitteet löytyvät pääasiassa Helsingin yliopiston fysikaalisten tieteiden laitoksen ilmakehätieteiden osaston tiloista. Selvitettäessä näiden kojeiden historiaa tuli luonnollisesti vastaan myös paljon yleensä 18-luvun mittauksiin liittynyttä kirjallista aineistoa. Tässä esitelmässä käsitellään lähinnä tuulen nopeuden tai voimakkuuden mittausta. Yleensä Suomen tuulimittausten historiasta kertovat laajemmin Johansson (196) ja Heino (1994). 2. TUULEN HAVAINTOLAITTEISTA SUOMESSA ENNEN 19-LUKUA Melander (1918) kertoo, että Turun yliopiston professori Johan Leche oli jo vuonna 1763 laatinut ilmastollisen katsauksen Turun tuulisuhteista. Venäjän keisarikunnan aikana meteorologinen havaintoasemaverkosto luotiin jo 18-luvun alkupuolella, mutta Khrgian (197) toteaa vasta Rykatshovin ja Wildin aikana vuoden 1867 jälkeen Fysikaalisen 97
keskusobservatorion alkaneen merkittävästi kehittää meteorologisten havaintojen tekoa. Tuulen mittauksessa Wildin itsensä kehittämä Wildin viiri otettiin yleensä ja erityisesti Suomessakin käyttöön ja sillä voitiin määrittää suunnan lisäksi tuulen nopeus (Johansson 196, Khrgian 197). Tuulen suunnan määritys oli periaatteessa yksinkertaista tuuliviirin avulla, kunhan vain ilmansuunnat oli tarkasti määritetty. Aseman tarkastuskertomuksissa on myös mainintoja, että tuuliviirin suuntaristikkoa jouduttiin joskus huomattavasti kääntämään. Suomen tiedeseura osallistui kansainväliseen polaarivuoteen 1882-1883 perustamalla oman aseman Sodankylään (Lemström ja Biese 1886). Kansainvälisen polaarivuoden neuvoston toimituksissa (Wild 1882) on nähtävissä yleiset periaatteet joiden mukaan havaintoja tehtiin. Tuulimittauksissa suunta havaittiin tuuliviirillä 16 suuntaan jaotetusti ja nopeus määritettiin Robinsonin anemometrillä. Tuulimittareiden piti olla luettavissa observatorion sisätiloissa. Sodankylän polaariaseman laiteluettelosta huomataan että havainnoissa käytetty Robinsonin anemometri on mitoiltaan sama kuin mikä Helsingin yliopistossa on tallessa. Kupin halkaisija on tässä laitteessa 3 cm ja kuppiristikon leveys 9 cm. Anturi painaa 7,5 kg ja minkään muun Suomessa käytetyn Robinsonin anemometrin ei ole kerrottu olleen näin suuri kooltaan. Ilmatieteen laitoksen komerosta kerrottiin 199-luvulla putkahtaneen esiin manometriä muistuttaneen laitteen, jossa luki Hagemannin anemometri. Tämännimiselle mittarille oli myös Sodankylän tuulimittaritornissa varattu yksi nurkka (Lemström ja Biese 1886). Myöhemmin näitä mittareita löytyi Ilmatieteen laitoksen varastosta kaksikin kappaletta, toinen jopa ehjänä. Tällä mittarilla mitataan olennaisesti tuulen aiheuttamaa paineen lisäystä tuulta vasten olevassa putken suppilomaisessa haarassa ja vajausta putken ylöspäin osoittavan haaran kärjessä. Jo 17-luvun lopulla vastaanlainen Lindin anemometri (Schmid 186) oli käytössä ja tällainen myös rakennettiin vertailumittauksiin 18-luvun lopulla Suomessa (Cederström 195). Oscar Johanssonin (196) laatima katsaus tuulen voimakkuuden mittauksista Suomessa kertoo, että vasta 1882 tuulen nopeutta oli mitattu luotettavasti Helsingissä käyttöön otetulla uudella Robinsonin kuppianemometrillä. Johansson toteaa tätä ennen aina vuodesta 1844 lähtien käytetyn anemometrin absoluuttiset mitta-arvot puuttuviksi ja näin sen tuloksilla on tuskin mitään arvoa. Johansson myös korjaa samalla kyseisen Robinsonin anemometrin yhtälön Pietarissa tarkistetulla uudella Robinsonin anemometrillä tehtyjen vertailujen mukaan. Irlantilaisen T.R. Robinsonin mukaan nimetyssä