Muuttuvan jään tulkit
Keisaripingviinit ovat uteliasta sakkia.
Kun Aalto-yliopiston professori, jäätutkija Jukka Tuhkuri kairasi Weddelinmeren jäällä, ryhmä mustavalkoisia, reilun metrin mittaisia lintuja seisoi tyynesti tarkkailemassa hänen ja muiden tutkijoiden puuhia.
Weddelinmeri on noin Pohjoismaiden kokoinen merialue Etelämantereen niemimaan kainalossa. Alkuvuodesta 2022 Tuhkuri teki sinne seitsemän viikon tutkimusmatkan S.A. Agulhas II:n kyydissä, osana 65 hengen kansainvälistä Endurance22-retkikuntaa. Suurin osa heistä etsi tutkimusmatkailija Ernest Schackletonin vuonna 1915 uponneen Endurancen hylkyä, mutta mukana matkasi myös 15 jäätutkijaa.
Sukellusrobotin haravoidessa merenpohjaa kolmen kilometrin syvyydessä tutkijat laskettiin nosturilla jäälle keräämään näytteitä ja tekemään mittauksia.
Tuhkurin työväline oli jääkaira: 120 senttimetrin pituinen putki, jolla lisävarsien avulla saa kairattua jäätä jopa 3 metrin syvyydeltä.
Jääpötköistä Tuhkuri mittasi lämpötilan, tiheyden ja suolaisuuden. Ne vaikuttavat ratkaisevasti jään lujuuteen ja siihen, miten se murtuu osuessaan laivaan, siltaan tai merituulivoimalaan. Juuri jään murtumismekaniikka on Tuhkurin ryhmän erikoisalaa.
Näytteiden lämpötila oli melkein yläpintaan –1,8 celsiusastetta eli saman verran kuin meriveden jäätymislämpötila.
”Hyvin, hyvin lämmintä”, Tuhkuri sanoo.
Kadonneet pannukakut
Etelämannerta lähestyessä meressä kelluu usein tyrskyissä pyöreiksi hioutuneita jääkokkareita: pannukakkujäätä.
”Tällä reissulla ei ollut kunnon aaltoja eikä näkynyt pannukakkujakaan”, Tuhkuri harmittelee.
Jäätutkijalle jää ei koskaan ole vain jäätä – niin monimutkainen materiaali se on, ja niin paljon eri jäätyypit eroavat toisistaan. Tiivistyneestä lumesta muodostunut jäätikköjää on esimerkiksi kiderakenteeltaan ihan erilaista kuin vedestä jäätynyt kelluva jää. Suolainen jää on huokoisempaa kuin makeasta vedestä muodostunut jää ja siksi heikompaa.
Otaniemessä Tuhkuri ja hänen kollegansa tutkivat jäätä Aallon kahdessa jääaltaassa. Aalto Ice and Wave Tankin koko on 40 x 40 metriä ja syvyys 2,8 metriä. Se on pinta-alaltaan maailman suurin sisäjääallas, jossa testataan jäisissä olosuhteissa laivoja ja muita merirakenteita sekä jään ominaisuuksia ja murtumista.
Valtavan altaan vesi ei ole suolaista kuin merivesi vaan tavallista kraanavettä, johon lisätty ihan vähän etanolia.
”Suolaa tarvittaisiin useita kuorma-auton lavallisia, ja suolainen vesi myös kuluttaa altaan rakenteita”, Tuhkuri selittää.
Merijääkokeita tehdään pienemmässä 2 × 4 metrin altaassa, tukevasti eristetyssä ja raskaan erikoisoven suojaamassa kylmähuoneessa. Allas ja merijään kasvattamisessa tarvittava laitteisto on väitöskirjatutkija Sid Oksalan suunnittelema ja rakentama.
Jään kiderakenne paljastuu hieestä: hyvin ohuesta, hiomalla valmistetusta näytepalasta. Hiettä varten Tuhkurilla on tapana laskea kylmähuoneen lämpötila –18 celsiusasteeseen. Lämpimämmässä ei saada kunnollisia näytteitä ja kylmemmässä tavarat alkavat tippua tutkijoiden käsistä.
Kun kelluva jää saa jäätyä rauhassa, siitä tulee pylväskiteistä eli kiteet kasvavat pinnalta alaspäin. Kiteet ovat noin sormen paksuisia ja yhtä pitkiä kuin jää on paksua.
