May 29

:VÄITÖS: Järvillä on iso merkitys ilmastonmuutoksessa

ca075155-c727-4a75-af73-625a153d2da9-main_image

Valokuva lautasta Kuivajärvellä: Juho Aalto

Helsingin yliopistossa 5.6.2015 tarkastettavan Jouni Heiskasen väitöskirjan mukaan järvillä on suurempi rooli ilmastonmuutoksessa kuin aiemmin on luultu. Sadevesi kuljettaa eloperäistä ainesta maalta vesistöihin. Tästä seuraa suomalaisille järville tyypillinen veden ruskea väri. Veden väri vaikuttaa koko järveen, niin lämpökerrostumiseen kuin jääpeitteen kestoon. Lisäksi eloperäinen aines käsitellään järvessä, jolloin kasvihuonekaasuja vapautuu ilmakehään. Näiden vuoksi järvet sekä edistävät ilmastonmuutosta että reagoivat siihen esimerkiksi sadannan muuttuessa.

Järvistä ilmakehään vapautuvien kasvihuonekaasujen määrä riippuu valuma-alueen, järven ja ilmakehän välillä tapahtuvista prosesseista.

– Koska valtaosa maailman järvistä sijaitsee pohjoisilla leveysasteilla, tutkimuksen tuloksilla on vaikutusta myös globaalisti. Järvien biogeokemian parempi ymmärtäminen tarkentaa kasvihuonekaasujen vuoarvioita järvistä eri alueilla sekä järvien roolia ilmastonmuutoksessa, Kuivajärvellä Hyytiälässä työtä tehnyt limnologi Jouni Heiskanen sanoo.

Ylikyllästyneet järvet ovat kasvihuonekaasujen lähteitä

Vaikka maapallon pinta-alasta vain 2 prosenttia on järviä, nykyisten arvioiden mukaan järvistä vapautuu noin 10 prosenttia siitä hiilestä, jonka maaekosysteemit vuosittain sitovat.

Valuma-alueelta tuleva orgaaninen aines määrittää suurelta osin veden sameuden ja värin, jotka tuulen ja lämpövuon ohella vaikuttavat keskeisesti lämpötilan harppauskerroksen eli termokliinin muodostumiseen.

Lämpökerrostumisen vuoksi vain veden pintakerros on hyvin sekoittunutta, jolloin kasvihuonekaasuja pääsee kertymään alusveteen. Järven eliöstö hajottaa orgaanisen aineksen tuottaen hiilidioksidia, kun happea on saatavilla. Jos alusvesi on hapetonta, hajotettaessa tuotetaan myös metaania. Kasvihuonekaasut vapautuvat lopulta ilmakehään ohuen pintakerroksen läpi.

Järvet ovat tyypillisesti ylikyllästyneitä suhteessa ilmakehän hiilidioksidi- ja metaanipitoisuuteen. Tällöin järvet ovat kasvihuonekaasujen lähteitä.

21dd087c-f4e8-43fc-921e-c59d795478b5

 

Kaavakuva järvestä ja ympäristöstä: Jouni Heiskanen

Kasvihuonekaasut vapautuvat järvistä nopeammin kuin on luultu

Kaasuvoita arvioitaessa on tärkeää tietää, kuinka nopeasti kaasut liikkuvat järven ja ilmakehän välillä. Eddy kovarianssi -tekniikalla (EC) tehdyt suorat vuomittaukset mahdollistavat kaasunvaihdon nopeuden tarkan arvioinnin.

Järvillä EC-tekniikan käyttö on kuitenkin uutta, minkä vuoksi yleisesti hyväksyttyjä käytäntöjä ei vielä ole. Jouni Heiskasen väitöstyön tavoite olikin tarkastella globaaleja arvioita järvistä vapautuvista kasvihuonekaasuista pureutumalla eri kaasunvaihdon nopeuden parametrisaatioihin. Tarkat mittaukset paljastavat, että kaasunvaihto on yli kaksi kertaa nopeampaa kuin yleisesti käytössä olevilla malleilla on arvioitu.

– Ovatkohan globaalit arviot järvistä vapautuvista kasvihuonekaasuista sittenkin aliarvioita, Heiskanen kysyy.