anenometrissä (Waldo 1896) on tavallisesti neljä puolipallonmuotoista kuppia ristikon päissä ja se pyörii vaakatasossa akselinsa ympäri. Laite levisi nopeasti 18-luvun loppupuolella yleismaailmalliseen käyttöön ja on nykyisten kuppianemometrien lähtökohta. Robinsonin luomaan teoriaan perustuen oli tapana laskea tuulen nopeudeksi yksinkertaisesti kupin keskikohdan vaakanopeus kerrottuna kolmella. Näin tehtiin 19-luvun alkuun saakka (Khrgian 197), vaikka yleensä vertailuissa vastaavaksi kertoimeksi saatiin selvästi sitä pienempiä arvoja (Cederström 195). Sodankylässä iso kuppianemometri verrattiin J. Hicksin valmistamaan toiseen Robinsonin anemometriin. Tämä anemometri on ollut vielä käytössä Helsingissä 196-luvun alussa, mikä nähdään akateemikko Erik Palménista kertovassa lyhytelokuvassa. Hicksin anemometrille mitattu kupin etenemisnopeuden kerroin tuulennopeuden asteikkoon on 2,95 ja siten luultavasti liian suuri, vaikka myös Johanssonin vertailun tulos 2,926 Helsingin vanhalle anemometrille on tätä luokkaa. 189-luvulla Suomessa tuulimittarit oli verrattu Pietarissa, jonne johtaja Wildin aikana oli rakennettu Combes n pyörityslaite. Tässä laitteessa anemometri on vaakatasossa pyörivän puomin 98
päässä, yleensä tuulettomissa sisätiloissa. Tommila (1953) tutki Pietarissa verrattua mittaria 5 vuotta myöhemmin Tampereella suuressa tuulitunnelissa ja tulokset eivät juuri poikenneet alkuperäisistä. Yksi Pietarissa tarkistettu Robinsonin anemometri oli myös Cederströmin tutkittavana ja vertailujen tulokset ovat nähtävissä kuvassa (1). 25 2 nopeus/(m/s) 15 1 5 1 2 3 4 kierroslukema 5 6 Kuva 1. Ilmatieteellisen keskuslaitoksen anemometrin n:o 747 kierroslukeman muuntaminen tuulen nopeudeksi eri vertailujen mukaan (Cederström 195). Paksu käyrä kertoo Pietarissa pyörityslaitteessa saadun yhtälön mukaisen muunnoksen. Kolmiot esittävät junanvaunussa mitatut tulokset, ristit resiinalla kuljettaessa saadut arvot ja ympyrät vaakasuorasti lentäneillä vetypalloilla lasketut tulokset. Pisteviiva liittyy junalla ja resiinalla tehtyihin mittauksiin ja katkoviiva palloilla tehtyihin mittauksiin sovitettuihin yhtälöihin. Rautatiellä mitatut arvot olivat aika hyvin samanlaisia kuin Pietarissa tehty vertailu antoi tulokseksi. Ainoastaan suurissa nopeuksissa ero oli huomattava. Cederström huomauttaa, että Pietarin vertailun suurin nopeus 22,5 m/s on sovituksen luotettavuusalueen raja ja toisaalta vaunun tärinä aiheutti lisää kitkaa anemometrissä suurissa nopeuksissa. Palloilla saadut tulokset antoivat selvästi erilaisen kuvan nopeuden kasvaessa kuin anemometrin virallinen tarkistus. Tuonaikaisten varsin suurten kuppianemometrien oli yleensäkin havaittu luonnon tuulissa antavan sitä suurempia keskituulia mitä suurempi oli kuppiristikon koko, vaikka mittarit oli pyörityslaitteilla tarkistettu asteikoiltaan vastaaviksi (Cederström 195). Tätä selitetään sillä, että anemometrit seurasivat kiihtyvää virtausta herkemmin kuin hidastuvaa virtausta ja tämä hitausero riippui anturin hitausmomentista. Joskus Vaisala-yhtiön tuulikeilaimen ja pallolla tehtyjen tuuliluotausten vertailua tarkastellut yhtiön mies mietti, 99