Makean veden jään pylväskiteet ovat selkeärajaisia ja muistuttavat paljon toisiaan. Suolaisesta vedestä syntyneet kiteet taas ovat epätasaisempia ja keskenään hyvin erilaisia.
”Suolaisessa jäässä veden epäpuhtaudet ja ilmakuplat jäävät osittain kiteiden sisään”, Tuhkuri selittää.
”Siksi makea ja suolainen jää eroavat niin paljon toisistaan.”
Oppikirjat uusiksi
Matkan alussa Tuhkuri vei laivan tähystyskoriin väitöskirjatutkija Andrei Sandrun kehittämän automaattisen kamerajärjestelmän. Se nappasi viiden sekunnin välein kuvan jäätilanteesta laivan etupuolella ja tallensi kuvat tietokoneen muistiin. Konenäkö analysoi kuvista jäälauttojen koon ja jääkentän peittoisuuden eli sen, miten paljon edessä oli jäätä ja avovettä. Samalla laivan kylkiin kiinnitetyt anturit havainnoivat jäiden laivan runkoon aiheuttamia kuormia.
Toisin kuin muu retkikunta, Tuhkuri toivoi kovia tuulia ja aaltoja päästäkseen havainnoimaan myrskyn ja jääkuormien yhteisvaikutusta.
Myrskyä ei tullut, mutta eräänä aamuna Tuhkuri näki tietokoneelta, että anturi oli aamuyöllä rekisteröinyt huiman 775 kilonewtonin kuorman. Se on vain neljän kilonewtonin päässä aluksen suunnittelukuormasta eli voimasta, joka laivan runko on suunniteltu kestämään.
”Ryntäsin sillalle kysymään kapteenilta, mitä yöllä oli tapahtunut. Hän sanoi, ettei mitään eikä valokuvistakaan löytynyt selitystä.”
Tömähdyksen aiheuttaja jäi matkalla mysteeriksi, mutta nyt Tuhkuri uskoo tietävänsä syyn.
Kevättalvella jää lämpenee ja sen koostumus muuttuu pehmeämmäksi ja sotkuisemmaksi. Englanniksi puhutaan mädästä jäästä, suomeksi hauraasta.
Hauraus on harhaa, sanoo Tuhkuri.
”Voima on paine kertaa pinta-ala. Kun oikein kylmä vanhan ajan jää törmää laivaan, paine on suuri mutta kosketuspinta-ala pieni. Lämpimässä jäässä paine taas on pienempi, mutta kosketuspinta-ala paljon suurempi, jolloin voima saattaakin kasvaa.”
Luonnossa jään lämpötila vaihtelee, mutta laboratorioissa sitä on vuosikymmenet tutkittu ja mallinnettu –10 celsiusasteessa.
Vuonna 2021 Tuhkurin ryhmä osoitti ensimmäisenä maailmassa, että lämpimän ja kylmän jään murtumisessa onkin eroja.
Alan oppikirjoissa opetetaan, että jää muuttuu kuormituksessa kolmella tavalla. Elastinen muutos palautuu heti, kun kuormitus loppuu. Viskoelastinen muutos kasvaa kuormituksen jatkuessa ja palautuu ajan myötä. Plastinen muutos on pysyvää.
Kun Tuhkuri kollegoineen kuormitti jäätä –0,3 celsiusasteessa, viskoelastista muutosta ei havaittu lainkaan – kasvava muutos jäikin pysyväksi.
Mitä se käytännössä tarkoittaa?
”Emme tiedä vielä”, Tuhkuri sanoo.
”Se meidän pitää seuraavaksi selvittää. Oppikirjoja ja laskentamalleja ainakin pitää päivittää.”
Kuuma kylmä paikka
Matka Weddelinmerelle oli menestys: Endurancen hylky löytyi, ja Tuhkuri keräsi dataa jäätilanteesta kovalevykaupalla. Keisaripingviinitkin tulivat vielä tervehtimään viimeisenä jääpäivänä, ennen kotiinlähtöä.
Shackleton oli Tuhkurin nuoruuden sankari ja Jack Londonin seikkailut hänen lempikirjojaan. Lukion jälkeen Tuhkuri lähti opiskelemaan laivanrakennustekniikkaa.
Kolmantena opiskeluvuonna lappu ilmoitustaululla muutti suunnitelmat.