Veden kirkkauden vaikutusta tutkittava lisää

Väitöstutkimuksessa selvitettiin veden kirkkauden vaikutuksia vesipatsaan fysiikkaan ja vesi-ilmakehä-rajapinnan prosesseihin, mikä mahdollistaa tarkemmat tulevaisuuden ennusteet järvistä vapautuvista kasvihuonekaasuista.

Veden kirkkaus oli keskeinen tekijä, joka vaikutti järven lämpökerrostumiseen. Jos järven vesi muuttuu tummemmaksi, päällysvesi lämpenee voimakkaammin, mutta termokliini on lähempänä pintaa. Syksyllä järvi viilenee nopeammin ja jääpeitteen tulo aikaistuu. Näillä tekijöillä on vaikutusta järven eliöstöön ja kasvihuonekaasupäästöihin.

– Jatkossa tulisi tutkia, kuinka ilmastonmuutos vaikuttaa järvien sameuteen, kun sadanta ja siitä aiheutuva valunta ja ulkoinen kuormitus muuttuu, Heiskanen sanoo.

Limnologi Jouni Heiskasen väitöskirja Helsingin yliopistosta fysiikan laitoksen Ilmastonmuutoksen huippututkimusyksiköstä käsittelee näitä aiheita otsikolla ”Lake-atmosphere greenhouse gas exchange in relation to atmospheric forcing and lake biogeochemistry”. Vastaväittäjä on professoriAndreas Lorke Koblenz-Landaun yliopistosta Saksasta ja kustos professori Jorma Kuparinen Helsingin yliopiston ympäristötieteiden laitokselta.

Väitöstilaisuus on perjantaina 5.6.2015 kello 12 osoitteessa Viikinkaari 11 (Infokeskus), sali 2.

May 19

:VÄITÖS: Uusien kartoitusmenetelmien yhdistelmä mahdollistaa jokien kolmiulotteisen mallinnuksen

flener_claude

M.Sc. Claude Flener on syntynyt vuonna 1977 Luxemburgissa ja kirjoittanut siellä ylioppilaaksi 1997. Master of Science -tutkinnon hän suoritti 2009 Turun yliopistossa. Flener toimii johtavana asiantuntijana GWM-Engineeringissä. Väitös kuuluu luonnonmaantieteen alaan.

FM Claude Flenerin väitöstutkimuksessa on kehitetty uusia, kustannustehokkaita menetelmiä mitata ja mallintaa jokiympäristöjen topografiaa sekä veden virtausta. Menetelmiä voidaan hyödyntää myös muiden vesiympäristöjen mallintamiseen.

FM Claude Flenerin kehittämillä menetelmillä voidaan kolmiulotteisesti mallintaa joki- ja muita vesiympäristöjä. Kehittyvä tekniikka mahdollistaa uudenlaisia kaukokartoituslähestymistapoja, joita yhdistämällä ja Flenerin kehittämiä menetelmiä käyttämällä voidaan luoda kattava kokonaismalli jokiympäristöstä sisältäen tietoa veden virtauksesta, uoman ja tulvatasankojen geometriasta sekä niihin kohdistuvista muutoksista.

– Mallinnusmenetelmien avulla saadaan tietoa joessa vaikuttavista prosesseista, kuten eroosiosta ja sedimentin kulkeutumisesta joessa. Niiden avulla voidaan myös tutkia esimerkiksi tulvaprosesseja tai etsiä sopivia kutupaikkoja ja elinympäristöjä kaloille, Flener kertoo.

Kauko-ohjattavat laitteet ja laserkeilain työkaluina

Joen topografian tutkiminen, varsinkin uoman vedenalaiselta osalta, on pitkään ollut työlästä ja aikaa vievää. Virtauksen kattava mittaaminen on myös ollut haastavaa, sillä seurauksella, että niitä on tehty vain harvakseltaan luonnonympäristössä.

Tekniikan kehittyminen on kuitenkin helpottanut mittauksien tekemistä. Flenerin kehittämässä menetelmässä ilmakuvat on esimerkiksi otettu miehittämättömästä kauko-ohjattavasta helikopterista. Laserkeilain asennettiin sekä veneeseen, kärryyn että selkäreppuun. Vedenalaista geometriaa ja virtausolosuhteita tutkittiin niin ikään kauko-ohjattavalla veneeseen asennettavalla akustisella veden virtausmittauslaitteella.