onko kukaan varma että luotauspallokaan tuulta todella seuraa. Kuitenkin asiaa on jo tarkasteltu yhtiön perustajan Vilho Väisälän (1925) tutkimuksessa tuulen värähtelyjen vaikutuksesta tuuliluotauspallojen liikkeeseen. Väisälä-taajuuden yhtälön esittämisen lisäksi Väisälä toteaa, että pallon hitaudella ei ole merkitystä tuulen havainnoinnissa. Lemström ja Dannholm (1898) rakensivat tuulen nopeiden vaihteluiden tutkimiseen tuulimittarin, jonka nopeusanturiksi he valmistivat kevyen propellin alumiinipellistä. Tämä oli kiinnitettynä tuuliviirin etuseinämään. Dannholm (1911) jatkoi herkän anemometrin kehittelyä 19-luvun alussa. Sundell puolestaan (1894) rakensi akustisen anemometrin. Tässä anemometrissä oli potkuri levyssä, jossa oli rengaana pyöreitä reikiä. Näiden reikien läpi ilma pääsi virtaamaan anemometrin runkolevyllä olleiden vastaavien reikien läpi ja tästä syntyi ääni, jonka korkeus riippui potkurin pyörimisnopeudesta. Tällaisen anemometrin tarkistus tehtiin ensimmäisen kerran Helsingin edustalla jäällä napakelkkaa sekä havainnontekijän soittelemaa huuliharppua käyttäen. 3. TUULEN VOIMAKKUUDEN ARVIOINTI JA TUULEN NOPEUS 35 3 25 nopeus/(m/s) 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 7 8 tuulen voimakkuus/beaufort 9 1 11 12 Kuva 2. Tuulen voimakkuuden mittana käytetty Beaufort-luokka ja tuulen nopeus erilaisten taulukoiden ja vertailuhavaintojen mukaan (Johansson 1932, WMO 1996). paksuin viiva kertoo 1932 Linken mukaisen kansainvälisen asteikon, pisteviivat Köppenin havaintojen mukaan laskemat arvot 1,5 m ja 11,5 m korkeudelle, alempi katkoviiva esittää Helsingin observatoriossa Nordenskiöldin aikaan tehdyt havainnot Johanssonin tekemän anemometrin lukemien korjauksen jälkeen ja ylempi katkoviiva Harmajalla tehdyt vertailut tarkistetun anemometrin kanssa. WMO:n nykyisen taulukon mukaiset ala- ja ylärajat on merkitty 1
vaakaviivoin kunkin luokan kohdalle ja tätä olennaisesti vastaava englantilais-amerikkalainen asteikko on merkitty renkain. Hagemannin anemometrin asteikon vastaavuudet on kerrottu mustin kolmioin. Tuulen voimakkuuden arvioinnissa oli jo 18-luvun alussa käytössä Mannheimin meteorologisen seuran mukainen jako viiteen luokkaan (-4) sen perusteella mitä vaikutuksia tuulella oli ympäristössä (Johansson 196). Amiraali Beaufort laati Englannissa 18-luvun alkupuolella -12 luokkaan jaetun asteikon, joka perustui siihen millaisia purjeita laivassa saattoi käyttää eri tuulilla (Waldo 1896). Vuosisadan loppupuolella Kansainvälisen meteorologisen järjestön suositusten mukaisesti käytettiin Beaufort-asteikkoa -12, mutta Johansson (1932) esittää myös miten erilaisia beaufort-arvoja oikeastaan olikaan käytössä, jos ne muutetaan tuulen nopeuksiksi. Kuvassa (2) nähdään muutaman Johanssonin esittämän eri asteikon mukaiset tuulen nopeuden ja beaufort-lukeman väliset yhteydet sekä nykyisin käytössä olevat raja-arvot (WMO 1996). Lisäksi Ilmatieteen laitoksen Hagemannin anemometrin asteikolta luetut vastaavuudet on esitetty kuvassa. Suomessa tehdyt vertailut poikkeavat huomattavasti yleisistä taulukoista. Beaufort-asteikkoa vastaava tuulen nopeus riippui myös siitä, miten korkealla vertailtava tuulimittari oli. Köppenin arvio 11,5 m korkeudelle sopii paremmin nykyiseen asteikkoon kuin eurooppalaiset vertailut yleensä, joissa suuremmat beaufort-lukemat merkitsivät selvästi nykyasteikkoa pienempiä nopeuksia. Khrgianin (197) mukaan vasta 1939 (Berliinissä) kansainvälisesti sovittiin yhtenäisestä asteikosta, mutta tämä Khrgianin esittämä asteikko ei kuitenkaan ole sama kuin mitä WMO nykyisin julkaisee! 