”Laivanrakennusinsinööreille järjestettiin täydennyskoulutus arktisesta meritekniikasta. Ensimmäisen päivän esitelmän piti alan konkari, professori Wilford Franks ”Willy” Weeks Alaskan yliopistosta. Hän näytti kuvia hieistä ja kertoi jääkiteistä, ja se oli siinä – tiesin, mitä halusin tehdä.”
Tiede on Tuhkurin uran aikana edennyt vauhdilla, myös uusien menetelmien ansiosta. Säröjen muodostumista seurataan professori Sven Bossuytin jatutkijatohtori Waqas Ahmadin kehittämien digitaalisten kuvakorrelaatiomenetelmien avulla. Professori Arttu Polojärvi tutkii jäiden liikkeiden vaikutusta merituulivoimaloihin simulaatioilla, joiden tarkkuus on maailman huippua. Aalto Ice and Wave Tankin ansiosta Aallossa voidaan tehdä kokeellista tutkimusta, joka ei olisi mahdollista missään muualla.
Tulijoita on ympäri maailmaa, ja yhteistyötä tehdään joka suuntaan, Tuhkuri kertoo.
”Meistä on tullut kuuma kylmä paikka. Ilmastonmuutos on tehnyt alasta entistä ajankohtaisemman.”
Jukka TuhkuriMeistä on tullut kuuma kylmä paikka. Ilmastonmuutos on tehnyt alasta entistä ajankohtaisemman.
Jään materiaaliominaisuuksien rinnalla muuttuvat arktisten alueiden jääolosuhteet. Kiinteän jään ja avomeren välillä on normaalisti kapea reunavyöhyke, jossa aaltojen seassa ajelehtii jäälauttoja. Nyt kiinteä jää vähenee ja reunavyöhykkeet laajenevat. Tuhkuri pelkää, että sen myötä arktisille vesille uskaltautuu yhä useammin laivoja, joita ei ole suunniteltu kestämään jääkuormien moukarointia.
”Emme vielä tunne reunavyöhykkeiden olosuhteita riittävän hyvin. Mutta jo Shackleton ymmärsi, että jäiden ja aallokon seassa on vaarallista.”
Mitä Tuhkuri haluaisi kaikkien työstään ymmärtävän?
”Mokasimme, ja jää muuttui jo. Nyt meidän pitää selvittää, mitä se tarkoittaa ympäristölle ja yhteiskunnalle. Ilmastonmuutoksen tutkiminen ja sen jarruttaminen on tärkeää, mutta tieteen avulla pitää myös löytää keinoja sopeutua uusiin olosuhteisiin.”
Jukka Tuhkuri piti tutkimusmatkastaan Kohti Etelämannerta-blogia. Se sai niin innostuneen vastaanoton, että hän päätti kirjoittaa matkasta kokonaisen kirjan. Jään voima. Kertomus Endurancen uppoamisesta ja löytämisestä julkaistaan syyskuun lopussa.
Endurance22 Expedition -matkan aikana otetut valokuvat on julkaistu Falklands Maritime Heritage Trustin luvalla.
Muut jutun kuvat: Jukka Tuhkuri, Jaakko Kahilaniemi, Mikko Raskinen
Artikkeli on julkaistu Aalto University Magazinen numerossa 34 (issuu.com) syyskuussa 2024.
- Julkaistu:
- Päivitetty:
Lue lisää uutisia
Kansainvälinen yhteistyö tärkeää radio-observatoriolle
Aalto-yliopiston Metsähovin radio-observatorion 50-vuotinen kansainvälinen yhteistyö saa jatkoa, kun astrofysiikan tutkimuskeskuksen ACME-ohjelma käynnistyi.
Eurooppalainen jättirahoitus uusien kvanttimateriaalien tutkimukseen
Professori Peter Liljeroth sai Euroopan tutkimusneuvostolta miljoonarahoituksen kvanttimateriaalien kehittämiseen. Uusista materiaaleista toivotaan rakennusainesta toistaiseksi ennennäkemättömiin kvanttilaitteisiin.
Fysiikan professori: Ydinsimulaatiot vaativat tehokkaita tietokoneita, ja siinä “Suomi on edelläkävijä”
Andrea Sand johtaa suurta kansainvälistä Nuclear Materials and Engineering -tutkimusryhmää, jonka rahoitukset ja yhteistyökumppanuudet kattavat koko Euroopan.