– Uusien mittaustapojen yhdistelmä avaa uusia näkökulmia jokiympäristöihin ja niissä tapahtuviin prosesseihin, sekä mahdollistaa aineiston keräämisen laajemmalta alueelta nopeammin kuin tähän saakka on ollut mahdollista, Flener kertoo.

Menetelmiä kehitettiin ja testattiin Pohjois-Lapin Teno- ja Pulmankijoella Turun yliopiston Virtavesitutkimusryhmässä, yhteistyössä Aalto-yliopiston ja Geodeettisen laitoksen kanssa. Teno- ja Pulmankijokien kirkkaat vedet, kevättulvat sekä jääkauden kasaamat runsaat hiekka- ja sorasedimentit mahdollistivat uusien menetelmien kehityksen ja testauksen erilaisissa mittakaavoissa ja sedimenttiolosuhteissa.

Mitattua tietoa simulaation sijaan

Claude Flenerin kehittämät menetelmät koostuvat kolmesta kenttämittausten perusteella tehdystä osamallista: syvyys-, pinta- ja veden virtausmallista.
Miehittämättömästä helikopterista otettujen ilmakuvien pikseleiden kirkkaudesta päätellään Flenerin kehittämän algoritmin avulla jokiuoman syvyys. Tämä voidaan tehdä perinteisten ilmakuvien avulla, mutta monessa tilanteessa kauko-ohjattava helikopteri on parempi.

Helikopterin avulla saadut kuvat ovat tarkempia, koska se pystyy lentämään matalammalla. Helikopteria voidaan käyttää myös ketterämmin ja kustannustehokkaammin kunkin hetkisen tarpeen mukaan.

– Mobiilin laserkeilauksen avulla pystyttiin tekemään korkean resoluution korkeusmalli joen tulvatasangosta ja jokea ympäröivästä maa-alueesta. Tavallisella ilmalaserkeilauksella ei pystytä saamaan näin tarkkaa ja kattavaa kuvaa joen penkasta, Flener kertoo.

Yhdistämällä ilmakuviin perustuvan syvyysmallin ja laserkeilauksella tehty korkeusmalli voidaan tehdä saumaton maastomalli sekä vedenalaisesta jokiuomasta että vedenpinnan yläpuolisesta jokiympäristön topografiasta. Lopulta malliin yhdistetään Flenerin luoma ja kehittämä, kauko-ohjattavasta veneestä akustisella virtausmittauslaitteella saatujen mittausten perusteella rakennettu, joen kolmiulotteinen virtausmalli. Malli esittää kvantitatiivisesti ja kolmiulotteisien visualisointien avulla kuinka paljon vettä virtaa joessa, mihin suuntaan missäkin kohdassa ja kuinka nopeasti.

– Kolmen mittaustavan ja niistä johdettujen osamallien yhdistelmä mahdollistaa kattavan mallinnuksen joen fysikaalisista ominaisuuksista eli joen hydromorfologiasta. Tämä mallinnus perustuu mittauksiin, ei valistuneisiin arvauksiin tai simulaatioihin. Näin ollen sitä voidaan käyttää monen muun käyttötarkoituksen lisäksi myös hydraulisten mallien kalibrointiin ja validointiin, Flener sanoo.

Mallille saattaa myös löytyä sovelluskohteita akateemisen tutkimuksen ulkopuolella esimerkiksi ympäristövaikutusten arvioinnin apuna. Flener jatkaakin mallinnusten ja mittauksien menetelmäkehitystyötä GWM-Engineering Oy:n palveluksessa.

Väitöskirja on julkaistu sähköisenä: https://www.doria.fi/handle/10024/104615

***

Lauantaina 23. toukokuuta 2015 kello 12 esitetään Turun yliopistossa (Publicum, Pub3-auditorio, Assistentinkatu 7, Turku) julkisesti tarkastettavaksi M.Sc. Claude Flenerin väitöskirja “Remote sensing for three-dimensional modelling of hydromorphology” (Kolmiulotteinen hydromorfologinen mallintaminen kaukokartoituksella). Virallisena vastaväittäjänä toimii tohtori Robert Bryant Sheffieldin yliopistosta Britanniasta ja kustoksena professori Risto Kalliola Turun yliopistosta.