4. JOHTOPÄÄTÖKSIÄ Tuulta mitattiin kojeilla 18-luvullakin Suomessa. Luotettavia nopeusmittauksia tehtiin kuitenkin vasta 188-luvulta alkaen. Helsingin yliopiston fysiikan laitoksessa rakennettiin myös uusia tuulimittareita sekä tutkittiin näiden vertailumenetelmiä 18-luvun lopulla. Tällöin myös nopeiden vaihteluiden mittaamiseen soveltuvia mekaanisia antureita tutkittiin. Myöhemmin tuulitunnelissa tehdyissä vertailuissa on saatu hyvin samanlaisia tuloksia tuulimittarin vertailusta kuin jo Pietarissa 18-luvun lopulla ajanmukaisissa vertailuissa, jotka olivat 189-luvulla Suomessa käyttöön otettujen anemometrien asteikkojen pohjana. Toisaalta käytössä oli nykyisiin vastaavanlaisiin kuppianemometreihin verrattuna yleensä huomattavasti raskastekoisempia ja ulkomitoiltaankin suurempia antureita. Näillä tehdyissä tarkasteluissa 18-luvun lopulla niin Suomessa kuin muuallakin todettiin että luonnollisissa vaihtelevissa tuulioloissa mittarit yliarvioivat tuulen keskinopeutta. Kuppianemometrit ovat yhä yleisiä tuulen nopeuden mittauksessa. Nämä on tapana tarkistaa tuulitunneleissa tasaisessa virtauksessa, toisinaan jopa tarpeeksi väljissä tiloissa ja riittävän tarkkojen vertailumittareiden avulla. Vastaavalla tavalla tarkistetaan myös muita tuulimittareita. Toisaalta varsinaisten akustisten anemometrien eli ääniallon kulkua virtauksen mukana mittaavien tuulimittareiden sekä erilaisten sirottajien kulkua mittaavien Doppler-tutkien avulla on mahdollista tehdä myös tarkkoja vertailuja luonnon tuulissa. Kunhan vain akustisten anemometrien ja tutkien perusmittaukset ovat riittävän tarkkoja, niin tällaiset tuulimittareiden tarkistukset näyttävät luotettavammilta kuin perinteiset tuulitunnelivertailut. 11
LÄHTEET Cederström, E., 195. Om metoderna att pröfva anemometrar, väitöskirja, Työväen kirjapaino, Helsinki, 85 s. Dannholm, J., 1911. Ein neues Druck-Anemometer und dessen Prüfung, väitöskirja, Lilius & Hertzberg, Helsinki, 72 s. + 9 l. Johansson, O.V., 1932. Die Beaufortskala in einfachen Formeln und Gedächtnisregeln, Soc. Sc. Fenn. Comm. Phys.-Math., VI, 24. Johansson, O.V., 196. Über der anemometrischen Windstärkemessungen in Finnland, Öfv. Finska Vetenskaps-Societetens förhandl., XLVII, n:o 18. Heino, R., 1994. Climate in Finland during the period of meteorological observations, Finnish Meteorological Institute Contributions, No. 12. Khrgian, A. Kh., 197 (1959). Meteorology a historical survey (English translation), Israel program for scientific translations, Jerusalem. Lemström, S. ja Biese, E. 1886. Observations faites aux stations de Sodankylä et de Kultala, Exploration internationale des régions polaires 1882-83 et 1883-84, Expédition polaire finlandaise, Tome I, Météorologie. Lemström, S. ja Dannholm, J., 1898. On the variations in the velocity of winds, Öfv. Finska Vetenskaps-Societetens förhandl., XL, s. 22-231. Melander, G., 1918. Nykyajan sääoppi ja ilmatieteen perusteet, WSOY, Porvoo. Schmid, E., 186. Lehrbuch der Meteorologie, Leopold Voss, Leipzig. Sundell, A.F., 1894. En akustisk anemometer, Öfv. Finska Vetenskaps-Societetens förhandl., XXXVI. Tommila, M., 1953. A light weight cup anemometer with wind vane for weather report stations and calibration of some cup anemometers in a wind-tunnel, Geophysica, 4, N:o 2, s. 54-62. Väisälä, V., 1925. Über die Wirkung der Windschwankungen auf die Pilotbeobachtungen, Soc. Sc. Fenn. Comm. Phys.-Math. II, 19. Waldo, F., 1893. Modern meteorology: an outline of the growth and present condition of some of its phases, Walter Scott Ltd, Lontoo. Wild, H., (toim.), 1882. Programm für die internationalen Polar-Expeditionen, Communications from the International Polar Commission, First part, No. 2. WMO 1996. Guide to meteorological instruments and methods of observation, WMO No. 8. 12